Om zuurstof op Mars te maken, heeft NASA’s Perseverance Rover MOXIE nodig

Laarzen op Mars zetten is niet eenvoudig, maar het is een stuk eenvoudiger dan ze terugbrengen.
Deze week lanceert NASA zijn Perseverance Rover op een enkele reis naar het oppervlak van Mars. Naast vele andere instrumenten heeft het vaartuig een experimenteel instrument aan boord dat astronauten in de toekomst zou kunnen helpen om rondreizen naar de planeet te maken. Het Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, of MOXIE, is klein, ongeveer zo groot als een autoaccu. Het is ontworpen om een technologie te demonstreren die kooldioxide omzet in zuurstof met een proces dat elektrolyse heet. De ijle atmosfeer van Mars bestaat voor 95% uit kooldioxide, maar om iets de ruimte in te sturen is brandstof nodig, en voor het verbranden van die brandstof is zuurstof nodig. NASA zou vloeibare zuurstof naar de planeet kunnen verschepen, maar het benodigde volume neemt veel ruimte in beslag.
MOXIE zou de weg kunnen wijzen naar een oplossing. Als de technologie voor zuurstofproductie van MOXIE succesvol is, zou deze op grotere schaal kunnen worden gebruikt om een raket naar huis te lanceren. “NASA wil de mensen beslist niet zomaar op Mars achterlaten,” zegt Asad Aboobaker, een ingenieur bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory.

Michael Hecht, een associate director bij MIT die verantwoordelijk is voor MOXIE, zegt dat sinds de jaren negentig de discussies over de verkenning van Mars altijd terugkwamen op een lijst van vier open vragen. Twee daarvan hadden betrekking op de vraag of Mars veilig genoeg is voor menselijke missies, aangezien de kale atmosfeer van de planeet alles op zijn oppervlak bedreigt met stofstormen en straling. Die vragen zijn inmiddels beantwoord. De Mars Odyssey van 2001 heeft de straling op en rond de planeet gemeten, waardoor duidelijk werd hoe de schilden voor de astronauten zouden moeten worden gebouwd. Na 2007 heeft de Phoenix lander een profiel gemaakt van het stof en de bodemchemie van Mars, en voedingsstoffen gevonden die planten op aarde zouden kunnen voeden. Een andere vraag was hoe grote voertuigen op de planeet kunnen landen. Dit probleem is aangepakt: tussen 1996 en 2011 zijn vier NASA-rovers veilig op de planeet geland. De vierde vraag, die nog steeds niet is beantwoord, was hoe we alle benodigde hulpbronnen op Mars kunnen brengen.

De grootste hulpbron die volgens Hecht nog over is, is drijfgas dat nodig is voor een vlucht naar huis. “Het enige wat je hoeft te doen om jezelf daarvan te overtuigen, is naar een raket te kijken die vanaf de aarde wordt gelanceerd,” zegt Hecht. “Er is een enorme zuurstoftank om een kleine capsule op te tillen.”

MOXIE is slechts één instrument van de 2 miljard dollar kostende Perseverance rover; het vaartuig omvat ook een Marshelikopter en SHERLOC, een ultraviolette laser die zal scannen op tekenen van oud leven. Ondanks MOXIE’s gouden randje, ziet het er bescheiden uit voor zijn ambitieuze missie. De behuizing van het experiment is een ruwweg kubusvormige doos van ongeveer een meter in elke dimensie.

In dat keurige omhulsel zit een compressor, een filter en een streng geteste keramische stapel die de elektrolysereactie uitvoert. Elk element moet op afstand, precies en onder omstandigheden presteren die bewegende onderdelen verstikken en kostbare hardware doen slijten.

De atmosfeer op Mars is 170 keer dunner dan op aarde. Hoewel die lucht zo rijk is aan kooldioxide, betekent de lage druk dat de omgevingslucht die in de reactieve kern van MOXIE stroomt, niet veel zuurstof zal produceren. De compressor van MOXIE zuigt echter kooldioxide uit de omgeving aan en voert die met een druk als op aarde naar de elektrolyse-eenheid. Daar scheurt een chemische katalysator bij 800 graden Celsius een zuurstofatoom uit elk binnenkomend CO2. Paren zuurstofatomen combineren zich snel tot de stabiele diatomeeënzuurstof, die samen met koolmonoxide weer naar buiten gaat.

Omdat MOXIE zo heet is, is er hightech-isolatie nodig om de apparatuur te beschermen tegen zichzelf en de rest van de Perservance-instrumenten. Wat de zaak nog ingewikkelder maakt, is dat Mars zelf een koude planeet is. De schaarse atmosfeer heeft moeite om de warmte van de dag vast te houden, dus Perservance kan enorme temperatuurschommelingen verwachten, van mogelijke maxima in de 60 graden Fahrenheit tot minima van 130 graden onder nul. “We willen laten zien dat we overdag kunnen draaien, en ’s nachts, in de winter, en in de zomer, en wanneer het stoffig is buiten…in alle verschillende omgevingen,” zegt Hecht.

Het isoleren van een hoge temperatuur experiment om op zo’n was moeilijk, volgens Aboobaker, die sinds 2014 betrokken is geweest bij het testen van MOXIE in het NASA Jet Propulsion Laboratory. “Hoe bouw je het? En hoe verpak je het op een manier die de lancering overleeft?”, zegt hij. “Er was veel iteratie.”

