مقالة منهجية

قياس التوصيل الكهربائي لدراسة تكوين المحاليل في ظل ظروف المريخ

DOI:

10.3791/61217

⸱

يوليو 28, 2021

 ,  ,  , 
1Group of Atmospheric Science, Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering, Luleå University of Technology, 2Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), 3Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (UGR-CSIC), 4School of Geosciences, University of Aberdeen

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الهدف من البروتوكول هو مراقبة ترطيب الأملاح وعملية تكوين المحلول الملحي. تستخدم الموصلية الكهربائية كتقنية قياس. يتم إجراء التجارب في بيئة مريخية محاكاة لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية والغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تصف هذه الورقة بروتوكولا لتصميم التجارب لدراسة تكوين المحاليل الملحية في ظل ظروف المريخ ومراقبة العملية بقياسات التوصيل الكهربائي. استخدمنا نموذج التأهيل الهندسي (EQM) للقابلية للسكن: محلول ملحي ، إشعاع ، ودرجة حرارة (HABIT) / أداة ExoMars 2022 لإعداد التجربة ولكننا نقدم وصفا موجزا لبناء إعداد قياس التوصيل الكهربائي البسيط وغير المكلف. يعمل البروتوكول على معايرة قياسات التوصيل الكهربائي لتخليص الملح في محلول ملحي في بيئة مريخية محاكاة. تمت محاكاة ظروف المريخ لدرجة الحرارة (-70 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية) والرطوبة النسبية (0٪ إلى 100٪) والضغط (7-8 ملي بار) مع الغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون في غرفة محاكاة SpaceQ Mars ، وهي منشأة في جامعة Luleå للتكنولوجيا ، السويد. يعتمد شكل الهيدرات لكمية الملح المعروفة التي يتم استيعابها بين زوج من الأقطاب الكهربائية وبالتالي الموصلية الكهربائية المقاسة في الغالب على محتواه المائي ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية للنظام. تم إجراء قياسات التوصيل الكهربائي عند 1 هرتز مع تعريض الأملاح لرطوبة نسبية متزايدة باستمرار (لفرض الانتقال عبر هيدرات مختلفة) في درجات حرارة مختلفة للمريخ. للعرض التوضيحي ، تم إعادة إنشاء دورة ليلية ونهارية في Oxia Planum ، Mars (موقع هبوط مهمة ExoMars 2022).

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

واحدة من الموضوعات البحثية الرئيسية لاستكشاف الكواكب هي دورة المياه, ولكن من الصعب تصميم عام, إجراء قوي وقابل للتطوير, يسمح بمراقبة تفاعل الغلاف الجوي مع الأرض. يمكن للمحاكاة المختبرية إعادة إنشاء الغلاف الجوي للكواكب والأسطح والتفاعلات داخلها. ومع ذلك ، فإنه يأتي مع تحد ، من شراء المعدات اللازمة إلى تدريب الموظفين. تصف هذه الورقة بروتوكولا لتصميم التجارب لدراسة تكوين المحاليل الملحية في ظل ظروف المريخ لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية والغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون ، وتراقب العملية بقياسات التوصيل الكهربائي. نقدم أيضا وصفا موجزا لبناء إعداد قياس التوصيل الكهربائي البسيط وغير المكلف. يمكن تكييف البروتوكول لتصميم تجارب مماثلة في الفراغ أو الغلاف الجوي الكوكبي الآخر.

أهمية دراسات تكوين المحلول الملحي
يمكن أن تمتص الأملاح المسترطبة بخار الماء في الغلاف الجوي لتكوين محاليل سائلة في عملية تسمى التخلي. تخلق هذه العملية محلول ملحي في ظل ظروف مواتية على سطح الأرض والمريخ من المحتمل أن يكون موجودا في أوقات وأماكن معينة. العملية العكسية المسماة الإزهار ممكنة أيضا عندما تجف المحاليل الملحية في ظل ظروف غير مواتية. إن الوجود المعقول للمحلول الملحي على سطح المريخ أو تحت سطحه له العديد من الآثار على الدراسات الأرضية والمريخية الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للأملاح أن ترطب جزيئات الماء وتحتفظ بها وتطلقها ، مما يؤثر أيضا على دورة المياه وخصائص الثرى.

هناك اهتمام دولي متزايد بتحديد درجة الحرارة والرطوبة النسبية وظروف الضغط المواتية لتكوين المحاليل الملحية بسبب تناقص الأملاح ومخاليط الملح ، لكل من الأرض والمريخ. تعزى الملاحظات الميدانية للمسارات المائية الداكنة شديدة الانحدار بالقرب من مستجمعات المياه في Don Juan Pond (DJP) وتشكيل بقع رطبة في وديان McMurdo Dry في القارة القطبية الجنوبية إلى تكوين محلول ملحي في الرواسب الغنية بكلوريدالكالسيوم 1.

تم التحقق من صحة هذه النتائج أيضا من خلال التجارب المعملية التي تحاكي درجات الحرارة المنخفضة بين -30 درجة مئوية و 15 درجة مئوية والرطوبة النسبية بين 20٪ و 40٪2. يمكن للتبخر الحامل للكلوريد في منطقة يونجاي في قلب صحراء أتاكاما شديد الجفاف ، تشيلي امتصاص الماء وإيواء الحياة الميكروبية3. قد تكون العمليات التي تحدث في DJP والأماكن الأكثر جفافا على الأرض مثل صحراء أتاكاما مماثلة للعديد من دراسات المريخ التي تشير إلى أن عمليات مماثلة يمكن أن تحدث على المريخالحالي 1،2،4،5،6،7،8،9،10،11،12،13، 14 ، 15 ، 16. وصفت ملاحظات الاستشعار عن بعد الحديثة لسالار دي أويوني (ألتيبلانو البوليفية) عملية مماثلة لما لوحظ على المريخ من المدار17. على الرغم من الظروف القاسية ، يمكن لعملية تكوين المحلول الملحي التي يحركها التخلي عن الماء السائل أن تحافظ على الماء السائل بكميات كبيرة بما يكفي للسماح لمستعمرات البكتيريا بالازدهار في أعماق عقيداتالملح 3. هذا يهم علماء الأحياء الفلكية وعلماء الكواكب.

تم الإبلاغ عن امتصاص وامتصاص نهاري لرطوبة الغلاف الجوي بواسطة الأملاح الرقيقة في الثرى المريخي4،5. تمت بالفعل دراسة عملية تكوين المحلول الملحي للبيركلورات الموجودة على المريخ ، مع ملاحظة التغيرات في حالة الطور أو الترطيب لجزيئات الملح الفردية1،9،18. كما تم إجراء دراسات مختلفة متعلقة بالمحلول الملحي في ظل الظروف ذات الصلة بالمريخ لتحديد قيم الرطوبة النسبية التي ستخضع فيها أملاح المريخ ومخاليط الملح ذات الصلة بالماء والازدهار19،20،21. استخدم آخرون ظروف التجربة هذه لدراسة معدلات تبخر المحاليل الملحية عند درجة حرارة المريخ والرطوبة النسبية والغلاف الجوي لثاني أكسيدالكربون 22.

طرق الكشف عن تكوين المحلول الملحي ومراقبته
توجد عدة طرق لمراقبة عملية تكوين المحلول الملحي. الملاحظة البصرية والصور في الأطوال الموجية المرئية هي الأبسط. يمكن استخدام وزن الأملاح لمراقبة الزيادة في الكتلة23. عادة ما تتم مراقبة المعلمات البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة النسبية والضغط لتفسير الملاحظات بشكل صحيح. استخدمت بعض الدراسات مقياس الرطوبة. يمكن أيضا قياس الخصائص المسترطبة للأملاح باستخدام أجهزة تحليل الحركة التفاضلية أو الموازين الكهروديناميكية ، لكن تشغيلها ليس دقيقا بما يكفي بما يتجاوز الرطوبة النسبية بنسبة 90٪ 24. في الدراسات الحديثة ، تم استخدام المجاهر الإلكترونية للإرسال والمسح الضوئي (TEM و SEM) على نطاق واسع. يحتوي كلا المجهير على خلايا بيئية تمكن من دراسة تفاعل الماء مع جزيئات الملحالفردية 24. يتم الكشف عن تغيرات الطور والتحولات في جزيئات الملح الفردية بشكل عام من خلال التحليل الطيفي البصري أو الأشعة تحت الحمراء (IR) أو رامان المدمج في الإعداد التجريبي8،13،19،20،25. توفر طرق التحليل الطيفي الحالية حدودا جيدة للمراقبة وكشفا واضحا لتغيرات الطور ، لكنها غير متوافقة مع مراقبة عينات الملح السائب والمراقبة المستمرة لعملية تكوين المحلول الملحي خلال المراحل المتوسطة من انتقالات الطور. علاوة على ذلك ، فإن الأجهزة المجهرية القائمة على الليزر مثل "مجهر رامان" باهظة الثمن وقد تتطلب إعدادا تجريبيا معقدا.

