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Sauerstoffgewinnung aus der Marsatmosphäre
Ein Experiment mit einem Mars-Rover ebnet den Weg für menschliche Besucher
Für die Landung des NASA-Rovers Perseverance auf dem Mars nach einem spektakulären Anflug waren ein Hitzeschild, ein Fallschirm und ein raketengetriebener „Himmelskran“ nötig, der den Rover an Stahlseilen auf die Oberfläche hinabließ. Eine der Hauptmissionen des Rovers besteht darin, nach Zeichen früheren Lebens auf dem roten Planeten zu suchen. Es gibt auch eine weniger bekannte Mission: Dort sollen Maschinen getestet werden, die menschliches Leben ermöglichen könnten.
Für eine Reise zum Mars wäre viel Sauerstoff erforderlich – ein Teil davon zum Atmen für die Astronauten, der Großteil jedoch in flüssiger Form, um den Treibstoff für den Rückflug zu verbrennen. Für eine vierköpfige Besatzung wären 25 Tonnen (55.000 Pfund) erforderlich. Der Versand dieser Masse von der Erde würde Milliarden von Dollar kosten und eine komplizierte Logistik erfordern, daher plant die NASA in situ‑Ressourcennutzung – die Verwendung dessen, was sie vor Ort finden. Der Abbau von Eis an den Polen zur Sauerstoffgewinnung wäre ein mühsamer Prozess. Stattdessen hoffen sie, es aus der Atmosphäre zu extrahieren, indem sie Sauerstoffatome von Kohlendioxid abtrennen, das 95 % der Atmosphäre ausmacht.
„Wenn wir auf dem Mars etwas kaputt machen, können wir niemanden schicken, um es zu reparieren, und dann ist die Sache erledigt. Wir haben also eine Reihe von Schritten unternommen, so dass wir ziemlich zuversichtlich sind, und das Computermodell, der digitale Zwilling, ist einer dieser Schlüsselschritte.“
Im Bauch von Perseverance befindet sich eine goldbeschichtete Box von der Größe einer Autobatterie: das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment oder kurz: MOXIE. Abgesehen von dem Akronym hat dieses am MIT entwickelte Gerät seinen Namen von moxie, was „mutiger Geist“ bedeutet – ein Wort, das von dem kohlensäurehaltigen Getränk Moxie abgeleitet ist, das in Massachusetts erfunden wurde. Als Miniaturversion einer zukünftigen bemannten Mission wird der Satellit mindestens zehnmal getestet und dabei werden die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit ausgelotet. „Wir wollen den Weg beschleunigen, der Menschen zum Mars bringt“, sagt Michael Hecht, der das Projekt am MIT leitet. „Wir wollen das schneller, mit weniger Risiko und geringeren Kosten verwirklichen.“
Das Gerät besteht aus zwei Hauptteilen: einem Gaskompressor und dem Festoxidelektrolyseur (Solid OXide Electrolyzer, SOXE), der CO2 durch Wärme und Strom. Um diese Komponenten herum befinden sich Rohre, Ventile, Filter, Sensoren, eine Stromversorgung und ein kleiner Computer. Ein technisches Modell eines „Zwillings“ von MOXIE im Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Kalifornien wird zu Tests verwendet, bevor die Missionskontrolle Befehle an das entfernte MOXIE sendet. Ein weiteres Gegenstück existiert ausschließlich in Form einer Software, die Hechts MIT-Team ausführt, bevor es die Befehle am technischen Modell ausprobiert.
