Was ist der wissenschaftliche Beweis für Wasser für die Rückreise von Methalox auf dem Mars?

Es gibt einen interessanten Podcast, den ich höre – We Martians. Letzten November hatten sie eine Episode, die dies stark berührt. Die Episode ist hier: http://www.wemartians.com/home/015 und sie geht viel mehr ins Detail, als ich kann, aber hier ist eine kurze Zusammenfassung:

Das Instrument SHARAD (SHAllow RADar) auf dem Mars Reconnaissance Orbiter verwendete Bodenradar auf dem als Utopia Planitia bekannten Gebiet des Mars. Die Radarergebnisse sind zwar nicht endgültig, deuten aber stark auf „eine Mischung aus Eis, Luft und Staub“ in der Gegend hin. "SHARAD-Erkennung und Charakterisierung von unterirdischen Wassereisablagerungen in Utopia Planitia, Mars" .

Diese Informationen wurden im Zusammenhang mit Informationen des Phoenix-Landers präsentiert. Der Lander war mit einem Roboterarm ausgestattet, der sich in den Boden grub. Dieser Artikel beschreibt es weiter: "The Dirt on Mars Lander Soil Findings"

Mit seinem Roboterarm grub sich Phoenix in die Marsoberfläche, um zu sehen, ob er das darunter liegende Eis erreichen könnte.

In einem Graben namens „Dodo-Goldilocks“ legte der Lander etwas frei, was Missionswissenschaftler als „helles Material“ etwa 4 bis 5 Zentimeter unter der Oberfläche bezeichneten (ein ähnlicher Fleck wurde unter dem Lander selbst gesehen, wahrscheinlich freigelegt durch die Landetriebwerke des Raumfahrzeugs). . In den nächsten zwei Monaten beobachtete das Team, wie die Kameras von Phoenix zeigten, dass das Material wegsublimierte, was man von Wassereis erwarten würde, das der Marsatmosphäre ausgesetzt ist.

Die Tendenz der vom Lander aufgenommenen Bodenproben zum Verklumpen machte es schwierig, die Proben in die Bordinstrumente von Phoenix zu bekommen, aber nach mehreren Versuchen wurde eine Probe hineingelockt und die Detektoren des Landers bestätigten, dass sich tatsächlich Wassereis unter dem Regolith versteckte . Die Bestätigung wurde ursprünglich am 31. Juli bekannt gegeben.

Interessanterweise scheint das Eis je nach Gelände in unterschiedlichen Tiefen unter der Oberfläche vorzukommen. Die Ebenen, auf denen Phoenix gelandet ist, weisen polygonale Hügel auf, die von Mulden umgeben sind, die aus der saisonalen Ausdehnung und Kontraktion des Eises unter der Oberfläche resultieren, wodurch Risse und Spalten entstehen.

Und aus diesem verwandten Artikel: „Wassereis auf dem Mars bestätigt“

Der Phoenix Mars Lander der NASA hat die Existenz von Wassereis auf dem Mars bestätigt.

Missionswissenschaftler feierten die Nachricht, nachdem eine Probe des Eises endlich an eines der Instrumente des Landers geliefert wurde.

später im Artikel:

„Ich freue mich sehr, Ihnen mitteilen zu können, dass wir eine Eisprobe erhalten haben“, sagte William Boynton von der University of Arizona, Co-Ermittler für den Thermal and Evolved-Gas Analyzer (TEGA) von Phoenix, der Proben erhitzt und die darin enthaltenen Dämpfe analysiert abgeben, um ihre Zusammensetzung zu bestimmen.

„Wir haben Wasser“, fügte Boynton hinzu. „Wir haben bereits Beweise für dieses Wassereis in Beobachtungen des Mars Odyssey Orbiters und in verschwindenden Brocken gesehen, die von Phoenix im letzten Monat beobachtet wurden, aber dies ist das erste Mal, dass Marswasser berührt und gekostet wurde.“

Die Nachricht, dass Eis in TEGA gefallen war, kam am Donnerstagmorgen und überraschte Wissenschaftler, die Probleme hatten, eine Probe des eisigen Schmutzes wegen seiner unerwarteten Klebrigkeit zu liefern.

Meinung: Ich bin mir nicht sicher, ob irgendetwas davon ein 100%iger definitiver Beweis dafür ist, dass es genügend abbaubares Wasser für die Produktion von Methalox gibt, aber es deutet stark darauf hin, dass zumindest in diesem Teil des Planeten signifikantes Wasser direkt unter der Oberfläche vorhanden ist.

Zukünftige Missionen werden sich ebenfalls mit diesem Thema befassen.