نستخدم الموصلية الكهربائية كتقنية قياس. تم إجراء قياسات لتحديد الرطوبة النسبية التي تخضع فيها الأملاح للتخفيف باستخدام الموصلية الكهربائية حيث كانت القيم المشتقة متوافقة بشكل جيد مع تلك المحددة باستخدام مقياس الرطوبةالقياسي 26. تمت دراسة السلسلة الزمنية لعملية تكوين المحلول الملحي للأملاح الرقيقة باستخدام الموصلية الكهربائية في وقت سابق بواسطة Heinz et al.27. هنا ، استخدموا مزيجا من محاكاة JSC Mars-1a والبيركلورات أو الكلوريدات. كما تم استخدام تقنية التوصيل الكهربائي للكشف عن المياه السائلة أو المتجمدة في التربة28،29. تتمثل ميزة هذه الطريقة في أنه يمكن تطبيقها على كل من العينات الصغيرة والمتوسطة الحجم ، طالما أنها موجودة في الفراغ بين القطبين.

يمكن أن يكون هذا البروتوكول مفيدا لتصميم تجارب مماثلة تتضمن التحكم في درجة الحرارة والرطوبة النسبية في الفراغ أو محاكاة الأجواء خارج كوكب الأرض مثل المريخ وغيرها.

figure-introduction-1
الشكل 1: بناء إعداد التجربة. مخطط كتلي يوضح إعدادا بسيطا لقياس التوصيل الكهربائي يتكون من المكونات الرئيسية مثل الأقطاب الكهربائية ودوائر القياس والأردوينو. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن قياس الموصلية الكهربائية للمحلول الملحي من خلال إعداد بسيط وغير مكلف كما هو موضح في الشكل 1. يتم توفير المنتجات المحددة لإنشاء الإعداد في جدول المواد. يتكون الإعداد بشكل أساسي من زوج من الأقطاب الكهربائية المعدنية من نفس الأبعاد مفصولة بمسافة معروفة يتم فيها استيعاب مخاليط الملح أو الملح للدراسة. يمكن استخدام كاشف درجة حرارة المقاومة PT1000 لقياس درجة حرارة الأملاح. يمكن لحام أحد الأطراف المسطحة للأقطاب الكهربائية في كل طرف من كبل متحد المحور المحمي. وبالمثل ، يمكن لحام طرفي المستشعر بكابل متحد المحور محمي آخر. يمكن توصيل الأطراف الأخرى لكل من هذه الكابلات المحورية بالدوائر لقياس التوصيل الكهربائي ودرجة الحرارة ، على التوالي. يمكن استخدام لوحة Arduino وشاشة بيانات تسلسلية بسيطة لاسترداد البيانات وتخزينها.

في سياق هذه التجربة ، نستخدم نموذج التأهيل الهندسي (EQM) لأداة HABIT / ExoMars 2022 ، وهي أقرب نسخة طبق الأصل من نموذج الطيران (FM) الذي سيتم نقله إلى المريخ في عام 2022. HABIT تعني HabitAbility: محلول ملحي ، إشعاع ، ودرجة حرارة. إنها واحدة من الحمولتين الأوروبيتين في ExoMars 2022 Surface Platform Kazachok وتهدف إلى دراسة ظروف السكن في موقع الهبوط ، Oxia planum ، المريخ. يعد انتقال مراقبة المحلول الملحي إلى تجربة السائل (BOTTLE) أحد مكونات أداة HABIT بهدف إثبات استقرار الماء السائل على المريخ31. يعمل البروتوكول الموصوف هنا على معايرة قياسات التوصيل الكهربائي كدالة لتكوين محلول ملحي في ظل ظروف المريخ لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية والغلاف الجوي لثاني أكسيدالكربون 31. يتم تطبيق هذا لاسترداد قياسات التوصيل الكهربائي المعايرة ل BOTTLE التي تساعد في الكشف عن عملية تكوين المحلول الملحي السائل على المريخ ، وهو أحد أهداف مهمتها الأساسية18. من خلال المعايرة ، نشير هنا إلى المعايرة على مستوى التجربة. يتم إجراء المعايرة على مستوى الجهاز مع تحديد ثوابت الخلية الهندسية لكل زوج من أقطاب الكهربائي ومع معايير المعايرة للتوصيل الكهربائي المعروف31.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. بناء إعداد التجربة لقياس التوصيل الكهربائي

  1. اختر أبعاد الأقطاب الكهربائية والمسافة بين زوج القطب. تعتمد أبعاد الأقطاب الكهربائية على أبعاد حاوية العينة وبالتالي كمية الأملاح المستخدمة. يمكن اعتبار أبعاد أبعاد حاوية HABIT BOTTLE المذكورة أدناه كمرجع لحاوية العينة ويمكن الإشارة إلى كمية الأملاح من الخطوة 2.1. يمكن اشتقاق ثابت الخلية الهندسي من المعادلة (1).
    figure-protocol-1(1)
    حيث ، d - المسافة بين زوج القطب الكهربائي ، و
    أ - مساحة الأقطاب الكهربائية (= الطول × العرض).
    يحدد ثابت الخلية الهندسية K نطاق التوصيل الكهربائي الذي يكون إعداد القياس حساسا له. على سبيل المثال ، يمكن قياس K = 1 cm-1 في نطاق 5 - 200 ، 000 μScm-1 بينما يمكن قياس K = 10 cm-1 في نطاق 10 μScm-1 - 1 Scm-1. قد تكون هناك مستويات مختلفة من أزواج الأقطاب الكهربائية. يمكن أن يكون اختيار المواد من النحاس والبلاتين والذهب وما إلى ذلك. أظهرت العديد من التجارب طويلة المدى في منشأة Omnisys Instrument AB ، السويد مع أقطاب كهربائية من الذهب والبلاتين ، تمرير التيار المباشر (DC) في وسط محلول ملحي ، أن أقطاب الذهب مفضلة من حيث مقاومة أفضل للتآكل لهذه العملية.
    ملاحظة: يحتوي HABIT على ما مجموعه 16 زوجا من الأقطاب الكهربائية مع إمكانية دراسة ستة أملاح مختلفة على ثلاثة مستويات (خليتان زاويتان تقيسان فقط بأزواج من الأقطاب الكهربائية المنخفضة والمتوسطة) مفصولة داخل حاوية بأبعاد 25 مم × 15 مم × 15 مم (الطول × العرض × الارتفاع). يستخدم BOTTLE ثلاثة مستويات من أزواج الأقطاب الكهربائية من الأبعاد: منخفض: 1.6 × 0.4 ، متوسط: 1.6 × 0.2 ، مرتفع: 1.6 × 0.2 ، مفصولة عند 2.5 سم تنتج ثابتا للخلية يبلغ 3،9062 سم -1 و 7.8125 سم -1. أجريت القياسات باستخدام نظام قياس بصري (على سبيل المثال ، Mitutoyo MF 176).
  2. قم بإعداد وعاء بأسطح مستوية لاستيعاب الأملاح للدراسة كما هو موضح في الشكل 1. يمكن اختيار حجم الحاوية اعتمادا على الأبعاد الهندسية للأقطاب الكهربائية والمسافة بين زوج القطب الكهربائي حيث يتم استيعاب الأملاح. يمكن تكييف تكوين حاويات متعددة. قد تكون الحاويات مطبوعة ثلاثية الأبعاد في جيش التحرير الشعبى الصينى أو يفضل طحنها بالألمنيوم أو أي معدن آخر ، ويجب حمايتها من فقدان الماء مثل تسرب البخار أو السائل عبر الجدران.
  3. قم بإعداد طلاء راتنجات الايبوكسي 2216 وتطبيقه على جدران الحاوية (الحاويات). اتركه لمدة ساعة حتى يثبت ويعالج الحاويات (الحاويات) المطلية عند 66 درجة مئوية لمدة ساعتين.
    ملاحظة: يمكن إذابة طلاء الإيبوكسي في مذيب ورشه للحصول على أفضل النتائج.
  4. استوعب زوج القطب الكهربائي على الجدران المقابلة للحاوية (الحاويات) وألصقها براتنجات الايبوكسي 2216 التي تم تطبيقها بالفعل.
  5. استخدم كبلا محوريا طويلا محميا وقم بلحام الأطراف على جانب واحد بنقطة التلامس لكل قطب كهربائي في زوج.
  6. قم بتوصيل الطرف الآخر من الكبل المحوري المحمي بطرفي دائرة قياس التوصيل الكهربائي.
    ملاحظة: يمكن بناء دائرة قياس الموصلية الكهربائية البسيطة مع طرف واحد إلى مصدر جهد تيار متردد لتوليد نبضات كهربائية بتردد محدد والطرف الآخر إلى دائرة مقسم الجهد لقراءة انخفاض الجهد عبر زوج القطب. يمكن استخدام دبابيس الإخراج الرقمية ل Arduino في وضع تعديل عرض النبض (PWM) لتوليد جهد التيار المتردد المطلوب. يستخدم جهد التيار المتردد لمنع تآكل الأقطاب الكهربائية. يمكن أيضا قياس انخفاض الجهد عبر زوج القطب الكهربائي باستخدام دبابيس الإدخال التناظرية ل Arduino مع المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) المدمج 10 بت. تتوفر أيضا دوائر تجارية أخرى.
  7. وبالمثل ، استخدم معجون حراري للصق كاشف درجة حرارة المقاومة PT1000 (RTD) على أحد جدران الحاوية (الحاويات).
  8. استخدم كبلا محوريا طويلا محميا آخر لتوصيل جانب واحد بطرفي مستشعر PT1000 والجانب الآخر بدائرة قياس درجة الحرارة.
    ملاحظة: يمكن بناء دائرة قياس درجة حرارة بسيطة مع طرف واحد إلى مصدر جهد تيار مستمر وطرف آخر إلى دائرة مقسم الجهد لقراءة انخفاض الجهد عبر مستشعر PT1000 والذي يمكن قياسه باستخدام دبابيس الإدخال التناظرية ل Arduino مع المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) المدمج 10 بت. تتوفر أيضا دوائر تجارية أخرى.
    1. لإعداد أداة HABIT للإعداد التجريبي ، افصل وصلة الكبل بين مكون BOTTLE ووحدة الإلكترونيات (EU). بعد ذلك ، قم بفك مسامير 8x M3 الخاصة بالزجاجة ، لإزالة الغطاء العلوي وحامل مرشح HEPA من أجل كشف الخلايا الست المفتوحة. قبل إطعام الأملاح للدراسة ، قم بتنظيف خلايا وأقطاب الزجاجة ، ويفضل استخدام محلول تنظيف القطب الكهربائي وقطعة قطن معقمة لخلو أي جزيئات أو سوائل.
    2. إجراء معايرة قياسات التوصيلية الكهربائية للإعداد قبل التغذية بالأملاح ، باستخدام مجموعة من معايير المعايرة ذات قيم التوصيل الكهربائي المعروفة لتحديد معاملات وظيفة المعايرة لكل زوج من أقطاب القطب. استخدم قياس التوصيل الكهربائي البالغ 0.0364 ميكرومتر مكعب -1 (كنقطة صفر أو نقطة جافة) عندما تعرضت الزجاجة لظروف الفراغ في غرفة تفريغ حرارية وتم الحفاظ عليها عند 25 درجة مئوية كموصلية كهربائية صفرية مطلقة للنظام. وعلاوة على ذلك، استخدم معيارين للمعايرة: μScm-1 84 و1413 μScm-1 لاشتقاق دالة معايرة من نقطتين كما هو موضح في المعادلة (2).
      figure-protocol-2(2)
      حيث ، σمعايرة - معايرة الموصلية الكهربائية الفعلية ،
      σالقياس - الموصلية الكهربائية المقاسة الخام ، و
      أ2،أ1،أ0 - ثوابت كثيرة الحدود
    3. قم بتركيب الموصلية الكهربائية الخام التي تم قياسها بواسطة الإعداد في وظيفة المعايرة المشتقة لتحقيق قياس التوصيلية الكهربائية الحقيقي.
      ملاحظة: يتم تحقيق المعايرة الأولية مع الحفاظ على درجة حرارة النظام عند 25 درجة مئوية. ومع ذلك ، مع تغير درجة الحرارة أثناء التجربة ، تتغير قيم التوصيل الكهربائي. نظرا لأنه يصبح من الصعب اشتقاق وظائف درجة الحرارة مقابل التوصيلية الكهربائية في درجات حرارة مختلفة ، فإننا نستخدم بيانات درجة الحرارة فقط لتحديد حالة طور المحلول الملحي. ناقش Nazarious et al.31 هذا الجانب بالتفصيل.