Ein nahezu identisches technisches Zwillingsmodell von MOXIE wird für Tests im Labor des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, verwendet. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech)
Innenansicht von MOXIE mit SOXE-Baugruppe. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech)
„Wenn wir auf dem Mars etwas kaputt machen, können wir niemanden schicken, um es zu reparieren, und dann ist die Sache erledigt“, sagt Eric Hinterman, Doktorand in der AeroAstro-Abteilung, dem Labor von Jeffrey Hoffman, dem stellvertretenden Leiter des Projekts und ehemaligen Astronauten. Hinterman entwickelte die Software-Simulation. „Wir haben also eine Reihe von Schritten unternommen, damit wir ziemlich zuversichtlich sind, und das Computermodell, der digitale Zwilling, ist einer dieser Schlüsselschritte.“
Doppelte Kontrolle
„MATLAB hat mein Berufsleben verändert, als es herauskam“, sagt Hecht. „Es war wie ein Taschenrechner, mit dem man sich um andere Dinge kümmern konnte, anstatt Dinge von Hand zu berechnen und grafisch darzustellen.“ Wenn er in den 1980er Jahren auf ein Problem stieß, schaute er im MathWorks Büro in Natick, Massachusetts vorbei. Um 1990 begann er selbst mit dem Schreiben von MATLAB®-Komponenten. MATLAB war eine natürliche Ergänzung für das MOXIE-Projekt.
„Ich habe ziemlich viel Erfahrung mit dem Bauen von Dingen, und sie werden selten genau so, wie man sie sich vorstellt. Es hat mich überrascht, wie nahe das Modell der Vorhersage des Geschehens gekommen ist.“
Piyush Khopkar, Softwareentwickler bei MathWorks und Mitglied des technischen und operativen Teams von MOXIE, sagte, die Entscheidung für Simulink®, der grafischen Umgebung für Modellierung und Simulation, war einfach. Simulink stellt eine Verbindung zu MATLAB her, das eine Bibliothek mathematischer und anwendungsspezifischer Funktionen enthält, sodass „Sie das Rad nicht neu erfinden müssen“.
Simulink-Modell für MOXIE.
Das MOXIE Simulink -Modell wurde Hinterman von ehemaligen Studenten übergeben, aber er hat es abgewandelt und neu geschrieben. Es modelliert elektrische Schaltkreise, Chemie, Strömungsdynamik, Steuerungen und Sensoren. „Ich musste viel über Elektrochemie lernen“, sagt er, „und das hat ziemlich Spaß gemacht.“
Er modelliert drei Regelkreise. Das erste Element sorgt dafür, dass die Temperatur in SOXE konstant gehalten wird. Dabei wird berücksichtigt, wie viel Wärme das Gerät erzeugt – die Elektrolyse findet bei etwa 800 Grad Celsius (1.470 Grad Fahrenheit) statt – und wie viel entweicht. Der zweite regelt die elektrische Spannung, um den Strom konstant zu halten. Der dritte Regler bestimmt den Innendruck durch Regulierung der Drehgeschwindigkeit der Kompressorschaufeln. Die Schleifen müssen außerdem die Fehlererkennung modellieren und einen Lauf beenden, wenn etwas schief geht.
Das Modell sei „ziemlich komplex“, sagt Hinterman. Das Aufspüren von Fehlern ist nicht einfach, obwohl die Software hilft. „Manchmal handelt es sich um ein verschachteltes Problem, dessen Fehlerbehebung ziemlich viel Zeit in Anspruch nimmt.“ Außerdem musste JPL manchmal Komponenten austauschen und er musste sein Modell anpassen. „Eine der größten Herausforderungen bestand wahrscheinlich darin, mit den Fortschritten beim physischen MOXIE Schritt zu halten.“
Wenn die Simulation nicht mit dem technischen Modell übereinstimmt, „ist es jedes Mal etwas anderes“, sagt Hinterman. „Etwa, dass die Temperatur nicht perfekt angepasst ist. Und dann stelle ich möglicherweise fest, dass die Isolierung einen Riss hat.“
Wenn das Modell während der Entwicklung nicht der Realität entsprach, sprach Hinterman mit dem JPL oder studierte die Daten gründlich und änderte die Formeln oder Konstanten. Nachdem sich das Modell auf der Erde bewährt hat, muss er sich nun Gedanken darüber machen, wie die Reise zum Mars das wahre MOXIE verändert haben könnte. Durch den Start und den Wiedereintritt ist möglicherweise einiges durcheinander geraten, oder die unterschiedlichen Schwerkraftverhältnisse, Staub und Kälte können zu unerwarteten Veränderungen führen. Er sagt, er sei bereit, dem Modell „Mars-Faktoren“ hinzuzufügen, um die Realität auf dem roten Planeten nachzubilden.
