Technik-Tipps: Sauerstofferzeugung · 16. Mai 2024

Sauerstofferzeugung: MOXIE

Wie MOXIE aus der Marsluft Sauerstoff gewann, wie viel Energie es braucht und was das für künftige Missionen bedeutet.

Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) ist eine Schlüsseltechnologie, die von Menschen entwickelt wurde, um die bemannte Erkundung des Mars zu unterstützen. Sein Hauptziel ist es, Sauerstoff aus der Marsatmosphäre zu erzeugen, die überwiegend aus Kohlendioxid (CO2) besteht. Hier ein ausführlicher Blick darauf, wie MOXIE funktioniert, warum es wichtig ist und welche Auswirkungen es auf künftige Marsmissionen haben könnte:

Wie MOXIE funktioniert

Ansaugen der Atmosphäre: MOXIE saugt Marsluft an, die zu etwa 96 % aus Kohlendioxid (CO2) besteht. CO2-Elektrolyse: Das Kernverfahren ist die Festoxid-Elektrolyse. MOXIE erhitzt das CO2 auf etwa 800 Grad Celsius (rund 1472 Grad Fahrenheit) und spaltet dann mit einem keramischen Material in der Elektrolyseeinheit die CO2-Moleküle in Sauerstoff (O2) und Kohlenmonoxid (CO). Sauerstofferzeugung: Die entstehenden Sauerstoffionen werden anschließend abgetrennt und zu O2 rekombiniert, dem atembaren Sauerstoff, den wir brauchen. Abgas: Das Nebenprodukt Kohlenmonoxid (CO) wird wieder in die Marsatmosphäre abgegeben.

Wichtige Komponenten

Festoxid-Elektrolyseur (SOE): Das Herzstück von MOXIE, zuständig für die Elektrolyse von CO2. Heizung: Bringt die Temperatur auf den Wert, der für eine effiziente Elektrolyse nötig ist. Kompressor: Saugt die dünne Marsatmosphäre an und verdichtet sie auf den für die Verarbeitung nötigen Druck.

Bedeutung von MOXIE

Lebenserhaltung: Sauerstoff auf dem Mars zu erzeugen ist entscheidend, um menschliches Leben zu unterstützen. Jeder Astronaut würde zum Atmen etwa 1 Kilogramm (2,2 Pfund) Sauerstoff pro Tag benötigen. Raketentreibstoff: Sauerstoff ist auch ein wichtiger Bestandteil von Raketentreibstoff. Für ein Aufstiegsfahrzeug vom Mars könnte die Sauerstofferzeugung vor Ort den Transport großer Mengen von der Erde deutlich verringern und Missionen machbarer und kostengünstiger machen. Machbarkeitsnachweis: MOXIE ist eine Demonstration der Technologien zur Nutzung von Ressourcen vor Ort (ISRU), die für eine nachhaltige, langfristige menschliche Präsenz auf dem Mars unerlässlich sind.

Erfolge und Zukunftsaussichten

Erster Erfolg: MOXIE erzeugte im April 2021 an Bord des NASA-Rovers Perseverance erstmals Sauerstoff auf dem Mars. Das war ein Meilenstein, der bewies, dass sich Sauerstoff aus Ressourcen des Mars gewinnen lässt. Hochskalieren: Künftige Versionen von MOXIE müssen deutlich größer werden, um den Bedarf bemannter Missionen zu decken. Das aktuelle MOXIE-Gerät ist darauf ausgelegt, etwa 10 Gramm Sauerstoff pro Stunde zu erzeugen, künftige Systeme müssten aber viel größere Mengen liefern. Integration in Marsmissionen: Große MOXIE-Anlagen könnten in künftige Marshabitate eingebunden oder an strategischen Orten auf der Marsoberfläche aufgestellt werden, um dauerhaft Sauerstoff für Lebenserhaltung und Treibstoffproduktion zu erzeugen.

Herausforderungen und Überlegungen

Energiebedarf: Das Erhitzen und die Elektrolyse brauchen viel Energie. Effiziente und zuverlässige Energiequellen wie Kernreaktoren oder große Solarfelder werden unverzichtbar sein. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit: Die raue Marsumgebung stellt die Lebensdauer der Geräte vor Herausforderungen. Staub, Temperaturextreme und Strahlung müssen beim Entwurf und Betrieb künftiger MOXIE-Einheiten berücksichtigt werden. Umgang mit dem Nebenprodukt: Das Kohlenmonoxid muss sicher und effizient gehandhabt werden, damit es keine Gefahr für Habitat und Astronauten darstellt.

Energieverbrauch von MOXIE

Benötigte Betriebsleistung: MOXIE benötigt zum Betrieb etwa 300 Watt Leistung. Sie wird vor allem zum Erhitzen des CO2 auf hohe Temperaturen (rund 800 Grad Celsius) und für den Festoxid-Elektrolyseprozess verwendet. Energiequelle: Der Rover Perseverance, der MOXIE trägt, wird von einem Multi-Mission-Radioisotopengenerator (MMRTG) versorgt. Der MMRTG wandelt die Wärme des natürlichen radioaktiven Zerfalls von Plutonium-238 in Strom um und liefert so eine zuverlässige Energiequelle für den Rover und seine Instrumente. Effizienz und Produktionsrate:

MOXIE ist darauf ausgelegt, etwa 10 Gramm Sauerstoff pro Stunde zu erzeugen. Das entspricht grob 12 Gramm O2 pro verbrauchter Kilowattstunde (kWh) Energie.

Aufschlüsselung der Energie

Heizen: Ein großer Teil der Energie wird verwendet, um das CO2 auf die für die Elektrolyse nötige Temperatur zu bringen. Elektrolyse: Auch der Festoxid-Elektrolyseprozess selbst benötigt eine stetige Stromversorgung, um die CO2-Moleküle in Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu spalten.

Überlegungen für die Zukunft

Bei künftigen, größeren Versionen von MOXIE wird der Energiebedarf im Verhältnis zur benötigten Sauerstoffmenge steigen. Eine ausreichende und zuverlässige Stromversorgung wird für eine dauerhafte Sauerstofferzeugung entscheidend sein. Mögliche Energiequellen für künftige Marsmissionen sind:

Kernenergie: Kompakte Kernreaktoren könnten eine gleichmäßige und robuste Energieversorgung liefern. Das Kilopower-Projekt der NASA zum Beispiel soll kleine, tragbare Kernreaktoren für Weltraummissionen entwickeln. Solarenergie: Solarmodule könnten genutzt werden, müssten aber groß genug sein, um die nötige Leistung zu erzeugen, und müssten frei von Marsstaub gehalten werden, damit sie effizient bleiben. Energiespeicherung: Effiziente Speicherlösungen wie moderne Batterien oder Superkondensatoren wären nötig, um Energie für Zeiten ohne Sonnenstrom zu speichern, etwa bei Staubstürmen oder in der Nacht.

Fazit

MOXIE ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung der Technologien, die für die bemannte Erkundung und Besiedlung des Mars nötig sind. Indem MOXIE aus der Marsatmosphäre Sauerstoff erzeugt, bietet es nicht nur eine mögliche Lösung für die Lebenserhaltung, sondern erhöht auch deutlich die Machbarkeit langfristiger, nachhaltiger Missionen. Die Weiterentwicklung und das Hochskalieren der MOXIE-Technologie werden entscheidend sein, um die Vision von Menschen, die auf dem Mars leben und arbeiten, Wirklichkeit werden zu lassen.