Um Sauerstoff auf dem Mars herzustellen, braucht NASAs Perseverance Rover MOXIE

Stiefel auf den Mars zu bringen ist nicht einfach, aber es ist viel einfacher, als sie wieder zurückzubringen.
Diese Woche startet die NASA ihren Perseverance Rover auf eine einfache Reise zur Marsoberfläche. Neben vielen anderen Werkzeugen trägt das Raumschiff ein experimentelles Instrument, das Astronauten in der Zukunft helfen könnte, Hin- und Rückreisen zum Planeten zu unternehmen. Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, kurz MOXIE, ist klein, etwa so groß wie eine Autobatterie. Es wurde entwickelt, um eine Technologie zu demonstrieren, die Kohlendioxid durch einen Prozess namens Elektrolyse in Sauerstoff umwandelt. Die dünne Marsatmosphäre besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid, aber um etwas in den Weltraum zu schicken, braucht man Treibstoff, und um diesen Treibstoff zu verbrennen, braucht man Sauerstoff. Die NASA könnte flüssigen Sauerstoff zum Planeten transportieren, aber das benötigte Volumen nimmt eine Menge Platz in Anspruch.
MOXIE könnte den Weg zu einer Lösung weisen. Bei Erfolg könnte eine größere Version der MOXIE-Sauerstoffproduktionstechnologie dann für den Start einer Rakete nach Hause verwendet werden. „Die NASA will die Menschen definitiv nicht einfach auf dem Mars zurücklassen“, sagt Asad Aboobaker, ein Ingenieur am Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Michael Hecht, ein Associate Director am MIT, der für MOXIE verantwortlich ist, sagt, dass seit den 1990er Jahren die Diskussionen über die Erforschung des Mars immer wieder auf eine Liste von vier offenen Fragen zurückkamen. Zwei davon drehten sich um den Nachweis, dass der Mars sicher genug für menschliche Missionen ist, da die kahle Atmosphäre des Planeten alles auf seiner Oberfläche mit Staubstürmen und Strahlung bedroht. Diese Fragen sind inzwischen geklärt. Bei der Mars-Odyssee 2001 wurde die Strahlung auf und um den Planeten gemessen, was Aufschluss darüber gab, wie eine Abschirmung für Astronauten gebaut werden müsste. Nach 2007 erstellte der Phoenix-Lander ein Profil des Marsstaubs und der Bodenchemie und fand Nährstoffe, die die Pflanzen auf der Erde unterstützen könnten. Eine andere Frage war, wie große Fahrzeuge auf dem Planeten landen könnten. Dieses Problem wurde gelöst, da vier NASA-Rover zwischen 1996 und 2011 sicher auf dem Planeten gelandet sind. Die vierte Frage, die noch unbeantwortet ist, fragte, wie wir alle notwendigen Ressourcen auf den Mars bringen könnten.

Die größte Ressource, die noch aussteht, ist laut Hecht der Treibstoff, der für einen Heimflug benötigt wird. „Alles, was Sie tun müssen, um sich davon zu überzeugen, ist, sich eine Rakete anzusehen, wie sie von der Erde startet“, sagt Hecht. „Es gibt einen riesigen Sauerstofftank, um eine kleine, winzige Kapsel an der Spitze hochzuheben.“

MOXIE ist nur ein Werkzeug auf dem 2 Milliarden Dollar teuren Perseverance-Rover; das Fahrzeug umfasst auch einen Mars-Hubschrauber und SHERLOC, einen Ultraviolett-Laser, der nach Anzeichen von altem Leben suchen wird. Obwohl MOXIE vergoldet ist, sieht es für seine ehrgeizige Mission bescheiden aus. Das Gehäuse des Experiments ist ein ungefähr würfelförmiger Kasten, der in jeder Dimension etwa einen Meter misst.

In diesem aufgeräumten Gehäuse befinden sich ein Kompressor, ein Filter und ein streng getesteter Keramikstapel, der die Elektrolysereaktion durchführt. Jedes Element muss ferngesteuert und präzise arbeiten, und das unter Bedingungen, die bewegliche Teile abwürgen und wertvolle Hardware verschleißen.

