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Erfolg für erste Sauerstofffabrik auf dem Mars

Experiment MOXIE belegt Machbarkeit der O2-Gewinnung aus der Marsatmosphäre

Perseverance
Der Perseverance-Rover hat ein Experiment an Bord, das Sauerstoff aus der Marsatmosphäre gewinnen kann – eine für künftige Astronauten entscheidende Ressource. © NASA/JPL-Caltech/MSSS

Sauerstoff für Mars-Astronauten: Die Gewinnung von Sauerstoff aus der Mars-Atmosphäre ist möglich – das belegt der Erfolg des Experiments MOXIE auf dem „Perseverance“-Marsrover der NASA. Denn der kleine Kasten konnte in allen Testläufen Sauerstoff durch Spaltung des marsianischen Kohlendioxids gewinnen. Seine Produktionsrate lag bei rund sechs Gramm O2 pro Stunde – immerhin so viel wie ein kleiner Baum. Größere, dauerhaft laufende Geräte könnten künftig aber viel mehr Sauerstoff erzeugen.

Wenn künftig Astronauten den Mars besuchen oder sogar längere Zeit auf ihm bleiben sollen, benötigen sie Sauerstoff – zum Atmen, aber auch als Treibstoff für den Rückflug. Weil die benötigten Mengen aber nicht von der Erde zum Mars gebracht werden können, muss er vor Ort erzeugt werden. Ob und wie dies möglich ist, testet seit Frühjahr 2021 ein schuhkartongroßer Kasten auf dem Marsrover „Perseverance„: das Experiment MOXIE.

MOXIE
Blick auf das MOXIE-Experiment ohne Frontabdeckung. © Hoffman et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

Sauerstoff aus der Kohlendioxid-Spaltung

MOXIE gewinnt Sauerstoff, indem es die dünne, aber kohlendioxidreiche Marsluft einsaugt und komprimiert. Dann wird das zu 94 Prozent aus CO2 bestehende Gas auf rund 800 Grad erhitzt und in einen Behälter mit zwei Elektroden geleitet. Dort findet eine Elektrolyse statt – die Spaltung des Kohlendioxids in Sauerstoff und Kohlenmonoxid. Der Sauerstoff sammelt sich an der Kathode und könnte beispielsweise als Atemgas genutzt werden, die Restgase strömen nach Filterung zurück in die Atmosphäre.

Schon im April 2021 verlief ein erster Test dieser Vor-Ort-Sauerstoffgewinnung erfolgreich. Seither hat MOXIE sieben Durchläufe absolviert und dabei wie geplant rund sechs Gramm O2 pro Stunde produziert. Dies entspricht immerhin der Sauerstoffproduktion eines kleinen Laubbaums. „Dies ist die erste Demonstration der Nutzung von Ressourcen auf einem anderen Planeten“, sagt MOXIE-Chef-Wissenschaftler Jeffrey Hoffman vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). „In dieser Hinsicht ist dies historisch.“

O2-Produktion unter Extrembedingungen

Das Entscheidende jedoch: Die kleine Sauerstofffabrik konnte das Atemgas unter allen getesteten Bedingungen gewinnen – tagsüber, nachts und in verschiedenen Jahreszeiten. „Die Atmosphäre des Mars ist weitaus variabler als die der Erde“, erklärt Hofman. „Ihre Gasdichte kann um den Faktor zwei im Verlauf des Marsjahres schwanken und die Temperatur um rund 100 Grad. Daher war es wichtig zu zeigen, dass die Sauerstoffgewinnung zu allen Zeiten möglich ist.“

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Dichteschwankungen
Die Dichte der fast nur aus CO2 bestehenden Marsatmosphäre schwankt im Tages- und Jahresverlauf stark. Dennoch waren alle Tests von MOXIE (OC-Punkte) erfolgreich. © Hoffman et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

Genau dies ist mit MOXIE gelungen: Die kleine Sauerstofffabrik schaffte es selbst bei minimaler CO2-Dichte der Marsatmosphäre oder Temperaturen von minus 74 Grad, seine im Schnitt sechs Gramm O2 pro Stunde zu gewinnen. „Unser nächster Testlauf wird während der höchsten Gasdichten des Jahres stattfinden“, sagt Hofmans Kollege Michael Hecht. „Wir werden dann versuchen, soviel Sauerstoff zu erzeugen, wie wir können. Wir werden das Gerät so weit hochfahren wie möglich und es so lange laufen lassen wie es geht.“

Haltbarer als gedacht

Anders als künftige Vor-Ort-Sauerstofffabriken ist MOXIE noch nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt – die Stromreserven des Marsrovers „Perseverance“ reichen dafür nicht aus. Deshalb muss das Gerät immer erst mehrere Stunden langsam angewärmt werden, bevor es dann gut eine Stunde lang aktiv Sauerstoff gewinnen kann. Anschließend kühlt es wieder bis auf Umgebungstemperatur ab. Diese ständigen Wechsel zwischen Minustemperaturen und 800 Grad Hitze sind eine erhebliche thermische Belastung für das System.

Dennoch hält sich die Degradierung in Grenzen: „MOXIE wird seine Anforderungen von sechs Gramm O2-Produktion pro Stunde wahrscheinlich noch mehr als 60 Zyklen lang erfüllen können“, erklären die Forschenden. Spätere, größere Varianten des Systems werden ohnehin weniger Wechseln ausgesetzt sein: „Eine Sauerstofffabrik im vollen Maßstab wird aus größeren Einheiten bestehen, die kontinuierlich laufen“, so Hoffman.

Sauerstoff für künftige Marsastronauten

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist das MOXIE-Experiment ein voller Erfolg – und ein vielversprechender Beginn für die In-Situ-Gewinnung wichtiger Ressourcen auf dem Mars. „MOXIE hat gezeigt, dass die Gewinnung von Sauerstoff aus der Marsatmosphäre mithilfe der Feststoffoxidelektrolyse-Technologie machbar und skalierbar ist und dass sie die Erwartungen an Effizienz und Qualität erfüllt“, erklärt das Team.

In Vorbereitung einer künftigen bemannten Marsmission könnte eine große Version von MOXIE schon vor der Landung der Astronauten zum Mars geschickt werden und dort mit der Sauerstoffgewinnung beginnen. „Ein MOXIE-ähnliches System mit einer Kapazität von zwei bis drei Kilogramm O2 pro Stunde könnte innerhalb von 26 Monaten genug Sauerstoff erzeugen, um den Treibstoff für eine Mars-Aufstiegssonde zu produzieren“, erklären Hoffman und seine Kollegen. (Science Advances, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abp8636)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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