Der Trace Gas Orbiter kann weitere Informationen liefern, sobald er vollständig online ist – er ist in der Lage, Neutronen 4 aus unterirdischem Wasserstoff (der Wasser sein kann oder nicht) zu erkennen und H2O in der Atmosphäre zu verfolgen 5 .

Der ExoMars-Rover und der Rover 2020 der NASA werden beide Instrumente tragen, die dazu beitragen können.

ExoMars Rover wird insbesondere das WISDOM-Bodenradar tragen, das in der Lage sein sollte, unterirdisches Eis zu sehen 6 , und sein Kernbohrer ist mit Ma-MISS ausgestattet, einem Infrarot-Spektrometer, das in der Lage sein sollte, das Vorhandensein von Wasser oder Eis zu bestimmen im Bohrplatz 7 .

Der Rover 2020 der NASA wird auch das RIMFAX-Bodenradar 8 sowie andere Instrumente für die chemische Analyse mitführen – ich bin mir nicht sicher, ob eines davon speziell auf die Erkennung von Eis ausgerichtet ist. Von ähnlichem Interesse ist das MOXIE-Experiment, das versuchen wird, O2 aus der Marsatmosphäre zu extrahieren. 9

Einige der in dieser Antwort diskutierten SHARAD - Beweise werden auch in der Mars-Eislagerstätte von Phys.org beschrieben , die so viel Wasser enthält wie der Obere See . Dieses Bild zeigt Hinweise auf unterirdisches Eis bei Utopia Planitia auf etwa 47° nördlicher Breite.

Zum Vergleich hier einige SHARAD-Daten für die nördliche Polareiskappe des Mars, von hier . Beachten Sie, dass CO2-Eis und H2O-Eis sehr unterschiedliche dielektrische Eigenschaften haben und mit dem Chirp-Radar von SHARAD unterschieden werden können.

Dieses Bild zeigt einen Querschnitt eines Teils der Nordpol-Eiskappe des Mars, abgeleitet von Daten, die vom Shallow Radar (SHARAD) des Mars Reconnaissance Orbiter, einem von sechs Instrumenten des Raumfahrzeugs, erfasst wurden.

Die Daten zeigen die innere Eisstruktur der Region, mit Anmerkungen, die verschiedene Schichten beschreiben. Das in dieser Grafik dargestellte Eis ist ungefähr 2 Kilometer (1,2 Meilen) dick und 250 Kilometer (155 Meilen) breit. Weiße Linien zeigen die Reflexion des Radarsignals zurück zum Raumfahrzeug. Jede Linie stellt eine Stelle dar, an der eine Ebene über einer anderen liegt. Wissenschaftler untersuchen, wie dick die pfannkuchenartigen Schichten sind, wo sie sich ausbeulen und wie sie sich nach oben oder unten neigen, um zu verstehen, wie die Oberfläche der Eisdecke in der Vergangenheit aussah, als jede neue Schicht abgelagert wurde.

Was den direkten Beweis von Wasser (als Eis) aus Phoenix betrifft, habe ich nicht bezahlte Kopien der folgenden Papiere gefunden:

1. Arvidson, RE et al. (2009): Ergebnisse des Mars-Phoenix-Lander-Roboterarm-Experiments
2. Smith, PTet al. (2009): H2O am Landeplatz Phoenix
3. Unterstützendes Online-Material für Smith et al.

Die TEGA-Massenspektroskopiedaten für Masse = 18 AMU, gezeigt in Abbildung S6 des unterstützenden Online-Materials von Smith at al. ist ein wenig kompliziert zu interpretieren/erklären, aber das Schmelzen von Eis, das in den Daten der Differentialscanningkalorimetrie von TEGA in Abbildung S9 der Daten gezeigt wird, ist ziemlich einfach zu verstehen. Sobald die Rampentemperatur des Ofens -2°C erreichte, wurde die Probe "endotherm" und absorbierte mehr Heizleistung für eine gegebene Temperaturänderung.

Die Fläche unter der Kurve beträgt 0,35 Joule (oder 0,35/4,2 = 0,08 Kalorien). Bei reinem Eis würde dieser Wert bei einer Schmelzwärme von 334 J/g nur etwa einem Milligramm Wasser entsprechen.

Abb. S9. TEGA findet Eis und wässrige Mineralien. (A) Thermische Analyse für die Untergrundprobe „Wicked Witch“, Sublimationsverzögerung im Schneewittchengraben. Der endotherme Peak mit einem Beginn von -2 °C zeigt das Schmelzen von Wassereis an.