Explosionszeichnung von MOXIE. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech)
„Ich habe ziemlich viel Erfahrung mit dem Bauen von Dingen, und sie werden selten genau so, wie man sie sich vorstellt“, sagt Hinterman. Beim Vergleich der Simulation mit dem technischen Modell „war ich überrascht, wie nahe das Modell der Vorhersage des tatsächlichen Geschehens kam.“
MATLAB stellt Simulink Daten zur Verfügung, darunter die Größe von Hardwareteilen, atmosphärische Bedingungen, chemische Konstanten, Sollwerte des Steuerungssystems wie die gewünschte SOXE-Temperatur und Sicherheitsgrenzen. Simulink sendet dann die Simulationsausgaben (Sensorwerte) zur Analyse zurück an MATLAB. MATLAB empfängt auch Daten vom echten MOXIE auf dem Mars. Aber die realen und virtuellen MOXIEs sagen Ihnen nichts so Einfaches wie, wie viel Sauerstoff sie produzieren oder wie das Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid ist. Stattdessen berechnet MATLAB diese Werte aus den Daten der Temperatur-, Druck- und Spannungssensoren. Es schätzt auch eher theoretische Werte wie die Grenzen und Gefahrenpunkte von MOXIE, sagt Hecht. „Es gibt tausend verschiedene Kleinigkeiten, die berechnet werden müssen.“
Die MOXIE Simulink Model-Anwendung, die laufende Modellsimulationen automatisiert.
Um MOXIE-Bediener dabei zu unterstützen, die Simulation auszuführen und die Daten zu interpretieren, hat Khopkar Benutzeroberflächen (UIs) entwickelt. Man verfügt über virtuelle Schieberegler, die Mars-Parameter wie atmosphärische Bedingungen und MOXIE-Parameter wie Strömung und Temperatur steuern. Eine andere Benutzeroberfläche zeigt die Daten entweder aus der Simulation oder aus dem tatsächlichen Experiment auf dem Mars an. Khopkar hat sie mit einer MATLAB-Umgebung namens App Designer erstellt. Als Teil des Betriebsteams kann er diese Benutzeroberflächen ebenfalls nutzen.
Perfekte Landung
Kurz nachdem Perseverance auf dem Mars gelandet war, führte MOXIE einen Gesundheitscheck durch. Alle paar Monate werden mindestens zehn Läufe durchgeführt, die jeweils etwa eine Stunde dauern. Die Herausforderungen werden zunehmend größer, da die Fahrzeuge bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen, in verschiedenen Jahreszeiten und zu verschiedenen Tageszeiten eingesetzt werden und dann unterschiedliche Modi und Betriebsbedingungen ausprobiert werden.