NASA-ingenieurs gebruikten aerogels die voor een heel ander project waren ontwikkeld als een lichtgewicht en duurzame isolator. Elke oplossing als deze verhoogde de kans op succes, en bracht zelfs nieuwe wetenschap aan het licht – het team publiceerde onlangs een studie over hoe filters presteren in een gesimuleerde Martiaanse atmosfeer. “We hebben al zoveel geleerd zonder zelfs maar naar Mars te gaan,” zegt Hecht.

Volgens Hecht vormt het drukke schema van Perseverance ook een enorme technische uitdaging voor de werking van MOXIE. Het instrument moet aan en uit worden gezet om kostbare batterijstroom te delen met andere instrumenten aan boord. Al dat stoppen en starten – bevriezen en zwellen – is ruw voor het systeem. MOXIE’s tests toonden aan dat dit cyclische gebruik het experiment op vele manieren degradeert. Het team gebruikte oplossingen – zoals het recirculeren van koolmonoxide om te voorkomen dat kooldioxide de reactielocatie aantast – om het probleem van de cycli op te lossen, wat volgens Hecht “het moeilijkste probleem” was.

NASA heeft het hardwarewerk in maart 2019 afgerond. Aangezien Perseverance pas in februari volgend jaar zal landen, zal MOXIE’s hardware bijna twee jaar ongebruikt hebben gezeten. “Om te beginnen is het een uitdaging om twee jaar op een plank te staan,” zegt Hecht. “

Om nog maar te zwijgen van de extreme mishandeling tussen het verlaten van de plank en het aanzetten op Mars.”

Op de vraag of dat op dit moment een grote zorg is, antwoordt Aboobaker: “Nee, want daar hebben we voor ontworpen.”

Eén onzekerheid die volgens Hecht blijft bestaan, is MOXIE alleen te laten draaien zonder dat er iemand in de buurt is om een uit-knop in te drukken. Als een defecte sensor de spanning van het instrument te hoog opvoert, kan zich elementaire koolstof vormen en het experiment ruïneren.

“Ik verwacht dat MOXIE doet wat het zegt te gaan doen,” zegt Julie Kleinhenz, een NASA resource expert die niet betrokken was bij de ontwikkeling van MOXIE. Maar Kleinhenz zegt dat MOXIE te maken krijgt met wat zij noemt “onbekende onbekenden”. De unieke omgeving van Mars kan voor verrassingen zorgen, zoals onbekende effecten van stof. “Het hele idee hier is om iets te proberen dat een goede gok is, te zien wat het doet, en de gegevens terug te krijgen.”

Op Mars zal succes enigszins ongemakkelijk zijn. “Als je naast de rover zou staan, in een ruimtepak natuurlijk, dan zou je waarschijnlijk niet kunnen zien dat er veel aan de hand is,” zegt Aboobaker.

MOXIE zal geen tanks vullen met zijn zuurstof. In plaats daarvan zullen wetenschappers het succes bijhouden met drie onafhankelijke metingen: een druksensor op het pad van het gas; een fluorescerend molecuul dat dimt als het zuurstof tegenkomt; en een elektrische stroom die door de reactie wordt opgewekt. Perseverance brengt ook microfoons mee – de eerste op een Marsmissie. Wetenschappers die naar de audio-feed luisteren zullen uitkijken naar het gezoem van een gezonde compressor.

MOXIE wordt al lang verwacht, maar maakt slechts ongeveer zes gram zuurstof per uur, ongeveer de ademsnelheid van een corgi. Mensen hebben een veelvoud van die hoeveelheid nodig om te ademen, en een raket heeft ongeveer 200 keer zoveel zuurstof nodig om thuis te komen. Voor wetenschappers zou een succesvol Martiaans jaar – 687 aardse dagen – het groene licht zijn om MOXIE verder op te schalen dan de schaal van een corgi. Aangezien een volledig capabele eenheid ook 1000 keer langer zou moeten werken dan MOXIE zal doen, kunnen ingenieurs de resultaten van MOXIE gebruiken om ontwerpen zo betrouwbaar en compact mogelijk te houden. En NASA kan opdracht geven voor andere grondstofexperimenten, zoals methaanproductie, om raketbrandstof te maken. Maar aangezien het maken van methaan het vinden, uitgraven en smelten van ijs op Mars vereist, zegt Hecht dat dit waarschijnlijker is “zodra we laarzen op de grond hebben.” Wat de toekomstige doelen ook mogen zijn, de timing van de baan van Mars betekent dat de volgende missie pas over 26 of 52 maanden zal plaatsvinden.

Op de vraag of hij ooit de kans zou aanvaarden om Mars zelf te bezoeken, lacht Hecht en zegt: “Hé, ik voel me niet op mijn gemak boven op een ladder.” Na wat langer nadenken, geeft hij toe dat hij de kans niet voorbij kan laten gaan. NASA ingenieur Aboobaker heeft één voorbehoud. “Mars lijkt me een mooie plek om te bezoeken,” zegt hij. “Het zou geweldig zijn… als ik ervoor kon zorgen dat ik terug kon komen.”