Ich glaube nicht, dass flüssiges Wasser benötigt wird. Mein Verständnis des Plans von NASA und SpaceX für ISRU besteht darin, den Sabatier-Prozess zu verwenden, um den Treibstoff aus der Marsatmosphäre zu erzeugen. Sie würden H2-Ausgangsmaterial mitbringen und es mit CO2 aus der Atmosphäre in einem katalytischen Reaktor kombinieren, um Methan und Wasser zu erzeugen. Das Wasser würde dann zu O2 (für oxidiert) und H2 (zur Rückführung in den Reaktor) elektrolysiert.

Mehr hier: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Sabatier_reaction#Manufacturing_propellant_on_Mars

Bearbeiten, um hinzuzufügen:

Der „Bring H2 with you“-Ansatz war ein Element des „Mars Direct“-Vorschlags von Zubrin, der 1996 in seinem Buch „The Case for Mars“ dargelegt wurde. Dies ist auf der Wikipedia-Seite hier zusammengefasst: https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Direct#First_launch

Der erste Flug der Ares-Rakete (nicht zu verwechseln mit der gleichnamigen Rakete des inzwischen eingestellten Constellation-Programms) würde nach einer 6-monatigen Reisephase ein unbemanntes Earth Return Vehicle zum Mars bringen, mit einer Versorgung mit Wasserstoff, einer Chemiefabrik und ein kleiner Kernreaktor. Dort angekommen würde eine Reihe chemischer Reaktionen (die Sabatier-Reaktion gekoppelt mit Elektrolyse) verwendet, um eine kleine Menge Wasserstoff (8 Tonnen), die vom Earth Return Vehicle transportiert wird, mit dem Kohlendioxid der Marsatmosphäre zu kombinieren, um bis zu 112 Tonnen zu erzeugen von Methan und Sauerstoff. Dieses relativ einfache verfahrenstechnische Verfahren wurde im 19. und 20. Jahrhundert regelmäßig angewendet[8] und würde sicherstellen, dass nur 7 % des Rücktreibstoffs zur Marsoberfläche getragen werden müssten.

Hier ist ein Papierformular aus dem Jahr 2001, in dem es im Zusammenhang mit einer geplanten, aber abgesagten NASA-Mission diskutiert wird: "Sizing of a Combined Sabatier Reaction and Water Electrolysis Plant for Use in In-Situ Resource Utilization on Mars"

Das für die Reaktion verwendete Kohlendioxid wird aus der Marsatmosphäre gewonnen, der verwendete Wasserstoff jedoch von der Erde importiert.

Allerdings scheint dieser Ansatz mittlerweile überholt zu sein, da er formuliert wurde, bevor wir viel über das Vorhandensein von Wasser auf dem Mars wussten.

Neuere Ansätze scheinen darin zu bestehen, Marswasser zu verwenden. Zum Beispiel gibt es dieses Papier aus dem Jahr 2017, das sich speziell mit dem SpaceX-Programm befasst: "Proposed ITS Pressurized Cargo Modules To Initiate a Chemical Industry on Mars" p. 13. Dieser Ansatz geht von einer kleinen Menge H2 aus, die von der Erde gebracht wird, gefolgt von mehr H2, das aus dem Marswasser extrahiert wird, sowie dem, das aus dem Sabatier-Prozess selbst zurückgewonnen wird.

Der H2-Eintrag kann zunächst von der Erde gebracht werden, um den Prozess zu starten, aber nach dem Start wird das H2 aus der Wasserelektrolyse gewonnen ...

Das eingegebene H2O stammt aus einem Wasserabbaubetrieb. Es ist bekannt, dass Wasser auf dem Mars reichlich vorhanden ist, aber im Gegensatz zur Erde kommt es eher in festem als in flüssigem Zustand vor. Der Wasserabbau für unterirdisches Eis würde durch den Einsatz von Erdbewegungsmaschinen analog zu Geräten für den Tagebau erfolgen. Alternativ können Brunnen gebohrt werden, um vergrabenes Gletschereis zu erreichen, das Wasser zu erhitzen und unter Druck zu setzen, um es in einen flüssigen Zustand zu versetzen, und die Flüssigkeit in ein Speichermodul zu pumpen.

Ein weiterer interessanter Ansatz würde ganz auf Wasser verzichten und O2 und H2 aus dem an der Oberfläche reichlich vorhandenen Hämatit erzeugen: „On the in situ production of oxygen and hydrogen from martian hematite deposits via a two-step thermochemical CO2/H2O splitting process.“

Nun, Meinungszeit: Ich vermute, dass die allerersten Missionen noch den „BYOH2“-Ansatz verwenden werden. Es erfordert nur 7 Massenprozent des Materials und ist mechanisch und technologisch viel einfacher als der Abbau von Eis oder das Sammeln von Hämatit. Aber sobald wir eine längerfristige Präsenz (bemannt oder unbemannt) haben, wird es eine Verlagerung zu anderen Ansätzen geben.