Die Atmosphäre auf dem Mars ist 170 Mal dünner als auf der Erde. Obwohl die Luft so reich an Kohlendioxid ist, bedeutet der niedrige Druck, dass die Luft, die in den reaktiven Kern von MOXIE strömt, nicht viel Sauerstoff produzieren wird. Der Kompressor von MOXIE saugt jedoch das Kohlendioxid in der Nähe an und leitet es mit einem erdähnlichen Druck an die Elektrolyseeinheit weiter. Dort reißt ein chemischer Katalysator, der bei 800 Grad Celsius arbeitet, aus jedem ankommenden CO2 ein Sauerstoffatom heraus. Paare von Sauerstoffatomen verbinden sich schnell zu stabilem zweiatomigem Sauerstoff, der zusammen mit Kohlenmonoxid austritt.

Da MOXIE so heiß läuft, ist eine Hightech-Isolierung erforderlich, um die Anlage vor sich selbst und dem Rest der Perservance-Geräte zu schützen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Mars selbst ein kalter Planet ist. Seine spärliche Atmosphäre hat Mühe, die Tageswärme zu halten, so dass Perseverance mit enormen Temperaturschwankungen rechnen muss, von möglichen Höchsttemperaturen in den 60er Jahren bis zu Tiefsttemperaturen von 130 Grad unter Null. „Wir wollen zeigen, dass wir tagsüber und nachts, im Winter und im Sommer laufen können, und wenn es draußen staubig ist … in all den verschiedenen Umgebungen“, sagt Hecht.

Ein Hochtemperatur-Experiment zu isolieren, um unter solchen Bedingungen zu arbeiten, war laut Aboobaker, der seit 2014 am NASA Jet Propulsion Laboratory an den Tests von MOXIE beteiligt ist, schwierig. „Wie baut man es? Und wie verpackt man es so, dass es den Start überlebt?“, sagt er. „Es gab eine Menge Iterationen.“

Die NASA-Ingenieure verwendeten Aerogele, die für ein ganz anderes Projekt entwickelt wurden, als leichten und haltbaren Isolator. Jede Lösung wie diese erhöhte die Erfolgswahrscheinlichkeit und brachte sogar neue wissenschaftliche Erkenntnisse zutage – das Team veröffentlichte kürzlich eine Studie darüber, wie sich die Filter in einer simulierten Marsatmosphäre verhalten. „Wir haben schon so viel gelernt, ohne überhaupt auf dem Mars zu sein“, sagt Hecht.

Der volle Zeitplan von Perseverance stellt laut Hecht auch eine große technische Herausforderung für den Betrieb von MOXIE dar. Das Instrument muss sich immer wieder ein- und ausschalten, um den kostbaren Batteriestrom mit anderen Instrumenten an Bord zu teilen. All diese Stopps und Starts, das Einfrieren und Schwitzen, belasten das System. Die Tests von MOXIE haben gezeigt, dass diese Zyklen das Experiment in vielerlei Hinsicht beeinträchtigen. Das Team nutzte Korrekturen – wie z. B. die Umwälzung von Kohlenmonoxid, um zu verhindern, dass Kohlendioxid den Reaktionsort zersetzt – um das Problem der Zyklen zu lösen, das laut Hecht „das schwierigste Einzelproblem war.“

Die NASA schloss ihre Hardware-Arbeit im März 2019 ab. Da Perseverance erst im kommenden Februar landen wird, wird die MOXIE-Hardware fast zwei Jahre lang ungenutzt herumliegen. „Zunächst einmal ist es eine Herausforderung, zwei Jahre lang nur im Regal zu stehen“, sagt Hecht. „Ganz zu schweigen von der extremen Beanspruchung zwischen dem Verlassen des Regals und dem Einschalten auf dem Mars.“

Auf die Frage, ob das zu diesem Zeitpunkt ein großes Problem darstellt, antwortet Aboobaker: „Nein – denn wir haben es so geplant.“

Eine weitere Ungewissheit besteht laut Hecht darin, MOXIE alleine laufen zu lassen, ohne dass jemand in der Nähe ist, der den Aus-Knopf drückt. Wenn ein fehlerhafter Sensor die Spannung des Instruments zu hoch treibt, könnte sich elementarer Kohlenstoff bilden und das Experiment ruinieren.

