Mars-Drohne und Sauerstofffabrik

Der Marsrover Perseverance soll nicht nur nach Lebensspuren suchen – er ebnet auch den Weg für künftige bemannte Marsmissionen. Dafür bringt er zwei experimentelle Technologien mit zum Roten Planeten: eine Drohne und eine Sauerstofffabrik.

Ingenuity – eine Drohne für den Mars

Bei uns auf der Erde sind Drohnen längst alltäglich: Sie liefern spektakuläre Luftaufnahmen, helfen bei der Erkundung und sammeln Daten. Genau dies wäre auch bei der Erkundung eines fremden Planeten wie dem Mars enorm hilfreich. Eine Drohne kann beispielsweise einem Rover voranfliegen und mögliche Hindernisse ausspähen. Bei einer bemannten Marsmission könnte sie Astronauten mehr Überblick verschaffen und bei einer gezielteren Erkundung helfen.

Das Problem jedoch: Auf dem Mars hätten die bei uns üblichen Fluggeräte keine Chance. Der Grund: „Die Mars-Atmosphäre ist nur rund ein Prozent so dicht wie die irdische“, erklärt Mimi Aung vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. „Um diese Bedingungen auf der Erde zu bekommen, müsste man einen Testflug in 30.480 Metern Höhe durchführen.“ Keine Drohne und kein normaler Hubschrauber könnte sich in dieser Höhe noch in der Luft halten.

Fliegen unter erschwerten Bedingungen

Deshalb mussten die NASA-Ingenieure für die Marsdrohne tief in die technische Trickkiste greifen. „Einen Mars-Helikopter hat bisher noch keiner gebaut, daher bewegen wir uns auf ganz neuem Territorium“, erklärt Aung. Damit der Mars-Hubschrauber „Ingenuity“ in der dünnen Marsluft genug Auftrieb erzeugen kann, besitzt er übereinander liegende, gegenläufig rotierende Rotoren. Diese schaffen fast 3.000 Umdrehungen pro Minute – zehnmal so viel wie normale Hubschrauber. Zudem ist die Marsdrohne mit 1,8 Kilogramm besonders leicht.

Eine weitere Herausforderung sind die extremen Temperaturen: Im Jezero-Krater wird es nachts bis zu minus 90 Grad kalt. Bei normalen Drohnen würden Elektronik und bewegliche Teile in einer solchen Kälte versagen. Der Mars-Hubschrauber soll die kalten Nächte überstehen, indem er sich nachts mit einer speziellen Heizung warm hält. Die Energie dafür liefern Solarzellen und Batterien.

Ob der Mars-Helikopter diese Härten übersteht und tatsächlich fliegt, wird die NASA schon in den ersten 30 Marstagen der Mission testen. Der Rover Perseverance soll dann die Drohne in einem zuvor ausgesuchten Testgebiet abstellen und sich zur eigenen Sicherheit rund 100 Meter von ihr entfernen. Dann wird Ingenuity erste Flugtests absolvieren. Dabei muss die Drohne, gestützt auf Sensordaten und Kamerabilder, weitgehend autonom agieren, denn wegen der Zeitverzögerung bei Funkübertragungen zum Mars ist eine direkte Fernsteuerung per Joystick unmöglich.

Sauerstoff für Mensch und Rakete

Wenn künftig Astronauten den Mars besuchen und auf ihm leben sollen, benötigen sie unter anderem Sauerstoff. Dieses Gas wird nicht nur zum Atmen benötigt, sondern auch als Treibstoff für den Rückflug – und das in großen Mengen: Um mit einer Rakete von der Marsoberfläche abzuheben, sind neben Wasserstoff ungefähr 30 bis 45 Tonnen Sauerstoff nötig – viel zu viel, um es von der Erde mitzubringen.

„Flüssiger Sauerstoff ist daher etwas, das wir vor Ort herstellen müssen“, erklärt Michael Hecht vom Massachusetts Institute of Technology. Aber wie? Theoretisch bietet sich dafür das CO2 der dünnen Marsatmosphäre an. Durch eine elektrochemische Reaktion könnte das Kohlendioxidmolekül ähnlich wie Wasser in einer Elektrolyse aufgespalten und so Sauerstoff gewonnen werden.

MOXIE – die Sauerstofffabrik

Ob das auch praktisch funktioniert, soll nun das „Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment“, kurz MOXIE, erstmals testen. Die Anlage von der Größe einer Autobatterie saugt dafür Gas aus der Umgebung an und komprimiert es bis auf den Druck der Erdatmosphäre. Dann strömt das CO2 in den bis auf 800 Grad aufgeheizten Elektrolysebehälter. Sobald Strom an die Elektroden angelegt wird, sammelt sich Sauerstoff (O₂) an der Kathode, übrig bleibt ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und nicht zerlegtem Kohlendioxid, das nach einer Filterung wieder in die Umwelt entlassen wird.

Das MOXIE-Experiment soll in diesem ersten Testeinsatz bis zu zehn Gramm Sauerstoff pro Stunde erzeugen. „Das ist gerade genug, damit ein kleiner Hund atmen könnte“, sagt Asad Aboobaker vom Jet Propulsion Laboratory. „Um den Treibstoff für den Flug zurück zur Erde zu gewinnen, müsste man rund 200-mal mehr Sauerstoff erzeugen als es MOXIE tut.“ Das Team schätzt, dass eine Anlage dafür etwa so groß sein müsste wie ein Backofen und rund eine Tonne wiegen müsste. Sollte sich MOXIE bei seinem ersten Text bewähren, wird als nächstes der Prototyp einer solchen hochskalierten Anlage gebaut.