2. التلاعب بعينات الملح الخفيف

  1. قم بوزن كمية محددة من الملح أو العينة التي يتم أخذها في الاعتبار للدراسة. وزننا 1.5 غرام لكل من أربعة أملاح مختلفة: كلوريد الكالسيومCaCl 2 ، كبريتات الحديديكFe 2 (SO4) 3 ، المغنيسيوم بيركلورات Mg (ClO4) 2 ، وبيركلورات الصوديوم NaClO4في حاويات فردية.
    تنبيه: بعض الأملاح وخاصة البيركلورات مسببة للتآكل وبالتالي يجب تجنب أي ملامسة للجلد أو العين.
    1. استخدم الملابس الكيميائية المناسبة والنظارات الواقية وقفازات النتريل أثناء التعامل مع الأملاح. في حالة ملامسة الجلد أو العين ، اشطفها على الفور بكمية كبيرة من الماء واستشر الطبيب.
      ملاحظة: بالإضافة إلى الأملاح ، أضفنا 0.75 جم من ملح الصوديوم من حمض الألجنيك (البوليمر فائق الامتصاص ، SAP) في كل حاوية من الحاويات الأربع بالملح وخلطها جيدا للحصول على خليط موحد من الملح و SAP. استخدمنا SAP كعامل ترسيخ كإجراء أمان لتجنب ارتفاع المحلول الملحي عن طريق الشعيرات الدموية والجريان من أداة نموذج الطيران. بينما تمتص الأملاح الماء الغازي من البيئة الجوية ، يمتص SAP الماء من الحالة السائلة ، من المحلول الملحي السائل للأملاح بمجرد ملامسته. كانت إضافة SAP بسبب القيود الهندسية لتخزين الأملاح في ظروف الأرض (قبل إطلاق ExoMars في عام 2022) ولها معنى أقل للتجربة نفسها. وبالتالي ، فإن قياس التوصيل الكهربائي ناتج عن خليط الملح + SAP + الماء المتوقع. نظرا لأن الهدف من هذه التجربة هو مراقبة امتصاص الماء في النظام بأكمله ، فإن التغييرات في الموصلية الكهربائية من الحالة الجافة للملح + SAP إلى الحالات المائية تعتبر ذات صلة بالتفسير. تم إجراء المعايرة أيضا لنفس تركيبة الملح + SAP.
    2. استخدم نفس مخاليط وأوزان الملح و SAP التي تم استخدامها لنموذج الطيران لمكون BOTTLE لأداة HABIT / ExoMars.

3. تغذية عينات الملح في إعداد التجربة

  1. انقل بعناية كامل الملح الذي تم وزنه مسبقا في الخطوة 2 إلى حاوية (حاويات) التجربة.
    ملاحظة: تم نقل خليط الملح و SAP الذي تم وزنه مسبقا بعناية إلى الخلايا الأربع ل BOTTLE بالترتيب التالي: الخلية -2: كلوريد الكالسيوم CaCl2 ، الخلية -3: كبريتات الحديديك Fe2 (SO4) 3 ، الخلية -4: المغنيسيوم بيركلورات Mg (ClO4) 4 ، الخلية -5: الصوديوم بيركلورات NaClO4. تركت الخلية 1 والخلية 6 فارغة.
    1. اتبع نفس الترتيب في نموذج رحلة BOTTLE ، لذلك يستهدف هذا التكوين والتجربة معايرة وتفسير تشغيلها على المريخ.
  2. قم بتسوية السطح العلوي للأملاح بحيث تغطي الأقطاب الكهربائية. اختر كمية الأملاح لتحقيق هذا المعيار.
    ملاحظة: يزن كل خليط ملح من BOTTLE 2.25 جم في المجموع ويغطى القطب المنخفض في كل خلية. تم اختيار هذه الكمية حتى لا يفيض المحلول الملحي المتكون.
  3. استخدم مرشح HEPA لتغطية الجزء العلوي من الحاوية (الحاويات). سيسمح ذلك بتفاعل الأملاح مع الرطوبة النسبية المحيطة للبيئة المحاكاة.
    ملاحظة: تم استخدام مرشح HEPA المصنوع من النايلون مع إطار حامل لتغطية مخاليط الملح SAP في BOTTLE وتم تأمين الغطاء العلوي ل BOTTLE بمسامير 8x M3.

4. تركيب إعداد التجربة في غرفة المحاكاة

  1. ضع حاوية (حاويات) التجربة في غرفةالمحاكاة 32. تأكد من وجود اتصال حراري جيد بين طاولة عمل الغرفة والحاويات (الحاويات).
  2. ضع دائرة قياس التوصيل الكهربائي ودرجة الحرارة خارج الغرفة. سيؤدي ذلك إلى تجنب أي ضوضاء ناتجة عن درجة الحرارة في الدوائر قد تضر بالقياسات.
  3. قم بإجراء اتصال الطاقة والبيانات بين دوائر القياس والحاويات (الحاويات) من خلال موصل وسيط لغرفة المحاكاة.
    ملاحظة: تستخدم BOTTLE كبلا منفصلا مخصصا لموصلات 2x DB-9 الخاصة بالاتحاد الأوروبي بموصل DB-25 الداخلي للغرفة. الكبل المنفصل هو كابل توصيل طاقة وبيانات مخصص لهذا الغرض. من الجزء الخارجي من موصل DB-25 للغرفة ، تم توصيل كابل منفصل آخر مع توصيلات الطاقة بمصدر طاقة تيار مستمر وتوصيلات بيانات USB 2x بجهاز كمبيوتر محمول مثبت عليه برنامج HABIT EQM LabView.

