Messung der elektrischen Leitfähigkeit zur Untersuchung der Bildung von Solen unter Marsbedingungen

Zusammenfassung

Ziel des Protokolls ist es, die Hydratation von Salzen und den Prozess der Solebildung zu überwachen. Als Messtechnik wird die elektrische Leitfähigkeit verwendet. Die Experimente werden in einer simulierten Marsumgebung mit Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxid-Atmosphäre durchgeführt.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Planung von Experimenten beschrieben, um die Bildung von Solen unter Marsbedingungen zu untersuchen und den Prozess mit elektrischen Leitfähigkeitsmessungen zu überwachen. Für den Experimentaufbau haben wir das Engineering Qualification Model (EQM) des Instruments Habitability: Soles, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022 verwendet, aber wir geben einen kurzen Überblick über den Aufbau eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Das Protokoll dient dazu, die elektrischen Leitfähigkeitsmessungen des Salzes zur Sole in einer simulierten Marsumgebung zu kalibrieren. Die Marsbedingungen von Temperatur (-70 °C bis 20 °C), relativer Luftfeuchtigkeit (0 % bis 100 %) und Druck (7 - 8 mbar) mit Kohlendioxidatmosphäre wurden in der Mars-Simulationskammer SpaceQ, einer Einrichtung an der Technischen Universität Luleå, Schweden, simuliert. Die Hydratform der bekannten Salzmenge, die zwischen einem Elektrodenpaar untergebracht ist, und damit die gemessene elektrische Leitfähigkeit hängt überwiegend von seinem Wassergehalt sowie der Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit des Systems ab. Elektrische Leitfähigkeitsmessungen wurden bei 1 Hz durchgeführt, während die Salze einer kontinuierlich steigenden relativen Luftfeuchtigkeit (um den Übergang durch verschiedene Hydrate zu erzwingen) bei unterschiedlichen Marstemperaturen ausgesetzt wurden. Zur Demonstration wurde ein Tag-Nacht-Zyklus auf Oxia Planum auf dem Mars (dem Landeplatz der Mission ExoMars 2022) nachgestellt.

Einleitung

Eines der Hauptforschungsthemen der Planetenerkundung ist der Wasserkreislauf, aber es ist schwierig, ein allgemeines, robustes und skalierbares Verfahren zu entwerfen, das es ermöglicht, die Wechselwirkung der Atmosphäre mit dem Boden zu überwachen. Laborsimulationen können die planetaren Atmosphären, Oberflächen und die Wechselwirkungen darin nachbilden. Es bringt jedoch eine Herausforderung mit sich, von der Beschaffung der notwendigen Ausrüstung bis hin zur Schulung des Personals. In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Planung von Experimenten zur Untersuchung der Bildung von Solen unter Marsbedingungen von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidatmosphäre beschrieben und der Prozess mit elektrischen Leitfähigkeitsmessungen überwacht. Wir geben auch einen kurzen Überblick über den Aufbau eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit. Das Protokoll kann angepasst werden, um ähnliche Experimente im Vakuum oder in anderen planetaren Atmosphären zu entwerfen.

Bedeutung von Studien zur Solebildung
Hygroskopische Salze können atmosphärischen Wasserdampf absorbieren, um flüssige Lösungen zu bilden, in einem Prozess, der als Deliqueszenz bezeichnet wird. Durch diesen Prozess entsteht unter günstigen Bedingungen auf der Erd- und Marsoberfläche Sole, die wahrscheinlich zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Orten vorhanden ist. Der umgekehrte Prozess, der als Ausblühungen bezeichnet wird, ist auch möglich, wenn die Solen unter ungünstigen Bedingungen dehydrieren. Die plausible Existenz von Solen auf der Oberfläche oder unter dem Untergrund des Mars hat mehrere Auswirkungen auf die aktuellen terrestrischen und Marsstudien. Darüber hinaus können Salze Wassermoleküle hydratisieren, zurückhalten und freisetzen, was sich ebenfalls auf den Wasserkreislauf und die Eigenschaften des Regoliths auswirkt.

