Unfall auf dem Mars

Ein Spiel für Hobbyastronauten

„Ein kleiner Schritt für den Menschen … ein großer Schritt für die Menschheit.“ – mit diesen Worten setzte 1969 der erste Mensch einen Fuß auf einen fremden Himmelskörper. Mehr als 50 Jahre später, streben Astronauten nach einem viel weiter entfernten Ziel, sie wollen ihren Fuß als erste auf den Mars setzen. Doch eine solche Mission zum roten Planeten muss gut vorbereitet sein. Wie das aussehen kann? Die NASA bereitet ihre Astronauten unter anderem mit einem Weltraumspiel vor. Darin wird eine Bruchlandung auf dem Mond beschrieben. Die Teilnehmer müssen entscheiden, welche der auf dem Mond verfügbaren Dinge für sie am wichtigsten sind. Auf dem ersten Platz der Antworten: Sauerstoff. Ohne ihn kann man nicht überleben. Doch auf dem roten Planeten gelten ganz andere Bedingungen als auf dem Mond. Also drehen wir das Weltraumspiel weiter und beziehen es auf den Mars. Machen Sie mit!

[Translate to Deutsch:] Planets of the Solar System

Die Voraussetzungen

  • Eine bemannte Marsmission, die im Jahr 2025 (SpaceX-Programm) auf dem roten Planeten eine Station beziehen soll, um an der Erstellung eines Magnetfeldes zu arbeiten, das den Planeten vor Sonnenwinden schützt.
  • Nach der Landung geht es in die Bodenstation, dort folgt der große Schreck. Beim Anflug ist der einer der beiden Sauerstofftanks für den Aufenthalt auf der Raumstation von Weltraumschrott getroffen und zerstört worden.
  • Ersatz gibt es nur auf der Erde – eine Raumfähre, die den Treibstoff für den Rückweg bringt, kann auch den Sauerstoff liefern. Sie braucht allerdings zehn Monate – so lange brauchte im Jahr 2007 eine unbemannte Sonde. Der Sauerstoff-Vorrat ist nur auf fünf Monate ausgelegt.
  • Der Mars ist ein karger Planet, Wasser gibt es wahrscheinlich unter der Erde und an den Polen, könnte aber gefördert werden.
  • Die Marsstation bietet noch genug Nahrung für fünf Jahre.
  • Die Atmosphäre des Mars verfügt über 0,25 Prozent Sauerstoff, aber fast 96 Prozent Kohlenstoffdioxid (CO2).
  • Die erste Aufgabe: Eigenen Sauerstoff gewinnen, um bis zur Ankunft des Ersatztanks zu überleben.

Drei Optionen stehen offen, doch die Zeit drängt. Jeder Tag ist entscheidend, um im Zeitplan zu bleiben.

[Translate to Deutsch:] NASA Mars Rover

Möglichkeit 1: ein alter Rover

2020 schickte die NASA einen Mars-Rover auf den Gesteinsplaneten. Dieser sollte nach Hinweisen auf Leben oder Wasser suchen, die Gesteinsschichten analysieren und nachweisen, ob es möglich ist, aus der Atmosphäre des roten Planeten Sauerstoff zu gewinnen. Dazu an Board: das Mars Oxygen ISRU Experiment, kurz MOXIE. Das Instrument der Forscher vom Massachusetts Institute of Technology, kann Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff spalten.

Grundlegend funktioniert MOXIE wie eine umgekehrte Brennstoffzelle. CO2 wird aus der Luft aufgenommen und auf 800 Grad Celsius erhitzt, um es zu komprimieren. Anschließend wird Spannung auf eine Kathode und eine Anode geleitet, die den Kohlenstoff vom Sauerstoff trennen. Das Ergebnis dieser elektrochemischen Reaktion ist reiner Sauerstoff. Das Problem: MOXIE ist nur ein Testinstrument, kaum größer als eine Autobatterie. Die Produktionsrate reicht nicht aus, um einen Menschen zu versorgen. Auf Grundlage des Modells müsste eine vollfunktionsfähige Anlage gebaut werden und das in zwei Jahren. Doch der Rover ist nicht weit von der Station entfernt und man bräuchte als Ausgangsstoff nur Kohlenstoffdioxid. Das ist in der Atmosphäre reichlich enthalten. MOXIE hat einen weiteren Vorteil. Die bei der Reaktion entstehenden Gase können als Raketentreibstoff genutzt werden. Dadurch müsste weniger Treibstoff von der Erde auf den Mars gebracht werden. Die Rakete wäre leichter und könnte den Planeten früher erreichen. Es ist eine Chance, immerhin kann MOXIE die Luft langfristig nutzbar machen, fast wie ein Baum. Das führt zur zweiten Idee …