5. ضوابط غرفة المحاكاة

figure-protocol-3
الشكل 2: ضوابط غرفة المحاكاة32. تمثيل غرفة محاكاة المريخ بأنظمتها المختلفة للتحكم في درجة الحرارة والرطوبة النسبية وضغط ثاني أكسيد الكربون. يتم أيضا عرض منافذ توصيل الطاقة والبيانات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. الحفاظ على درجة حرارة طاولة العمل بين 20 درجة مئوية و -30 درجة مئوية
    ملاحظة: يتم تنظيم درجة حرارة طاولة العمل باستخدام نظام تغذية النيتروجين السائل (LN2) وفقا للبروتوكول الموضح في الشكل 2. في البداية يتم الحفاظ على الغرفة في درجة حرارة المختبر المحيطة.
    1. افتح الصمام لتدفق LN2. ستبدأ درجة الحرارة في الانخفاض.
    2. اضبط درجة الحرارة المطلوبة على وحدة التحكم في التغذية الراجعة. يعمل مستشعر درجة الحرارة PT100 المثبت على طاولة العمل كحلقة تغذية راجعة.
    3. بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة ، أغلق الصمام لإغلاق تدفق LN2.
  2. الحفاظ على ضغط ثاني أكسيد الكربون
    1. قم بتشغيل مضخة التفريغ حتى يقرأ الضغط داخل الغرفة الفراغ.
    2. بمجرد أن تصبح الغرفة في الفراغ ، قم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ ، وقم بحقن الغرفة بغاز ثاني أكسيد الكربون2 حتى تصل إلى ضغط 7-8 ملي بار.
  3. الحفاظ على الرطوبة النسبية
    1. حقن الماء بزيادات قدرها 0.5 مل باستخدام حقنة Swagelok المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مثبتة في الغرفة. سيؤدي ذلك إلى زيادة الرطوبة النسبية تدريجيا.
      ملاحظة: يتم توصيل المحقنة بدورها بصمام كروي بحيث يمكن استخدام المحقنة لحقن الماء عدة مرات.
    2. تأكد من أن الضغط ضمن الحدود. خلاف ذلك ، حرر الضغط عن طريق ضبط الصمام.

6. تجربة الموصلية الكهربائية مقابل الرطوبة النسبية

figure-protocol-4
الشكل 3: تجربة التوصيل الكهربائي مقابل الرطوبة النسبية. خطوات بروتوكول التجربة لإجراء تجربة المعايرة لاشتقاق علاقة التوصيل الكهربائي كدالة للرطوبة النسبية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. قم بتشغيل مضخة التفريغ الدوارة لطرد كل الهواء من داخل الغرفة. سينخفض الضغط داخل الغرفة إلى ترتيب 10-3 ملي بار.
    ملاحظة: ستكون الرطوبة النسبية قريبة من الصفر. تبلغ درجة الحرارة المحيطة لطاولة العمل في الغرفة حوالي 20 درجة مئوية. قد تكون هناك زيادة في التوصيل الكهربائي ودرجة حرارة الزجاجة (التخفيف هو تفاعل طارد للحرارة) حيث يتم تقليل الضغط.
  2. قم بحقن الغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون بعناية من أسطوانة الغاز للحفاظ على ضغط يتراوح بين 7 و 8 ملي بار.
  3. اضبط درجة حرارة طاولة العمل على قيمة معينة بحيث يسجل PT1000 الذي يقيس درجة حرارة الحاوية 20 درجة مئوية.
  4. انتظر حوالي 5 دقائق عند 20 درجة مئوية لتحقيق التوازن وابدأ في الحصول على البيانات بعد الخطوة 7.
  5. قم بحقن الماء ببطء داخل الحجرة باستخدام نظام الحقنة وحافظ على الرطوبة النسبية عند 10٪ وانتظر لمدة 5 دقائق لتحقيق التوازن. إذا ارتفع الضغط عند زيادة الرطوبة النسبية ، فاضبط صمام مضخة التفريغ الدوارة لإزالة الجو الإضافي.
  6. يؤدي التباطؤ إلى زيادة الرطوبة النسبية إلى 20٪ ، 30٪ ، 40٪ ، 50٪ ، 60٪ ، 70٪ ، 80٪ ، 90٪ و 100٪. عند كل قيمة رطوبة نسبية ، احتفظ بها لمدة 5 دقائق تقريبا لتحقيق التوازن والبدء في الحصول على البيانات بعد الخطوة 7.
    ملاحظة: يختتم هذا مجموعة واحدة من تجارب المعايرة وفقا للبروتوكول الموضح في الشكل 3.
  7. ربما تكون عينة الملح قد شكلت المحلول الملحي الآن. تخلص من عينات الملح من الحاوية (الحاويات).
  8. جدد عينات الملح للتجربة التالية بعد الخطوة 8.
  9. وبالمثل ، قم بتقليل درجة حرارة طاولة العمل للحفاظ على درجة حرارة الحاوية عند 15 درجة مئوية ، 10 درجات مئوية ، 5 درجات مئوية ، 0 درجة مئوية ، -5 درجة مئوية ، -10 درجة مئوية ، -15 درجة مئوية ، -20 درجة مئوية ، -25 درجة مئوية ، و -30 درجة مئوية. في كل محطة ، كرر الخطوات من 6.5 إلى 6.8 لقياس التوصيلية الكهربائية لعينات الملح.
    ملاحظة: كميزة أمان ، أقل من -33 درجة مئوية ، سيبدأ سخان BOTTLE للحفاظ على درجة حرارة تتراوح بين -30 درجة مئوية و -33 درجة مئوية. لذلك ، أجرينا تجارب حتى -30 درجة مئوية. لكن قد يختار المرء أن يختار الذهاب إلى درجات حرارة منخفضة.
  10. يمكن تحقيق الارتفاع إلى درجة الحرارة المحيطة من أبرد درجة حرارة تبلغ -30 درجة مئوية عن طريق إغلاق التجربة وتحرير الفراغ وفتح الباب الأمامي للغرفة مما يسمح للهواء المحيط بالمختبر بالاختلاط وزيادة درجة حرارة الحاوية بشكل طبيعي. للحصول على بيانات إضافية ، يمكن للمرء أن يختار السماح لدرجة الحرارة بالزيادة بشكل طبيعي داخل الغرفة. ستكون عملية بطيئة للغاية على الرغم من أنها قد تستغرق أوامر من 7 إلى 10 ساعات.

7. تسجيل البيانات وحفظها

  1. استخدم الشاشة التسلسلية المدمجة ل Arduino أو برنامج مراقبة تسلسلي تابع لجهة خارجية (على سبيل المثال ، m Teraterm ، Realterm ، إلخ).
  2. قم بتكوين Arduino للقراءة من دوائر القياس بتردد 1 هرتز لمدة ساعة واحدة متواصلة متبوعة بأول 5 دقائق من كل ساعة. قد يكون هذا قابلا للتطبيق على محاكاة مريم ليلا ونهارا موصوفة في الخطوة 9.
  3. اضبط جهد مصدر طاقة التيار المستمر كما هو محدد لدوائر القياس.
    ملاحظة: يتم توصيل كبل الطاقة الخاص ب HABIT بمصدر طاقة تيار مستمر بجهد 28 فولت وتوصيلات بيانات USB 2x بجهاز كمبيوتر محمول مثبت عليه برنامج HABIT EQM LabView. البرنامج لديه دعم Windows 10 فقط.
  4. أدخل منفذ COM التسلسلي لاتصال البيانات وقم بتنفيذ برنامج Arduino.
    ملاحظة: ارجع إلى إدارة الأجهزة لتحديد منافذ COM الصحيحة.
  5. احصل على البيانات لأول 100 ثانية وأوقف الحصول على البيانات عن طريق إغلاق الشاشة التسلسلية. تذكر نسخ البيانات من نافذة الشاشة التسلسلية Arduino.
  6. افتح محرر نصوص والصق البيانات المنسوخة لحفظها بتنسيق ملف بيانات .txt أو .csv لتسهيل المعالجة اللاحقة باستخدام MATLAB أو Python.
    ملاحظة: قد تحتوي برامج الجهات الخارجية على وظيفة الحفظ التلقائي.
  7. قم بتسمية ملف البيانات لمطابقة وصف التجربة.
  8. بالنسبة للمجموعة التالية من الحصول على البيانات ، قم أولا بتدوير إعداد التجربة عن طريق إيقاف تشغيل مصدر طاقة التيار المستمر وتشغيله وكرر الخطوات من 7.3 إلى 7.7.
    1. بالنسبة لبرنامج HABIT EQM LabView: في علامة التبويب رئيسي ، أدخل منفذي COM منفذ COM 1 ومنفذ COM 2 ، كل منهما يتوافق مع أحد توصيلات بيانات USB. انقر فوق اتصال ثم ابدأ للحصول على البيانات بتردد 1 هرتز. سجل البيانات لأول 100 ثانية.
    2. اعرض البيانات التي تم الحصول عليها بالنقر فوق علامة التبويب تصحيح الأخطاء وفتح في عرض البيانات في الوقت الفعلي. سيؤدي هذا إلى فتح نافذة جديدة بها علامات تبويب متعددة يتوافق كل منها مع قياسات مختلفة لأداة HABIT. بالنسبة لهذه التجربة ، نحن قلقون بشأن علامات التبويب: "الخلية 2" و "الخلية 3" و "الخلية 4" و "الخلية 5" و "درجة حرارة الاتحاد الأوروبي" و "درجة حرارة CU". سيتم حفظ البيانات ك "Log.txt" بتنسيق HEX في المجلد "C: \ LABVIEW \ Data" في الكمبيوتر المحمول. ستؤدي إعادة تشغيل البرنامج إلى استبدال البيانات الموجودة في الملف "Log.txt".

