Eine Leistung wie ein kleiner Baum: Das MOXIE-Instrument an Bord des Rovers Perseverance kann bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen zuverlässig Sauerstoff aus dem Kohlendioxid der Marsluft gewinnen, zeigen die Ergebnisse von 2021. In sieben Versuchsdurchläufen erreichte das Instrument eine Rate von sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde. Bisher hat sich das Konzept somit als erfolgreich erwiesen. Größere Anlagen könnten das Gas für die Atemluft von Marsreisenden sowie für Raketenantriebe auf dem Roten Planeten herstellen, so der Plan.

Nach dem Mond steht der Mars im Visier der bemannten Raumfahrt: Eines Tages soll der erste Mensch seinen Fuß auf den Roten Planeten setzen. Zu den zahlreichen Herausforderungen gehört dabei die Versorgung mit Sauerstoff für die Atemluft und den Raketenantrieb beim Rückflug. Die benötigten Mengen mitzunehmen, würde eine enorme Belastung darstellen. Deshalb arbeiten Wissenschaftler an Konzepten, um das Gas vor Ort aus den Ressourcen herzustellen, die der Planet bietet. Diesem Ziel ist das „Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment“ (MOXIE) gewidmet: Im Rahmen der Mars-Rover-Mission Perseverance wird untersucht, inwieweit sich Sauerstoff aus dem Kohlendioxid der dünnen Marsatmosphäre mittels Elektrolyse gewinnen lässt.

Aus CO₂ wird O₂

Der Mars-Rover, der seit Februar 2021 auf der Planetenoberfläche unterwegs ist, wurde dazu mit einem Instrument ausgerüstet, das etwa die Größe einer Brotdose besitzt. Es saugt die Marsluft, die zu 96 Prozent aus Kohlendioxid besteht, zunächst durch einen Filter, um sie von Staub zu befreien. Anschließend wird sie komprimiert und dann durch ein Bauteil geleitet, das die kohlendioxidreiche Luft elektrochemisch in Sauerstoffionen und Kohlenmonoxid aufspaltet. Die Sauerstoffionen werden dann zusammengeführt, sodass O₂ entsteht. Das MOXIE-Instrument erfasst dabei die Menge und Reinheit des Gases. Anschließend wird es zusammen mit dem Kohlenmonoxid wieder in die Marsatmosphäre abgegeben.

Wie die Entwickler berichten, musste das MOXIE-Instrument so klein wie möglich konzipiert werden, um es im Perseverance-Rover unterbringen zu können. Deshalb handelt es sich bisher um eine Testversion des Konzepts, die nicht im Dauerbetrieb arbeitet: Das Gerät wird für zeitlich begrenzte Experimente an- und abgeschaltet. Dies erfolgt dabei gezielt bei möglichst unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen, erklärt das Team. „Die Marsatmosphäre ist viel variabler als die der Erde“, sagt Erstautor Jeffrey Hoffman vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. „Die Dichte der Luft kann im Laufe des Jahres um den Faktor zwei variieren, und die Temperatur kann um 100 Grad schwanken. Deshalb ist es unser Ziel, zu zeigen, dass das System zu allen Zeiten funktioniert“, so Hoffman.

Auch bei schwankenden Bedingungen zuverlässig

Seit der Landung des Rovers wurde das MOXIE-Instrument sieben Mal im Laufe des Marsjahres in Betrieb genommen, wobei es jedes Mal einige Stunden zum Aufwärmen brauchte und dann eine weitere Stunde, um Sauerstoff zu produzieren, bevor es wieder abgeschaltet wurde. Jeder Durchlauf war für eine andere Tages- oder Nachtzeit und für verschiedene Jahreszeiten geplant. Wie das Team nun berichtet, hat das System bisher gezeigt, dass es mit den wechselnden Bedingungen problemlos zurechtkommt. Bei jedem Durchlauf erreichte das Instrument sein Ziel, sechs Gramm Sauerstoff pro Stunde zu produzieren – etwa so viel wie ein kleiner Baum auf der Erde. „Wir nutzen Ressourcen auf der Oberfläche eines anderen Planeten durch die chemische Umwandlung in etwas, das für eine menschliche Mission nützlich wäre“, sagt Hoffman. „In diesem Sinne ist der Erfolg historisch“, so der Wissenschaftler.

Konkret zeigt die zuverlässige Sauerstoffproduktion nun das Potenzial des Konzepts für bemannte Raumfahrtmissionen zum Mars auf: „Wir haben sehr viel gelernt, was uns bei zukünftigen Systemen in größerem Maßstab helfen wird“, sagt Co-Autor Michael Hecht vom MIT. Die Forscher stellen sich vor, dass eine vergrößerte Version von MOXIE vor einer bemannten Mission auf den Mars geschickt werden könnte, um kontinuierlich Sauerstoff in der Größenordnung von mehreren hundert Bäumen zu produzieren. Bei dieser Kapazität sollte das System genug Sauerstoff erzeugen, um sowohl die Menschen nach ihrer Ankunft zu versorgen als auch eine Rakete für die Rückkehr der Astronauten zur Erde anzutreiben.

Die Tests des MOXIE-Instruments im Perseverance-Rover werden nun weitergehen, sagen die Wissenschaftler: Sie planen, die Kapazität zu erhöhen und die Produktion zu steigern, insbesondere im Marsfrühling, wenn die atmosphärische Dichte und der Kohlendioxidgehalt besonders hoch sind. „Wir werden also alles so hoch einstellen, wie wir uns trauen, und es so lange laufen lassen, wie wir können“, sagt Hecht.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology, NASA, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abp8636

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