Der stärkste Beweis wäre wahrscheinlich, dass der Phoenix-Lander tatsächlich etwas ausgegraben hat, was darauf hindeutet, dass genug Wasser vorhanden ist, um für die Kolonisierung nützlich zu sein.

Die Antwort von jgalak ist jedoch auch richtig. Lokales Eis abzubauen ist wichtig für langfristige Pläne zum Aufbau einer unabhängigen Kolonie, aber für frühe Missionen sind eine Pumpe und ein Wasserstofftank viel leichter und weniger komplex als Bergbauausrüstung.

Beachten Sie, dass Wasserstoff nur einen kleinen Massenanteil des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemischs ausmacht. Die Reaktion CH4 + 2O2 => 2H2O + CO2 verbraucht 4 Teile Wasserstoff zu 14 Kohlenstoff und 64 Sauerstoff. Selbst wenn Sie den Wasserstoff von der Erde mitbringen, reduziert die Verwendung von lokalem Kohlenstoff und Sauerstoff die importierte Brennstoffmasse um über 95 Prozent.

Wenn die Speicherung ein ernstes Problem darstellt, können Sie für eine bescheidenere Reduzierung um 56 Prozent auch Wasser von der Erde holen, obwohl Sie ziemlich viel Wasserstoffleckage akzeptieren können, bevor dies die bessere Option wird.

Es gibt zwei Möglichkeiten. Die erste, vorgeschlagen von Robert Zubrin im Case for Mars, ist, wie vorgeschlagen, ein Ausgangsmaterial aus Wasserstoff zu bringen und es zur Herstellung des Brennstoffs zu verwenden. Wasserstoff ist bei weitem der leichteste Teil eines Methalox-Systems und könnte leicht eingeschlossen werden.

Die zweite verwendet flüssiges Wasser, um den Wasserstoff herzustellen. Es gibt eine große Anzahl von Quellen , die belegen, dass es nahe der Marsoberfläche flüssiges Wasser gibt. Das folgende Bild zeigt eine grobe Verteilung des Wassers auf dem Mars nahe der Oberfläche, basierend auf Neutronenflussdaten. Die Pole haben einen viel höheren Anteil, der Wassereis ist. Diese wurden teilweise von den Landern an der Oberfläche bestätigt. Eines der Hauptziele eines jeden Landers ist die Bereitstellung von Ground Truth, um die Verifizierung von Orbitalbeobachtungen zu unterstützen.

Unterm Strich könnten wir entweder Wasserstoff mitbringen (wahrscheinlich für die ersten Missionen) oder nach Wassereis suchen, das wir verwenden können, aber beides wird uns wahrscheinlich das bringen, was wir brauchen, um Raketentreibstoff herzustellen, um nach Hause zu kommen.

Was ist der wissenschaftliche Beweis für Wasser für die Rückreise von Methalox auf dem Mars?

Der Business Insider-Artikel NASA hilft SpaceX dabei, diese 9 Orte auf dem Mars für die Landung der ersten Starship-Raketenmissionen zu erkunden, ist eine interessante Lektüre und dokumentiert hauptsächlich die elektronische „Papier“-Spur der Erkundung potenzieller Landeplätze mit gezielten, stereoskopischen HiRise-Bildpaaren.

Klicken Sie für volle Größe

Eine Höhenkarte des Mars, die die neun möglichen Landeplätze zeigt, die SpaceX für seine ersten Marsreisen von Starship in Betracht zieht. NASA/USGS/ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum) über Google Earth Pro; Geschäftseingeweihter

Der Artikel weist darauf hin, dass die Kandidatenstandorte alle eine beträchtliche Möglichkeit aufweisen, in der Nähe der Oberfläche beträchtliches gefrorenes Wasser unter der Oberfläche zu haben.

Der Artikel erwähnt speziell ein Beweisstück:

Einige Beweise dafür sind die nahe gelegenen Krater, die nach einem Meteoriteneinschlag zu sinken scheinen, weil sie Eis der Marsluft aussetzen, die etwa 1% so dick ist wie die der Erde.

Funktionell ist das ein Vakuum, das dazu führt, dass das jetzt freiliegende Eis in die Luft sublimiert, so wie es ein Block aus Trockeneis tut, wenn es sich erwärmt.

Eine Beweislinie für Eis auf dem Mars sind Einschlagstellen. Eis, das der dünnen Marsluft ausgesetzt ist, sublimiert in ein Gas und lässt Erde um den ursprünglichen Krater herum kollabieren. NASA/JPL/Universität von Arizona; Geschäftseingeweihter