8. تجديد عينات الملح

ملاحظة: يتم اتباع هذه الخطوة لإدخال عينات من الملح الجاف لكل تجربة جديدة.

  1. أوقف التجربة وافصل الكابلات بعناية وقم بتفريغ حاوية (حاويات) التجربة من غرفة المحاكاة.
  2. قم بإزالة مرشح HEPA وعينات الملح بعناية من الحاوية (الحاويات) وضعها في أكياس منفصلة محكمة الغلق للمخاطر الحيوية.
    ملاحظة: البيركلورات والأملاح الأخرى ليست آمنة للتخلص منها في الحوض بالمياه الجارية أو في التخلص العام من النفايات. يجب توخي الحذر لتعبئتها في أكياس محكمة الغلق والتخلص منها وفقا لمعايير التخلص من النفايات الكيميائية. إذا تمت دراسة عينات أخرى ، مثل عينات الثرى أو البوليمرات وما إلى ذلك ، فيمكن التعامل مع النفايات على النحو الموصى به في ورقة بيانات السلامة (SDS) لتلك المنتجات.
  3. قم بتنظيف الحاوية (الحاويات) وإعادة ضبطها برفق للتجربة التالية.
  4. اتبع الخطوات من 2 إلى 4 لملء عينات الملح في الحاوية (الحاويات) ووضعها مرة أخرى داخل غرفة المحاكاة.

9. محاكاة دورة ليلا ونهارا على المريخ

figure-protocol-5
الشكل 4: محاكاة دورة ليلا ونهارا على المريخ. خطوات بروتوكول التجربة لإجراء محاكاة مارس سول. يرجى ملاحظة أن الخطوتين 6 و 7 تم تبديلهما من الشكل 3 نظرا لمحاكاة المريخ ليلا ونهارا ، يتم ضبط الرطوبة النسبية في البداية أكثر من 80٪ قبل انخفاض درجة الحرارة (الانتقال إلى النهار والليل). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. اتبع الخطوات من 2 إلى 4 لإعداد تجربة العرض التوضيحي.
  2. اتبع الخطوة 7 لإعداد تسجيل بيانات التجربة والحصول على بيانات مستمرة للساعة الأولى ولأول 5 دقائق من البيانات كل ساعة ، بتردد 1 هرتز.
    ملاحظة: يستخدم HABIT هذا النوع من الجدول الزمني للمراقبة بتردد جيد ومنع تعريض الأقطاب الكهربائية بشكل مفرط للتيار المتردد.
  3. محاكاة الظروف البيئية في Oxia Planum ، المريخ في الغرفة
    ملاحظة: استخدمنا غرفة محاكاة SpaceQ Mars ، وهي منشأة في جامعة Luleå للتكنولوجيا ، السويد لهذا العرض كما هو موضح في الشكل 4.
    ملاحظة: Oxia Planum هو موقع الهبوط المخطط ل ExoMars 2022 في المريخ.
    1. قم بتشغيل مضخة التفريغ الدوارة لطرد كل الهواء من داخل الغرفة. سينخفض الضغط بالداخل إلى ترتيب 10-3 ملي بار.
      ملاحظة: ستكون الرطوبة النسبية قريبة من الصفر. تبلغ درجة الحرارة المحيطة لطاولة العمل في الغرفة حوالي 20 درجة مئوية. قد تكون هناك زيادة في التوصيل الكهربائي ودرجة حرارة الحاوية (التخفيف هو تفاعل طارد للحرارة) حيث يتم تقليل الضغط.
    2. قم بحقن الغلاف الجوي لثاني أكسيد الكربون بعناية من أسطوانة الغاز للحفاظ على ضغط يتراوح بين 7 و 8 ملي بار.
    3. قم بحقن الماء ببطء داخل الغرفة باستخدام حقنة Swagelok لزيادة الرطوبة النسبية تدريجيا. احرص على ضبط صمام مضخة التفريغ الدوارة لإزالة الغلاف الجوي الإضافي إذا زاد الضغط إلى ما بعد الحدود المطلوبة.
    4. حافظ على الضغط الجوي لثاني أكسيد الكربون يبلغ حوالي 7-8 ملي بار عند حوالي 80٪ رطوبة نسبية.
    5. افتح ببطء قيمة نظام التغذية LN2 لتقليل درجة حرارة طاولة العمل لمحاكاة انتقال المريخ ليلا ونهارا. لاحظ الاختلاف المحتمل في درجة حرارة طاولة العمل ودرجة حرارة الحاوية.
      ملاحظة: يمكن التحكم في معدل انخفاض درجة الحرارة عن طريق ضبط معدل تدفق LN2 .
    6. اترك درجة الحرارة تنخفض حتى تقرأ درجة حرارة الحاوية -30 درجة مئوية (درجة حرارة طاولة العمل -70 درجة مئوية) ، ثم أغلق تدفق LN2 .
      ملاحظة: كميزة أمان ، أقل من -33 درجة مئوية ، سيبدأ سخان BOTTLE للحفاظ على درجة حرارة تتراوح بين -30 درجة مئوية و -33 درجة مئوية. لذلك ، أجرينا التجربة حتى -30 درجة مئوية. لكن قد يختار المرء أن يختار الذهاب إلى درجات حرارة منخفضة.
    7. سوف ترتفع درجة حرارة طاولة العمل والحاويات (الحاويات) ببطء إلى درجة حرارة المختبر المحيطة (الانتقال ليلا إلى نهارا). من المحتمل أيضا أن تزداد الرطوبة النسبية وكذلك الضغط. تذكر تشغيل صمام مضخة التفريغ الدوارة لإزالة الضغط الزائد.
      ملاحظة: هنا ، مع الرطوبة النسبية ، نعني ربط كمية بخار الماء في الهواء. نظرا لأن مستشعر الرطوبة النسبية يقيس الهواء ، فمن المعقول أن نقول إنه كلما زاد محتوى الرطوبة ، زادت الرطوبة النسبية. في البداية ، عندما يتم تجميد طاولة العمل إلى -30 درجة مئوية ، يتم تكثيف بخار الماء وتجميده على الطاولة ، وعندما ترتفع درجة الحرارة يتبخر هذا الماء المكثف عند ضغوط المريخ ويتم استشعاره كرطوبة في الهواء بواسطة مستشعر الرطوبة النسبية. وبالتالي ، فإن التغيرات في الرطوبة النسبية للهواء المحيط ترجع إلى تغير في حالة الماء ، وإطلاق الصقيع من طاولة العمل إلى الهواء كبخار عندما تزداد درجة الحرارة.
    8. عندما تصل درجة حرارة الحاوية إلى 20 درجة مئوية (على غرار درجة حرارة طاولة العمل) ، أغلق التجربة ، وحرر الفراغ وافتح الباب الأمامي للغرفة لإزالة إعداد التجربة.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

البيانات التي تم الحصول عليها في HABIT بتنسيق HEX ويتم تحويلها إلى تنسيق ASCII قبل التحليل. أنشأت تجارب المعايرة علاقة بين قيم التوصيل الكهربائي المقابلة لأشكال الهيدرات لمخاليط الملح SAP الأربعة المختلفة في درجات حرارة مختلفة للمريخ وظروف الرطوبة النسبية. تظهر العلاقة عند 25 درجة مئوية في الشكل 5 أ للهواء والأشكال 5 ب -5ه لمخاليط الملح و SAP الأربعة المختلفة ، كلور الكالسيوم كلوريد2- SAP ، كبريتات الحديديكFe 2 (SO4) 3 - SAP ، المغنيسيوم بيركلورات المغنيسيوم المغنيسيوم (ClO4) 2 - SAP ، والصوديوم بيركلورات NaClO4- SAP ، على التوالي. لاحظنا وفهرسنا: أ) التباين في قياسات التوصيل الكهربائي كدالة لدرجة الحرارة ، و ب) نطاقات التوصيل الكهربائي للهواء ومخاليط الملح و SAP كدالة للرطوبة النسبية. ستكون هذه المعلومات محورية في تفسير مستوى ترطيب مخاليط الملح و SAP من عملية BOTTLE على المريخ ، مع الأخذ في الاعتبار ظروف التوصيل الكهربائي المسترجعة ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية.