„Ich erwarte, dass MOXIE das tut, was es zu tun vorgibt“, sagt Julie Kleinhenz, eine NASA-Ressourcenexpertin, die nicht an der Entwicklung von MOXIE beteiligt war. Aber Kleinhenz sagt, dass MOXIE mit dem konfrontiert ist, was sie „unbekannte Unbekannte“ nennt. Die einzigartige Umgebung des Mars könnte Überraschungen bergen, wie zum Beispiel ungewohnte Effekte durch Staub. „Die ganze Idee hier ist, etwas auszuprobieren, das eine gute Wette ist, zu sehen, was es tut, und die Daten zurückzubekommen.“

Auf dem Mars wird der Erfolg etwas unzeremoniell sein. „Wenn Sie neben dem Rover stehen würden – natürlich in einem Raumanzug – würden Sie wahrscheinlich nicht viel erkennen können“, sagt Aboobaker.

MOXIE wird keine Tanks mit seinem Sauerstoff füllen. Stattdessen werden die Wissenschaftler den Erfolg mit drei unabhängigen Messinstrumenten verfolgen: einem Drucksensor im Weg des Gases, einem fluoreszierenden Molekül, das nach dem Zusammentreffen mit Sauerstoff verdunkelt wird, und einem elektrischen Strom aus der Reaktion. Perseverance bringt auch Mikrofone mit – die ersten auf einer Mars-Mission überhaupt. Wissenschaftler, die das Audiofeed abhören, werden auf das Brummen eines gesunden Kompressors achten.

MOXIE wird schon lange erwartet, produziert aber nur etwa sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde, ungefähr die Atemfrequenz eines Corgis. Der Mensch braucht ein Vielfaches dieser Menge zum Atmen, und eine Rakete braucht etwa das 200-fache an Sauerstoff, um nach Hause zu kommen. Für die Wissenschaftler wäre ein erfolgreiches Jahr auf dem Mars – 687 Erdtage – ein grünes Licht, um MOXIE über den Corgi-Maßstab hinaus zu vergrößern. Da ein voll funktionsfähiges Gerät auch 1000 Mal länger laufen müsste als MOXIE, können die Ingenieure die Ergebnisse von MOXIE nutzen, um die Konstruktionen so zuverlässig – und kompakt – wie möglich zu halten. Und die NASA könnte andere Ressourcenexperimente in Auftrag geben, wie z. B. die Methanproduktion, um Raketentreibstoff herzustellen. Aber da die Herstellung von Methan das Auffinden, Ausgraben und Schmelzen von Eis auf dem Mars erfordert, sagt Hecht, dass dies wahrscheinlicher ist, „sobald wir Stiefel auf dem Boden haben“. Was auch immer die zukünftigen Ziele sind, der Zeitpunkt der Marsumlaufbahn bedeutet, dass die nächste Mission frühestens in 26 oder 52 Monaten stattfinden wird.

Auf die Frage, ob er jemals die Gelegenheit wahrnehmen würde, den Mars selbst zu besuchen, lacht Hecht und sagt: „Hey, ich fühle mich nicht wohl auf einer Leiter.“ Nach längerem Nachdenken räumt er ein, dass er sich die Gelegenheit nicht entgehen lassen könnte. NASA-Ingenieur Aboobaker hat einen Vorbehalt. „Der Mars scheint ein schöner Ort zu sein, den man besuchen kann“, sagt er. „Es wäre fantastisch … wenn ich sichergehen könnte, dass ich zurückkommen kann.“