Es besteht ein zunehmendes internationales Interesse an der Bestimmung der Temperatur-, relativen Luftfeuchtigkeits- und Druckbedingungen, die für die Bildung von Solen aufgrund der Deliqueszenz von Salzen und Salzgemischen sowohl für die Erde als auch für den Mars günstig sind. Feldbeobachtungen der dunklen, steil abfallenden Wasserbahnen in der Nähe des Einzugsgebiets des Don Juan Pond (DJP) und der Bildung von feuchten Flecken in den McMurdo Dry Valleys in der Antarktis wurden auf die Solebildung in den kalziumchloridreichen Sedimenten zurückgeführt¹.

Diese Ergebnisse wurden auch mit Laborexperimenten validiert, bei denen die niedrigen Temperaturen zwischen -30 °C und 15 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit zwischen 20 % und 40 %² simuliert wurden. Chloridhaltige Evaporite in der Yungay-Region im hyperariden Kern der Atacama-Wüste in Chile können Wasser absorbieren und mikrobielles Leben beherbergen³. Die Prozesse, die im DJP und an den trockensten Orten der Erde wie der Atacama-Wüste ablaufen, könnten analog zu mehreren der Marsstudien sein, die darauf hindeuten, dass ähnliche Prozesse auf dem heutigen Mars^stattfinden könnten 1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16. Jüngste Fernerkundungsbeobachtungen des Salar de Uyuni (bolivianisches Altiplano) haben einen ähnlichen Prozess beschrieben, wie er auf dem Mars aus Orbit¹⁷ beobachtet wird. Trotz rauer Bedingungen kann der durch Deliqueszenz angetriebene Solebildungsprozess flüssiges Wasser in Mengen erhalten, die groß genug sind, um Bakterienkolonien tief in den Salzknollen gedeihen^{zu lassen 3}. Dies ist für Astrobiologen und Planetenforscher von Interesse.

Es wurde über die tägliche Absorption und Desorption der atmosphärischen Feuchtigkeit durch die zerfließenden Salze im Marsregolith berichtet ^4,5. Der Solebildungsprozess von Perchloraten, die auf dem Mars existieren, wurde bereits untersucht, wobei die Änderungen der Phase oder des Hydratationszustands einzelner Salzpartikel beobachtet^{wurden 1,9,18}. Verschiedene solebezogene Studien wurden auch unter Mars-relevanten Bedingungen durchgeführt, um die relativen Feuchtewerte zu bestimmen, bei denen Mars-relevante Salze und Salzgemische Deliqueszenz und Ausblühungen erfahren 19,20,21. Andere haben diese Experimentbedingungen genutzt, um die Verdunstungsraten von Solen bei Marstemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidatmosphäre zu untersuchen²².

Methoden zur Erkennung und Überwachung von Solebildung
Es gibt verschiedene Methoden, um den Prozess der Solebildung zu überwachen. Die visuelle Beobachtung und Bilder im sichtbaren Wellenlängenbereich sind am einfachsten. Das Wiegen der Salze zur Überwachung der Massenzunahme könnte durchaus verwendet werden²³. In der Regel werden die Umgebungsparameter wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Druck überwacht, um die Beobachtungen richtig zu interpretieren. In einigen Studien wurde ein Hygrometer verwendet. Die hygroskopischen Eigenschaften der Salze können auch mit Differentialmobilitätsanalysatoren oder elektrodynamischen Waagen gemessen werden, aber ihr Betrieb ist ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90 %²⁴ nicht genau genug. In neueren Studien sind Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope (TEM und REM) weit verbreitet. Beide Mikroskope verfügen über Umweltzellen, die es ermöglichen, die Wechselwirkung von Wasser mit einzelnen Salzpartikeln^{zu untersuchen 24}. Die Phasenänderungen und -übergänge in einzelnen Salzpartikeln werden in der Regel mit optischer, Infrarot- (IR) oder Raman-Spektroskopie detektiert, die in den Versuchsaufbau 8,13,19,20,25 integriert ist. Bestehende spektroskopische Methoden bieten gute Beobachtungsgrenzen und eine eindeutige Detektion von Phasenänderungen, sind jedoch nicht kompatibel für die Überwachung von Salzproben in großen Mengen und für die kontinuierliche Überwachung des Solebildungsprozesses durch die Zwischenstufen der Phasenübergänge. Darüber hinaus sind die laserbasierten mikroskopischen Geräte wie das "Raman-Mikroskop" teuer und erfordern möglicherweise einen komplexen Versuchsaufbau.