في الشكل 5 أ ، لاحظنا ارتباطا مباشرا بين الموصلية الكهربائية والرطوبة النسبية للهواء. مع زيادة الرطوبة النسبية داخل الغرفة عن طريق حقن الماء بزيادات 0.5 مل ، زاد الهواء من رطوبته النسبية كما يحدث في ظروف المريخ. زادت الموصلية الكهربائية بشكل كبير. من المفترض أن يكون القطب السفلي أكثر برودة بسبب قربه من الطاولة المبردة ، وهذا بدوره يؤدي إلى ارتفاع الرطوبة النسبية وارتفاع EC. بالنسبة للمزيج المحدد من درجة الحرارة والرطوبة النسبية عند ضغوط المريخ خلال هذه التجربة ، سجلنا أيضا أقصى توصيل كهربائي (غير معوض بدرجة الحرارة) للهواء عند رطوبة نسبية تبلغ 59٪. توضح الأشكال 5B-5 E أن جميع مخاليط الملح والSAP الأربعة التقطت الماء بدرجات مختلفة. لوحظت زيادة تدريجية في التوصيلية الكهربائية من RH = 0٪ لكلوريد الكالسيوم وبيركلورات الصوديوم ، وزيادة حول RH = 40-50٪ في حالة كبريتات الحديديك وبيركلورات المغنيسيوم. تحتوي جميع مخاليط الملح و SAP على أقصى قيمة عند 85٪ ، وهو الحد الأقصى الذي حققناه داخل الغرفة.

figure-results-1
الشكل 5: الموصلية الكهربائية كدالة للرطوبة النسبية (1٪ - 85٪) عند 25 درجة مئوية. (أ) الهواء ، (ب) كلوريد الكالسيوم ، (ج) كبريتات الحديديك ، (د) بيركلورات المغنيسيوم ، (ه) الموصليات الكهربائية للصوديوم وبيركلورات موضحة في مقياس لوغاريتمي مع القاعدة 10. سجلت وحدة الإلكترونيات (EU) متوسط درجة حرارة قدره 25.27 درجة مئوية (الحد الأدنى: 24.12 درجة مئوية ، الحد الأقصى: 25.95 درجة مئوية) ، وسجلت وحدة الحاويات (CU) زيادة في درجة الحرارة من 19.6 درجة مئوية إلى 32.91 درجة مئوية نتيجة للحرارة الطاردة للحرارة من احتجاز المياه. كان متوسط درجة حرارة طاولة العمل 19.11 درجة مئوية ومتوسط درجة حرارة الهواء 19.16 درجة مئوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تعتمد الموصلية الكهربائية للملح على مجموعة متنوعة من العوامل. في نهاية التجربة ، لاحظنا أن كبريتات الحديديك كانت الأقل ترطيبا (انظر الشكل 7) تظهر قيم الموصلية الكهربائية أقل من الهواء. الموصلية الكهربائية بين الأقطاب الكهربائية حساسة أيضا لمنطقة التلامس مع خليط الملح + SAP. قد تكون بعض المواد الحبيبية ، بما في ذلك SAP ، عازلا أفضل من الهواء المرطب. يحتوي الهواء الموجود في الحاوية الفارغة على محتوى رطوبة كاف يتحرك بحرية مما أدى إلى موصلية كهربائية أعلى (انظر الشكل 5 أ) من كبريتات الحديديك التي لم يكن لها مساهمة من حيث كمية كافية من الماء الممتص لإظهار إشارة توصيل كهربائية كبيرة (انظر الشكل 5 ج). لاحظنا أيضا قطرات الماء في الحاويات الفارغة في نهاية التجارب التي تظهر أن الهواء الموجود بين الأقطاب الكهربائية كان مشبعا في مرحلة ما وسمح بتكوين الضباب وبعضها مكثف على الجانبين ، كما هو موضح في الشكل 5 أ. قد يعني عدم وجود موصلية منخفضة للقطب الكهربائي أن جزيئات الملح الملامسة للقطب السفلي قد تم تجميدها تماما (أبرد في الجزء السفلي من الجهاز بسبب ملامستها المباشر لطاولة عمل الغرفة) التي لا تظهر أي موصلية كهربائية.

كممارسة توضيحية لعملية HABIT على المريخ بعد هبوط ناجح في أوائل عام 2021 ، قمنا بمحاكاة Sol واحد للظروف البيئية في Oxia Planum ، موقع الهبوط المخطط له لمهمة ExoMars 2022. تحاكي النتائج التي تم الحصول عليها دورة النهار والليل لعملية BOTTLE على المريخ وتوفر بيانات مباشرة في الظروف ذات الصلة. يوضح الشكل 6 أنه أثناء محاكاة دورة المريخ ليلا ونهارا ، لوحظ التأين في جميع مخاليط الملح وSAP. توضح الأشكال 6C-6 F قيم التوصيل الكهربائي لمخاليط الملح SAP الأربعة المختلفة ، CaCl وكلوريدالكالسيوم 2- SAP ، كبريتات الحديديكFe 2 (SO4) 3 - SAP ، المغنيسيوم بيركلورات Mg (ClO4) 2 - SAP ، وبيركلورات الصوديوم NaClO4- SAP ، على التوالي.

figure-results-2
الشكل 6: قياسات التوصيلية الكهربائية المعايرة لمحاكاة المريخ سول. (أ) الضغط والرطوبة النسبية ، (ب) درجة حرارة الأرض والهواء ، (ج) كلوريد الكالسيوم ، (د) كبريتات الحديديك ، (ه) بيركلورات المغنيسيوم ، (و) الموصليات الكهربائية للصوديوم وبيركلورات (بمقياس لوغاريتمي مع القاعدة 10) ، و (ز) وحدة الإلكترونيات (الاتحاد الأوروبي) ووحدة الحاويات (CU) أو درجات حرارة الزجاجة. تشير الخطوط الرأسية ذات الأرقام المحاطة بدائرة إلى مراحل مختلفة من المحاكاة. 0-1: ضخ الهواء للحصول على الفراغ وحقن ثاني أكسيد الكربون للحفاظ على ضغط 7-8 ملي بار عند درجة حرارة ثابتة ، 1-2: حقن الماء لزيادة الرطوبة النسبية عند درجة حرارة ثابتة ، 2-3: تبريد طاولة العمل لتقليل درجة الحرارة (الانتقال إلى النهار والليل) ، مصحوبا بانخفاض الرطوبة النسبية ، و 3-4: تبريد طاولة العمل لزيادة درجة الحرارة (الانتقال ليلا إلى نهار) ، مصحوبة بزيادة الرطوبة النسبية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن أن يعزى المنحدر الأولي في الموصلية الكهربائية إلى الانخفاض السريع في الضغط بينما ظلت الرطوبة النسبية مرتفعة ، مما أدى إلى تسريع عملية التقاط الماء متبوعا بإطلاق الغازات من الماء المتبقي في الخليط. كان هذا متسقا أيضا مع طارد للحرارة لعملية التقاط المياه بواسطة الأملاح. قد تكون الزيادة في درجة الحرارة في وحدة الإلكترونيات (الاتحاد الأوروبي) و BOTTLE مزيجا من انخفاض الضغط السريع (تحت حجم ثابت) والسلوك الطارد للحرارة للتفاعل بين المياه المالحة. يمكن أن يرتبط انخفاض الضغط الذي لوحظ حوالي الساعة 13:00 بالوصول إلى أدنى درجة حرارة في طاولة العمل ، وهو ما يتزامن أيضا مع ارتفاع طفيف في رطوبة النسب. في درجات الحرارة الباردة ، تصرفت طاولة العمل كحوض مياه يجمد قطرات الماء وبالتالي كانت الرطوبة النسبية للهواء منخفضة. خلال هذه المرحلة من انتقال المريخ ليلا ونهارا ، كانت هناك علامات أقل أهمية في منحنيات التوصيل الكهربائي. ولكن ، خلال الانتقال الليلي إلى اليوم ، عندما زادت درجة الحرارة وكذلك الرطوبة النسبية ، بدأ خليط الملح و SAP في التقاط الماء بشكل مطرد كما يتضح من الزيادة في التوصيل الكهربائي في الجزء الأخير من التجربة التي تنعكس أيضا من خلال الزيادة المفاجئة في درجة حرارة الزجاجة. أشارت قيم الموصلية الكهربائية النهائية إلى مدى احتجاز الماء بواسطة كل من مخاليط الملح والSAP الأربعة كما هو موضح في الشكل 7. جميع مخاليط الملح و SAP تلتقط الماء وخاصة ، خليط ملح الكالسيوم وكلوريد SAP ينتج محلول ملحي سائل. تتماسك قيمة التوصيل الكهربائي القصوى لمحلول ملحي CaCl2 البالغة ̴100 μScm-1 مع الأدبيات31.

