Plasmareaktoren könnten auf dem Mars Sauerstoff erzeugen

Letztes Jahr hat die NASA etwas erreicht, wovon Science-Fiction-Autoren seit Jahrzehnten träumen: Sie hat Sauerstoff auf dem Mars erzeugt. Ein mikrowellengroßes Gerät, das am Perseverance-Rover der Agentur angebracht war, wandelte Kohlendioxid in 10 Minuten Atemsauerstoff um. Jetzt sagen Physiker, dass sie einen Weg gefunden haben, Elektronenstrahlen in einem Plasmareaktor zu verwenden, um viel mehr Sauerstoff zu erzeugen, möglicherweise in einem kleineren Gehäuse.

Die Technik könnte eines Tages nicht nur Astronauten auf dem Roten Planeten beim Atmen helfen, sondern auch als Methode zur Herstellung von Treibstoff und Dünger dienen, sagt Michael Hecht, ein experimenteller Forscher am Massachusetts Institute of Technology. Aber Hecht, der das sauerstoffproduzierende Rover-Instrument leitet, sagt, dass der neue Ansatz noch eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen hat, bevor er zu unserem solaren Nachbarn per Anhalter fahren kann.

Als die Perseverance 2020 im Jezero-Krater landete, trug sie das Mars Oxygen In Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE). Das Gerät saugt Marsluft an, die zu 95 % aus Kohlendioxid besteht. Durch das Pumpen eines Stroms zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden in einer elektrochemischen Zelle kann MOXIE Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoffionen spalten. Die Sauerstoffionen verbinden sich dann miteinander, um Sauerstoffgas zu erzeugen.

Das Experiment war ein erfolgreicher Machbarkeitsnachweis. Aber um zu funktionieren, muss MOXIE die Marsluft unter Druck setzen und erhitzen, was zusätzliche Teile erfordert, die Energie verbrauchen und es sperrig machen.

Vasco Guerra, Physiker an der Universität Lissabon, hält einen Plasmareaktor für einen besseren Ansatz. Ein Elektronenstrahl, der auf ein bestimmtes Energieniveau beschleunigt wird, kann Kohlendioxid in seine Bestandteile Ionen oder Plasma aufspalten, genau wie MOXIE.

Außerdem wäre ein Plasmareaktor gut für die Marsatmosphäre geeignet, die etwa 100-mal dünner ist als die der Erde. Das Erzeugen und Beschleunigen eines Elektronenstrahls durch Luft ist viel einfacher, sagt Guerra. „Es gibt einen idealen Druck, damit Plasma arbeiten kann“, sagt er. "Der Mars hat genau diesen richtigen Druck."

Im Labor pumpten er und seine Kollegen Luft, die auf den Druck und die Zusammensetzung des Mars abgestimmt war, in Metallrohre. Im Gegensatz zu MOXIE mussten sie die Luft nicht komprimieren oder erhitzen. Indem sie jedoch einen Elektronenstrahl in die Reaktionskammer schickten, konnten sie etwa 30 % der Luft in Sauerstoff umwandeln. Sie schätzen, dass das Gerät etwa 14 Gramm Sauerstoff pro Stunde erzeugen könnte: genug, um 28 Minuten lang zu atmen, berichtet das Team heute im Journal of Applied Physics.

Guerras Team muss noch einige praktische Probleme lösen, bemerkt Hecht. Um auf dem Mars zu funktionieren, würde das Plasmagerät eine tragbare Stromquelle und einen Ort zum Speichern des von ihm produzierten Sauerstoffs benötigen, was es genauso sperrig, wenn nicht sogar größer als MOXIE machen könnte, sagte er. Wenn die Raumfahrtagenturen bereit wären, Millionen von Dollar für die Entwicklung auszugeben – wie es die NASA mit MOXIE tat – könnte der Plasmaansatz reifen, sagt Hecht. Besonders gefällt ihm, wie der Elektronenstrahl so abgestimmt werden konnte, dass er andere atmosphärische Moleküle wie Stickstoff spaltet, um Dünger herzustellen. „An der Plasmatechnik ist nichts auszusetzen, außer dass sie viel weniger ausgereift [als MOXIE] ist“, sagt er.