Als Messtechnik verwenden wir die elektrische Leitfähigkeit. Messungen zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit, bei der die Salze zerfließen, sind unter Verwendung der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt worden, wobei die abgeleiteten Werte gut mit denen übereinstimmten, die mit einem Standard-Hygrometer²⁶ bestimmt wurden. Die Zeitreihe des Solebildungsprozesses der zerfließenden Salze wurde bereits von Heinz et al. unter Verwendung der elektrischen Leitfähigkeit ^{untersucht.27}. Dabei verwendeten sie ein Gemisch aus dem Simulanzlösemittel Mars-1a von JSC und Perchloraten oder Chloriden. Die elektrische Leitfähigkeitstechnik wurde auch verwendet, um flüssiges oder gefrorenes Wasser in Böden zu detektieren^28,29. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie sowohl auf kleine als auch auf mittelgroße Proben angewendet werden kann, solange sie sich im Raum zwischen den beiden Elektroden befinden.

Dieses Protokoll könnte nützlich sein, um ähnliche Experimente zu entwerfen, bei denen die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit im Vakuum gesteuert oder die extraterrestrische Atmosphäre wie der Mars und andere simuliert werden.

Abbildung 1: Aufbau des Versuchsaufbaus. Ein Blockdiagramm, das einen einfachen Aufbau zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit zeigt, der aus den Hauptkomponenten wie Elektroden, Messkreisen und einem Arduino besteht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die elektrische Leitfähigkeit von Solen kann mit einem einfachen, kostengünstigen Aufbau gemessen werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die spezifischen Produkte für die Konstruktion des Aufbaus sind in der Materialtabelle angegeben. Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus einem Paar Metallelektroden gleicher Abmessungen, die durch einen bekannten Abstand voneinander getrennt sind, innerhalb dessen das Salz oder die Salzmischungen für die Studie untergebracht sind. Mit einem Widerstandstemperaturfühler PT1000 kann die Temperatur der Salze gemessen werden. Eines der flachen Enden der Elektroden kann an jeden Anschluss eines geschirmten Koaxialkabels gelötet werden. Ebenso können die beiden Klemmen des Sensors mit einem anderen geschirmten Koaxialkabel verlötet werden. Die anderen Enden jedes dieser Koaxialkabel können an die Stromkreise angeschlossen werden, um die elektrische Leitfähigkeit bzw. die Temperatur zu messen. Ein Arduino-Board und ein einfacher serieller Datenmonitor können verwendet werden, um die Daten abzurufen und zu speichern.

Im Rahmen dieses Experiments verwenden wir das Engineering Qualification Model (EQM) des Instruments HABIT/ExoMars 2022, die nächstgelegene Nachbildung des Flugmodells (FM), das 2022 zum Mars geflogen wird. HABIT steht für HabitAbility: Solen, Bestrahlung und Temperatur. Es ist eine der beiden europäischen Nutzlasten auf der ExoMars 2022 Surface Platform Kazachok und hat das Ziel, die Bewohnbarkeitsbedingungen an der Landestelle Oxia planum auf dem Mars zu untersuchen. Das Brine Observation Transition To Liquid Experiment (BOTTLE) ist eine der Komponenten des HABIT-Instruments mit dem Ziel, die Stabilität von flüssigem Wasser auf Mars³¹ zu demonstrieren. Das hier beschriebene Protokoll dient der Kalibrierung der elektrischen Leitfähigkeitsmessungen in Abhängigkeit von der Solebildung unter Marsbedingungen von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidatmosphäre³¹. Dies wird verwendet, um die kalibrierten elektrischen Leitfähigkeitsmessungen von BOTTLE abzurufen, die bei der Detektion des Prozesses der Bildung von flüssiger Sole auf dem Mars helfen, was eines der Hauptziele der Mission ist¹⁸. Unter Kalibrierung verstehen wir hier die Kalibrierung auf Experimentebene. Die Kalibrierung auf Instrumentenebene wird unter Bestimmen der geometrischen Zellkonstanten jedes Elektrodenpaares und mit Kalibrierstandards bekannter elektrischer Leitfähigkeit³¹ durchgeführt.