figure-results-3
الشكل 7: صور مخاليط الملح و SAP. (أ) قبل و(ب) بعد محاكاة المريخ سول. من اليسار إلى اليمين: الشروط الأولية لكل من كلوريد الكالسيوم وكبريتات الحديديك وبيركلورات المغنيسيوم وبيركلورات الصوديوم مع 0.75 جم SAP في كل ملح. أنتج كلوريد الكالسيوم في الزاوية اليسرى محلول ملحي سائل يظهر أيضا قيم التوصيل الكهربائي ذات الصلة البالغة 100 ميكرومتر مكعب -1. التقطت جميع مخاليط الملح والSAP الأخرى أيضا كميات كبيرة من الماء كما تظهر رطبة في الصور. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هذه هي المحاولة الأولى لتوصيف الموصلية الكهربائية لعملية تكوين المحلول الملحي في ظروف الفراغ أو ضغط المريخ. العنصر الأساسي في هذه التجربة هو محاكاة دورة المريخ ليلا ونهارا مع غرفة محاكاة المريخ لدراسة الأملاح. تظهر نتائج تسييل الملح كنتيجة تمثيلية بينما ينصب التركيز بشكل أكبر على تحقيق الظروف المطلوبة لمحاكاة بيئة المريخ. من خلال هذه التجربة الأولى ، نفهم الآن عملية وقيود الغرفة كما هو مذكور في قسم المناقشة في المخطوطة. في التجارب المستقبلية ، سنتبع هذا البروتوكول لمختلف التجارب العلمية ذات الصلة بالمعالجة على المريخ. أجرت دراسات سابقة قياسات التوصيل الكهربائي في الضغوط المختبرية المحيطة27،28،29. يشكل القياس في الضغوط المنخفضة تحديا وبالتالي يتطلب تعديل البروتوكول المستخدم لظروف ضغط الأرض. خلال حملة معايرة سابقة في غرفة مناخية تحت الضغوط المحيطة ، تم تحضير هيدرات مختلفة عن طريق إضافة كميات محددة من الملح والماء ، قبل كل مجموعة من التجارب لاشتقاق العلاقة بين الموصلية الكهربائية وشكل هيدرات الملح في درجات حرارة مختلفة للمريخ31. ولكن مع ضغوط المريخ ، فإن الماء المضاف المستخدم لتكوين الهيدرات سوف ينفجر الغاز في النهاية عند تقليل الضغط ، وبالتالي بدأنا كل تجربة بمزيج من الملح الجاف و SAP وقمنا بتنظيم الرطوبة النسبية للانتقال عبر أشكال الهيدرات المختلفة.

الدراسات السابقة التي تراقب عملية تكوين المحلول الملحي باستخدام طرق رامان الطيفية ، تم إجراؤها بشكل عام مع حبيبات فردية من جسيم الملح في خلية بيئية ومراقبة انتقالات الطور في منطقة تمدد O-H لأطياف رامان1،9،18. يعتبر توصيف التوصيل الكهربائي لعملية تكوين المحلول الملحي أكثر حساسية لتحولات الطور الوسيط من التحليل الطيفي رامان الحالي وقدم سلسلة زمنية مستمرة لعملية تكوين المحلولالملحي 27. من تجاربنا ، أظهرنا أيضا التوصيل الكهربائي كخيار قياس قابل للتطبيق لعينات الملح السائب بدقة جيدة.

أثناء تصميم نظام قياس التوصيل الكهربائي لأداة HABIT ، واجهنا تحديات يتعين علينا حلها. استند اختيار مادة القطب الكهربائي إلى مقاومتها للتآكل ونعومة السطح لتجنب مواطن الخلل المتفرقة في قياسات التوصيل الكهربائي. تتسلق الأملاح المسترطبة أحيانا على طول جدران الحاوية عن طريق الشعيرات الدموية ، وبالتالي فإن اختيار الطلاء الكارهة للماء أمر ضروري. استخدمنا طلاءا يعتمد على تركيبة راتنجات الايبوكسي التي منعت المحلول الملحي من ارتفاع الشعيرات الدموية. أيضا ، كانت الخصائص الكهربائية مثل جهد النبضة الكهربائية وترددها والمقاوم المرجعي للاستشعار الحالي حاسمة في التصميم. تستخدم BOTTLE جهد انحياز ±2.048 فولت مع نبضة كهربائية تبلغ ±70 مللي فولت و ±700 فولت لأوضاع التوصيل المنخفض والعالي تمر النبضات الكهربائية عند 1 كيلو هرتز عبر قطب كهربائي ذهبي ، وعبر عينات الملح للدراسة ، ويتم قراءتها في قطب ذهبي على الجانب الآخر باستخدام مقاومات مرجعية 10 كيلو أوم و 100 أوم لأوضاع التوصيل المنخفضة والعالية على التوالي.

نظرا لأن كل تجربة من التجارب لتوصيف الموصلية الكهربائية كدالة للرطوبة النسبية ، تتطلب درجة حرارة ثابتة ومستقرة ، فقد تم تصميم البروتوكول لاستيعاب حدود استقرار درجة الحرارة لغرفة محاكاة المريخ. هناك اختلاف ملحوظ في درجة حرارة طاولة العمل (التي ينظمها نظام التغذية LN2 للغرفة) ودرجة حرارة الزجاجة بسبب العزل الحراري. هذا يعني أن درجة حرارة طاولة العمل ليست دائما متطابقة مع درجة حرارة الزجاجة ويجب مراعاة الفرق لحالة التجربة المثلى.

ستشمل التجارب المستقبلية في غرفة محاكاة المريخ اشتقاق علاقة بين الموصلية الكهربائية للهواء والرطوبة النسبية في درجات حرارة مختلفة. أثناء محاكاة المريخ سول ، لاحظنا وجود علاقة محتملة بين الرطوبة النسبية للهواء وتوصيليته الكهربائية. قد يكون هذا مناسبا لمعايرة الخليتين الفارغتين في طرفي BOTTLE ودمجها مع معايرة مخاليط الملح و SAP لتفسير أكثر دقة لمستوى ترطيبها. لإجراء هذه التجربة ، يمكن تكييف حاوية (حاويات) التجربة الفارغة دون أي عينات ملح باتباع نفس بروتوكول التجربة.

يوفر بروتوكول التجربة الموصوف طريقة بديلة أبسط وسهلة التكيف لمراقبة عملية تكوين المحلول الملحي والتي يمكن تطبيقها أيضا على العينات الأخرى التي قد تتفاعل مع رطوبة الغلاف الجوي. يمكن أن يكون مكملا للدراسات حول فهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمحلول الملحي المكونة من مخاليط ملح البحر التي ستكون قابلة للتطبيق لتحديد الظروف التي يمكن أن تتفاعل فيها المحاليل الملحية مع أسطح العلب المستخدمة بشكل عام لتخزين الوقود النووي والنفاياتالنووية 33،34. يمكن دراسة الخصائص المسببة للتآكل للمحلول الملحي للمواد المختلفة في ظل ظروف بيئية مختلفة من خلال تكييف البروتوكول. طبقنا هذا البروتوكول لدراسة الخصائص الرقيقة لأربعة مخاليط من الملح و SAP التي نحملها إلى المريخ على متن أداة HABIT. ومع ذلك ، يمكن تحليل الخصائص المسترطبة لمخاليط الملح أو الملح بأي شكل من الأشكال ، على سبيل المثال ، يمكن تحليل جزيئات الدخان لإمكاناتها في نواةالسحابة 24. يمكن أيضا تطبيق بروتوكول التجربة لمحاكاة الظواهر المختلفة المتعلقة بالغلاف الجوي على المريخ وأماكن أخرى داخل المختبر.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تصنيع نموذج التأهيل الهندسي HABIT (EQM) الذي تم استخدامه في التجارب من قبل Omnisys ، السويد ، كجزء من تطوير مشروع HABIT ، تحت إشراف MPZ و JMT ، وبتمويل من وكالة الفضاء الوطنية السويدية (SNSA). HABIT و BOTTLE هما الأفكار الأصلية ل MPZ و JMT. غرفة محاكاة SpaceQ Mars هي منشأة تابعة لجامعة Luleå للتكنولوجيا تقع في Luleå ، السويد. مولت مؤسسة Kempe تصميم وتصنيع غرفة SpaceQ. تم تصنيع غرفة SpaceQ من قبل شركة Kurt J. Lesker ، المملكة المتحدة ، تحت إشراف MPZ. تم تمويل MPZ جزئيا من قبل وكالة البحوث الحكومية الإسبانية (AEI) المشروع رقم. MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) ووزارة العلوم والابتكار الإسبانية (PID2019-104205GB-C21). تعترف AVR و JMT بالدعم المقدم من مؤسسة والنبرغ.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
84 وميكرو. S / سم و 1413 & S / سم معيار معايرة الموصليةAtlas Scienific  CHEM-EC-0.1
Arduino UnoArduino8058333490090
كلوريد الكالسيومSigma Aldrichرقم CAS: 10043-52-4لا مائي ، يتدفق بحرية ، & ge ؛ 96٪
اسطوانة غاز ثاني أكسيد الكربونAGA Gas   ؛
حاوية3D المطبوعة في جيش التحرير الشعبى الصينى أو مطحونة في الألومنيوم / المعادن الأخرى   ؛
الموصلية EZOأطلس العلمي  EZO-EC
EZO RTD circuitAtlas Scienific EZO-RTD
كبريتات الحديديكSigma Aldrichرقم CAS: 15244-10-797٪
أقطاب
HEPANittoNTF9317-H02
خزان النيتروجين السائلAGA Gas   ؛
المغنيسيوم بيركلوراتسيجما ألدريتشرقم CAS: 10034-81-8التدفق الحر ، & ge ؛ 99.0٪ 
مقياس الضغطPiraniCCPG & ناقص ؛ H2 ناقص; 11x10-9  إلى 1000 ملي بار
PT100 مستشعر
PT1000 مستشعر
سكوتش اللحام لاصق الايبوكسي3MEC-2216 B / A
بيركلورات الصوديومسيجما ألدريتشرقم CAS: 7601-89-0التدفق الحر ، & ge ؛ 98.0٪
ملح الصوديوم من حمض الألجنيك (SAP)Sigma Aldrichرقم CAS: 9005-38-3مسحوق
الماء المعقمVWR المواد الكيميائية BDHرقم CAS: 7732-18-5 VWR: 75881-014الماء ASTM النوع الثاني ، كاشف الصف
Swagelok حقنةفيشر علمي   ؛KD Scientific 780812
T / RH مسبارVaisalaHMT 334(-70 إلى + 180 درجة مئوية) و (0 إلى 100٪ رطوبة نسبية)
Teraterm
Whitebox Labs Tentacle ShieldAtlas Scienific   ؛عشرة-ش
التجربة دائرة كهربائية ذهبية مرشح مصمم خصيصا