„[Die Ergebnisse] überraschten uns nur insofern, als sie so perfekt sind … Auf der Erde wurde ein Instrument hergestellt, das alle an es gestellten Anforderungen erfüllte, und es gelangte bis zum Mars und produzierte Sauerstoff.“
Am 20. April 2021 machte MOXIE seinen ersten Lauf. MOXIE erzeugte erfolgreich 6 Gramm Sauerstoff pro Stunde und ist damit auf dem besten Weg, sein Ziel von 10 Gramm pro Stunde zu erreichen. „Es war eine ziemlich wilde Fahrt. Wir sind alle ganz aufgeregt. Dann ist es Zeit, sich der harten Arbeit zu widmen, E-Mails zu beantworten und mit den Medien zu sprechen, aber ich möchte mir die Daten ansehen“, sagte Hecht damals. MOXIE verwendet einige bekannte Technologien, doch vieles davon ist Neuland. „Es hatte nicht annähernd die gleiche Herkunft wie die meisten Dinge, die zum Mars fliegen.“
„Die Ergebnisse haben uns nur insofern überrascht, als sie so perfekt sind“, sagt Hecht. „So perfekt sollte es nicht laufen. Auf der Erde wurde ein Instrument hergestellt, dessen Verhalten alle an es gestellten Anforderungen erfüllte. Es gelangte bis zum Mars und produzierte Sauerstoff. Und das ist der Teil, bei dem man einfach den Atem anhält.“
Der Standort von MOXIE auf dem Rover Perseverance. (Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech)
Er fuhr fort: „Als wir es am Dienstag laufen ließen, waren zwei Jahre vergangen, seit wir es das letzte Mal laufen ließen und Sauerstoff erzeugten. Wenn Sie Ihr Fahrrad nach zwei Jahren aus dem Schrank holen, müssen Sie damit rechnen, die Kette ölen, ein paar Lager lösen und die Reifen ersetzen zu müssen, da diese wahrscheinlich alt und rissig sind. Wir haben MOXIE in den Rover verpackt, ihn auf den Kopf gestellt, ihn thermischen Zyklen unterzogen und ihn gestartet. Es befand sich monatelang in einem Vakuum und flog umher. Wir haben es auf dem Mars abgesetzt, und bei der Entfaltung kam es zu heftigen Explosionen. Dann haben wir gewartet. Als wir es unter diesen sehr harten Umständen durchführten, war es, als wäre nichts davon passiert.“
Größer und besser
Die Arbeit ist noch lange nicht getan. „Generell ist die mangelnde Intelligenz des Steuerungssystems die größte Herausforderung“, sagt Hecht. Er würde es gerne autonomer machen, möglicherweise durch das Hochladen neuer Software von der Erde. Dazu müssen zunächst Tests in der Simulation durchgeführt werden.
Hinterman arbeitet am Nachfolger von MOXIE, den die NASA einsetzen würde, bevor sie Menschen zum Mars schickt. Es wird 14 Monate damit verbringen, Tonnen von Sauerstoff zu erzeugen. In mancher Hinsicht wird diese Maschine vor größeren, in anderer Hinsicht vor kleineren Herausforderungen stehen. Es muss länger laufen und mehr Sauerstoff produzieren, wird jedoch in geringerer Höhe und mit einem intelligenteren Computer, besseren Filtern, besseren Sensoren und Selbstreinigungsfunktionen betrieben.
„Der wahre Wert liegt darin, dass [MATLAB] sehen kann, wie all diese verschiedenen Variablen miteinander interagieren. … Es kann alle diese Interaktionen erkennen, wohingegen Menschen damit große Schwierigkeiten haben.“
Dies sind neue Elemente, die Hinterman simulieren muss. Ein großer Unterschied besteht darin, dass die Maschine der Zukunft den erzeugten Sauerstoff verflüssigen, speichern und übertragen wird, anstatt ihn in die Marsatmosphäre freizusetzen. „Ich habe die letzten zwei Monate speziell mit der Modellierung des Verflüssigungssystems verbracht“, sagt er.
Hinterman verwendet MATLAB Optimierungsalgorithmen zur Unterstützung des Entwurfs des Hardware-Layouts. Er kann der Software sagen, die Masse zu minimieren, und sie wird verschiedene Pumpen oder Kompressoren oder eine Reihe von Betriebsbedingungen ausprobieren. „Der wahre Wert liegt darin, dass man sehen kann, wie all diese verschiedenen Variablen miteinander interagieren“, sagt er. „Wenn Sie sich also für eine Kryopumpe statt einer mechanischen Pumpe entscheiden, ist eine niedrigere Temperatur vielleicht besser. Vielleicht ist eine höhere Temperatur aus irgendeinem Grund besser, und es kann alle diese Interaktionen erkennen, wohingegen sich Menschen dabei schwertun.“
Über das nächste Projekt macht sich Hecht derzeit noch keine großen Gedanken. „Ich konzentriere mich im Moment darauf, dieses hier auszuführen.“
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