Möglichkeit 2: künstliche Blätter

In der Raumstation befindet sich eine ausgesprochen effiziente Energiequelle. Künstliche Blätter produzieren Wasserstoff aus Kohlenstoffdioxid. Der kann zur Energiegewinnung verheizt werden. Die Energieproduzenten imitieren die Fotosynthese eines natürlichen Blattes. Das bedeutet, sie produzieren Sauerstoff als Abfallprodukt. Die Blätter kopieren den Aufbau ihrer biologischen Vorbilder. Eine Halbleiterfolie aus Siliziumfäden trennt die Wasseroxidation und die Energiegewinnung aus Licht. Auf der einen Seite wird das Wasser, von einer Kobalt-Legierung gespalten und es entstehen Sauerstoff und Wasserstoffprotonen. Die künstlichen Blätter sind zehnmal so effektiv wie ihr natürliches Vorbild. Die 15 Blätter im Labor, zusammen mit den vorhandenen Sauerstoffvorräten, würden ausreichen, um vier Jahre zu überstehen. Außerdem wären die Blätter vor Ort und einsatzbereit. Es gibt nur ein Problem. Um Kohlenstoffdioxid aus Stoffgemischen zu ziehen, brauchen die künstlichen Blätter eine Hülle. Die besteht aus einer semipermeablen Membran und Wasser. Letzteres ist in der unwirklichen roten Wüste nur schwer zu finden. Auf dem Mars gibt es nur Sand, Felsen und darüber der Himmel. Ein Komet fliegt vorbei. Eine letzte Idee gibt es noch …

[Translate to Deutsch:] Energy efficient space station

Möglichkeit 3: eine Golddecke

Ein weiterer Weg, um Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff zu spalten. Dazu braucht es enorme Aufprallgeschwindigkeiten. Forscher des California Institute of Technology haben herausgefunden, dass wenn man CO2 mit hoher Geschwindigkeit auf ein reaktionsschwaches Material prallen lässt, sich dessen Molekülstruktur verbiegen kann. Der Sauerstoff löst sich vom Kohlenstoff. Damit hatten die Forscher das Sauerstoffvorkommen in der Hülle von Kometen erklärt. Kohlenstoffdioxid ist normalerweise ein lineares Molekül. Beim Aufprall kommt zuerst eines der Sauerstoffatome in Kontakt mit dem Aufprallobjekt, dann folgt der Kohlenstoffrest. In den meisten Fällen wird der Sauerstoff abgesprengt und es entsteht Kohlenstoffmonoxid. Doch in einigen Fällen bleibt das Molekül in Takt und verbiegt sich. Die Sauerstoffteilchen kommen sich näher und gehen eine Bindung ein. Als Folge löst sich der verbundene Sauerstoff vom Kohlenstoff. Eine entsprechende Beschleunigung ist im Labor möglich. Das Gold aus den Wärmedecken des Shuttles wäre ein reaktionsschwaches Aufprallmaterial. Außerdem würde außer Kohlenstoffdioxid nichts weiter benötigt. Aber: Die Ausbeute bei dieser Art Sauerstoff zu gewinnen, ist unfassbar gering. Nur etwa ein bis zwei Prozent der CO2-Atome verbiegen sich und setzen Sauerstoff frei.

Nicht ohne innovative Filter

Damit eine dieser Lösungen gelingen kann braucht es effiziente Filterlösungen:

  • Als Abfallprodukt entsteht Kohlenmonoxid und andere Schadgase, diese müssen aus der Luft adsorbiert werden, bevor ein Mensch den produzierten Sauerstoff einatmen kann.
  • Die Atmosphäre des Mars besteht zu 96 Prozent aus CO2. Der Rest muss gefiltert werden, damit die Maschinen besser laufen.
  • Im Labor braucht es Reinraumqualität, dadurch kommt das Blatt ohne Wasser aus, wenn reines CO2 zugeführt wird. Um einen Reinraum zu erzeugen braucht es Filter.

Auflösung

Sicher ist der Erfolg bei keiner der Möglichkeiten. Die beste Chance hat man bei den künstlichen Blättern. Der Rover muss erst erreicht werden. Es ist unklar, ob das Know-how und die Zeit zur Verfügung stehen, um MOXIE in großem Maßstab nachzubauen. Es handelt sich also um eine langfristige Lösung.

Die Golddecke funktioniert ohne Zusatz weiterer Stoffe, die Sauerstoffgewinnung ist aber so gering, dass nicht genug Luft gewonnen werden kann, bis die Vorräte aufgebraucht sind.

[Translate to Deutsch:] Rocket launch

Die Blätter hingegen führen zum sicheren Erfolg, wenn genug Wasser vorhanden ist. Sie kommen bereits im Labor zum Einsatz, haben also noch Wasser vorrätig und produzieren bereits Sauerstoff. Glückwunsch an alle die richtig lagen, Sie sind „ready for take-off“.