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gough, R. V., et al. Brine formation via deliquescence by salts found near Don Juan Pond, Antarctica: laboratory experiments and field observational results. Earth and Planetary Science Letters. 476, 189-198 (2017).
  2. Gough, R. V., Chevrier, V. F., Tolbert, M. A. Formation of liquid water at low temperatures via the deliquescence of calcium chloride: implications for Antarctica and Mars. Planetary and Space Science. 131, 79-87 (2016).
  3. Farris, H. N., Davila, A. Deliquescence-driven brine formation in the Atacama Desert, Chile: Implications for liquid water at the Martian surface. 47th Lunar and Planetary Science Conference. , (2016).
  4. Martín-Torres, J., Zorzano, M. -P. Should We Invest in Martian Brine Research to Reduce Mars Exploration Costs. Astrobiology. 17 (1), 3-7 (2017).
  5. Martín-Torres, J., et al. Transient liquid water and water activity at Gale crater on Mars. Nature Geoscience. 8, 357-361 (2015).
  6. Zorzano, M. -P., Mateo-Martí, E., Prieto-Ballesteros, O., Osuna, S., Renno, N. Stability of liquid saline water on present day Mars. Geophysical Research Letters. 36, 20201(2009).
  7. Chevrier, V. F., Hanley, J., Altheide, T. Stability of perchlorate hydrates and their liquid solutions at the Phoenix landing site, Mars. Geophysical Research Letters. 36, 10202(2009).
  8. Gough, R. V., Chevrier, V. F., Baustian, K. J., Wise, M. E., Tolbert, M. A. Laboratory studies of perchlorate phase transitions: support for metastable aqueous perchlorate solutions on Mars. Earth and Planetary Science Letters. 312 (3-4), 371-377 (2011).
  9. Gough, R. V., Chevrier, V. F., Tolbert, M. A. Formation of aqueous solutions on Mars via deliquescence of chloride-perchlorate binary mixtures. Earth and Planetary Science Letters. 393, 73-82 (2014).
  10. Fischer, E., Martínez, G. M., Elliott, H. M., Rennó, N. O. Experimental evidence for the formation of liquid saline water on Mars. Geophysical Research Letters. 41, 4456-4462 (2014).
  11. Nuding, D. L., Rivera-Valentin, E. G., Davis, R. D., Gough, R. V., Chevrier, V. F., Tolbert, M. A. Deliquescence and efflorescence of calcium perchlorate: an investigation of stable aqueous solutions relevant to Mars. Icarus. 243, 420-428 (2014).
  12. Nuding, D. L., Davis, R. D., Gough, R. V., Tolbert, M. A. The aqueous stability of a Mars salt analog: instant Mars. Journal of Geophysical Research: Planets. 120, 588-598 (2015).
  13. Nikolakakos, G., Whiteway, J. A. Laboratory investigation of perchlorate deliquescence at the surface of Mars with a Raman scattering lidar. Geophysical Research Letters. 42, 7899-7906 (2015).
  14. Chojnacki, M., McEwen, A., Dundas, C., Ojha, L., Urso, A., Sutton, S. Geologic context of recurring slope lineae in melas and coprates chasmata, Mars. Journal of Geophysical Research: Planets. 121, 1204-1231 (2016).
  15. Pál, B., Kereszturi, Á Possibility of microscopic liquid water formation at landing sites on Mars and their observational potential. Icarus. 282, 84-92 (2017).
  16. Rivera-Valentín, E. G., et al. Constraining the potential liquid water environment at Gale Crater, Mars. Journal of Geophysical Research: Planets. 123 (5), 1156-1167 (2018).
  17. Bhardwaj, A., et al. UAV Imaging of a Martian Brine Analogue Environment in a Fluvio-Aeolian Setting. Remote Sensing. 11 (18), 2104(2019).
  18. Martin, S. T. Phase transitions of aqueous atmospheric particles. Chemical Reviews. 100 (9), 3403-3454 (2000).
  19. Primm, K. M. Freezing of perchlorate and chloride brines under Mars-relevant conditions. Geochimica et Cosmochimica Acta. 212, 211-220 (2017).
  20. Primm, K. M. The effect of mars-relevant soil analogs on the water uptake of magnesium perchlorate and implications for the near-surface of Mars. Journal of Geophysical Research: Planets. 123 (8), 2076-2088 (2018).
  21. Toner, J. D. The formation of supercooled brines, viscous liquids, and low-temperature perchlorate glasses in aqueous solutions relevant to Mars. Icarus. 233, 36-47 (2014).
  22. Altheide, T., et al. Experimental investigation of the stability and evaporation of sulfate and chloride brines on Mars. Earth and Planetary Science Letters. 282 (1-4), 69-78 (2009).
  23. Slank, R. A., Chevrier, V. F. Experimental simulation of deliquescence and implications for brine formation at the Martian surface. Mars Workshop on Amazonian Climate. , (2018).
  24. Freney, E. J., Martin, S. T., Buseck, P. R. Deliquescence Measurements of Potassium Salts. American Geophysical Union, Fall Meeting. , (2007).
  25. Baustian, J., Wise, M. E., Tolbert, M. A. Depositional ice nucleation on solid ammonium sulfate and glutaric acid particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 10 (5), 2307-2317 (2010).
  26. Yang, L., Pabalan, R. T., Juckett, M. R. Deliquescence Relative Humidity Measurements Using an Electrical Conductivity Method. Journal of Solution Chemistry. 35 (4), 583-604 (2006).
  27. Heinz, J., Schulze-Makuch, D., Kounaves, S. P. Deliquescence induced wetting and RSL-like darkening of a Mars analogue soil containing various perchlorate and chloride salts. Geophysical Research Letters. 43, 4880-4884 (2016).
  28. McKay, C. P., Friedmann, E. I., Gómez-Silva, B., Cáceres-Villanueva, L., Andersen, D. T., Landheim, R. Temperature and moisture conditions for life in the extreme arid region of the Atacama desert: Four years of observations including the El Niño of 1997-1998. Astrobiology. 3 (2), 393-406 (2003).
  29. Davis, W. L., de Pater, I., McKay, C. P. Rain infiltration and crust formation in the extreme arid zone of the Atacama Desert, Chile. Planetary and Space Science. 58 (4), 616-622 (2010).
  30. Martín-Torres, J., et al. The HABIT (HabitAbility: Brine Irradiation and Temperature) environmental instrument for the ExoMars 2022 Surface Platform. Planetary and Space Science. 190, (2020).
  31. Nazarious, M. I., Vakkada Ramachandran, A., Zorzano, M. -P., Martin-Torres, J. Calibration and preliminary tests of the Brine Observation Transition To Liquid Experiment on HABIT/ExoMars 2020 for demonstration of liquid water stability on Mars. Acta Astronautica. 162, 497-510 (2019).
  32. Vakkada Ramachandran, A., Nazarious, M. I., Mathanlal, T., Zorzano, M. P., Martín-Torres, J. Space Environmental Chamber for Planetary Studies. Sensors. 20 (14), 3996(2020).
  33. Carroll, S., Rard, J., Alai, M., Staggs, K. Technical Report: Brines formed by multi-salt deliquescence. Lawrence Livermore National Lab. (LLNL). , Livermore, CA (United States. (2005).
  34. Bryan, C. R., Schindelholz, E. J. Properties of Brines formed by Deliquescence of Sea-Salt Aerosols. Sandia National Laboratories. , Albuquerque., NM 87185 U.S.A. (2017).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

SpaceQ Mars
الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة