Weltraum
Auf dem Mars Sauerstoff tanken – für den Rückflug zur Erde

Auf dem Mars könnten Astronauten aus der dünnen Atmosphäre einst Sauerstoff für den Rückflug zur Erde gewinnen. Den Beweis, dass dies zumindest im kleinen Massstab funktioniert, haben US-Forscher nun in einem Experiment erbracht.

Roland Knauer
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Die dünne Marsatmosphäre besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid.

Die dünne Marsatmosphäre besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid.

Getty

Fünfzig Gramm Sauerstoff sind für einen Flug vom Mars zur Erde zwar nicht gerade üppig, aber immerhin ein Anfang. Eigentlich braucht es für den Rückflug von sechs Personen satte 31 Tonnen dieses Gases, um die nötigen neun Tonnen des Treibstoffs Methan zu verbrennen. Bringt man solche grossen Mengen von der Erde gleich mit, ist das nicht nur sehr teuer, sondern verschlingt auch viel Energie.

Erheblich nachhaltiger wäre es dagegen, den Sauerstoff und damit den grössten Teil der benötigten Sprit-Ressourcen direkt auf dem Roten Planeten herzustellen. Ein Experiment im Perseverance-Rover der Mars 2020-Mission der US-Raumfahrtbehörde Nasa zeigt gerade, dass diese Idee in der Praxis funktioniert. Das berichten Jeff Hoffman vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) im US-amerikanischen Cambridge und sein Team in der Fachzeitschrift «Science Advances».

500 Tonnen zusätzliches Gewicht vermeiden

«Das ist ein hoffnungsvoller Schritt», meint Ulrich Köhler vom Institut für Planetenforschung des Deutsches Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der an der Studie des US-Teams nicht beteiligt war. Er ergänzt:

«Wenn wir Menschen auf den Mars und später zurück auf die Erde bringen wollen, um den Roten Planeten zu untersuchen, ist es sinnvoll, Ressourcen für den Rückflug dort zu gewinnen.»

Allein der Transport der benötigten 40 Tonnen Sauerstoff und Methan von der Erde bis auf die Oberfläche des Mars würde nämlich rund 500 Tonnen zusätzlichen Treibstoff erfordern. Gibt es unterwegs keine Möglichkeit zum Auftanken, verringert diese Last genau wie bei einem Langstrecken-Jet während eines Flugs nach Südamerika oder Ostasien die Zuladung. Das würde die gesamte Marsmission erheblich einschränken.

Abhilfe schaffen könnte, wenn der für den Rückflug benötigte Sauerstoff nach Ankunft am Ziel getankt werden kann. Während dieses Element in der Atmosphäre der Erde in reiner Form vorkommt, liegt Sauerstoff auf dem Mars nur gebunden in unterschiedlichen Verbindungen vor. Aus diesen kann die wertvolle Substanz gewonnen werden.

Sauerstoff-Gewinnung aus Rost zu aufwendig

So liegt auf der Oberfläche des Mars reichlich roter Staub, der vor allem aus Eisenoxid, also Rost, besteht. Mit Wasserstoff könnte man diese Verbindung in ihre Bestandteile Eisen und Sauerstoff auftrennen. Nur müsste man den dazu benötigten Wasserstoff zunächst einmal aus Wasser oder Eis herstellen. Eis wiederum gibt es auf dem Roten Planten zwar reichlich. Aber nur an den Polkappen und im Untergrund. Um Eis zu gewinnen, müsste man es also entweder relativ weit transportieren oder Bergbau betreiben. Beides wäre relativ aufwendig.

Erheblich einfacher scheint dagegen eine Produktion aus Kohlendioxid, das man direkt aus der Luft holen kann: Die Atmosphäre des Mars ist mit fünf bis zehn Millibar allerdings recht dünn und hat allenfalls ein Hundertstel des Luftdrucks auf der Erde. Aber die Marsatmosphäre bestehe zu 95 Prozent aus Kohlendioxid, erklären Jeff Hoffman und sein Team. Damit ist diese Ressource auf dem Roten Planeten gut verfügbar.

Im «Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment», oder kurz Moxie, an Bord des Perseverance-Rovers hat die US-Forschungsgruppe jetzt untersucht, wie man aus diesem Kohlendioxid Sauerstoff gewinnen kann. Dabei komprimiert ein spezieller Verdichter die Mars-Luft auf rund das Hundertfache des ursprünglichen Drucks, während ein Luftfilter den allgegenwärtigen Mars-Staub entfernt. Bei einer Temperatur von rund 800 Grad Celsius spaltet eine Elektrolyse einen Teil des Kohlendioxids in Sauerstoff und Kohlenmonoxid. Das gelingt bei einer Spannung zwischen 0,9 und einem Volt. Übersteigt die Spannung dagegen 1,15 Volt, wird des Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenstoff gespalten, der das Elektrolyse-Gerät mit der Zeit zerstören kann.

Apparatur müsste viel mehr Sauerstoff herstellen

In sieben, jeweils rund eine bis rund eineinhalb Stunden dauernden Versuchen stellte Moxie insgesamt 49,9 Gramm Sauerstoff her. «Damit hat das US-Team gezeigt, dass eine wichtige Ressource für den Rückflug einer bemannten Mars-Mission auf dem Roten Planeten hergestellt werden kann», erklärt DLR-Forscher Ulrich Köhler.

«Allerdings müsste die Apparatur dafür erheblich vergrössert werden.»

So stellte die Elektrolyse jetzt auf dem Mars Rover sechs bis acht Gramm Sauerstoff in einer Stunde her, später sollte die Produktion auf zwei bis drei Kilogramm pro Stunde erhöht werden.

Eine Kombination aus einer genauen Analyse der Moxie-Daten mit weiteren Versuchen in Labors auf der Erde sollte zeigen, wie diese Vergrösserung gelingen könnte, schlagen Jeff Hoffman und sein Team in ihrer Arbeit vor. Natürlich müssten auch die bisher sehr einfache Versuchssteuerung und das Kontrollsystem angepasst werden, sowie die auf dem Mars-Rover für die Stromproduktion verwendete Atombatterie durch Solarzellen und Batterien ersetzt werden, um die Tür für eine bemannte Mars-Mission weiter zu öffnen.