Protokoll

1. Aufbau des Versuchsaufbaus zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit

1. Wählen Sie die Abmessungen der Elektroden und den Abstand zwischen den Elektrodenpaaren. Die Abmessungen der Elektroden hängen von den Abmessungen des Probenbehälters und damit von der Menge der verwendeten Salze ab. Die unten genannten Abmessungen des HABIT BOTTLE Behälters können als Referenz für den Probenbehälter herangezogen werden und die Salzmenge kann aus Schritt 2.1 entnommen werden. Die geometrische Zellkonstante kann aus Gleichung (1) abgeleitet werden.
   (1)
   wo, d - Abstand zwischen dem Elektrodenpaar und
   A - Fläche der Elektroden (= Länge x Breite).
   Die geometrische Zellkonstante K bestimmt den elektrischen Leitfähigkeitsbereich, für den der Messaufbau empfindlich ist. Zum Beispiel kann K = 1 ^cm-1 im Bereich von 5 bis 200.000 μScm-1 messen, während K = 10 ^cm-1 im Bereich von 10 μScm-1 - 1 ^Scm-1 messen kann. Es kann verschiedene Stufen von Elektrodenpaaren geben. Die Wahl des Materials kann aus Kupfer, Platin, Gold usw. erfolgen. Mehrere Langzeitexperimente am Standort von Omnisys Instrument AB, Schweden, mit Gold- und Platinelektroden, die Gleichstrom (DC) in Solemedium leiten, haben gezeigt, dass Goldelektroden im Hinblick auf eine bessere Korrosionsbeständigkeit für diesen Vorgang bevorzugt werden.
   HINWEIS: HABIT verfügt über insgesamt 16 Elektrodenpaare mit der Möglichkeit, sechs verschiedene Salze auf drei Ebenen zu untersuchen (zwei Eckzellen messen nur mit niedrigen und mittleren Elektrodenpaaren), die in einem Behälter mit den Abmessungen 25 mm x 15 mm x 15 mm (L x B x H) getrennt sind. BOTTLE verwendet drei Ebenen von Elektrodenpaaren mit Abmessungen: Niedrig: 1,6 x 0,4, Mittel: 1,6 x 0,2, Hoch: 1,6 x 0,2, getrennt bei 2,5 cm, was eine Zellkonstante von 3.9062 ^cm-1 und 7,8125 ^cm-1 ergibt. Die Messungen wurden mit einem optischen Messsystem (z.B. Mitutoyo MF 176) durchgeführt.
2. Bereiten Sie einen Behälter mit flachen Oberflächen vor, in dem die zu untersuchenden Salze aufbewahrt werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die Behältergröße kann in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen der Elektroden und dem Abstand zwischen den Elektrodenpaaren, in denen die Salze untergebracht sind, gewählt werden. Die Konfiguration mehrerer Container kann angepasst werden. Die Behälter können in PLA 3D-gedruckt oder vorzugsweise mit Aluminium oder anderem Metall gefräst werden, sie sollten gegen Wasserverlust wie Dampf oder Flüssigkeitsaustritt durch die Wände geschützt sein.
3. Bereiten Sie die Epoxidharzbeschichtung 2216 vor und tragen Sie sie auf die Wände der Behälter auf. Lassen Sie es eine Stunde lang aushärten, und härten Sie die beschichteten Behälter 2 Stunden lang bei 66 °C aus.
   HINWEIS: Die Epoxidbeschichtung kann in einem Lösungsmittel aufgelöst und gesprüht werden, um beste Ergebnisse zu erzielen.
4. Bringen Sie das Elektrodenpaar an den gegenüberliegenden Wänden des Behälters (der Behälter) an und kleben Sie sie mit dem bereits aufgetragenen Epoxidharz 2216 fest.
5. Verwenden Sie ein langes, abgeschirmtes Koaxialkabel und löten Sie die Enden auf einer Seite paarweise an den Kontaktpunkt jeder Elektrode.
6. Verbinden Sie das andere Ende des geschirmten Koaxialkabels mit den beiden Anschlüssen des elektrischen Leitfähigkeitsmesskreises.
   HINWEIS: Eine einfache elektrische Leitfähigkeitsmessschaltung kann so aufgebaut werden, dass eine Klemme an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, um elektrische Impulse mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen, und die andere Klemme an eine Spannungsteilerschaltung angeschlossen ist, um den Spannungsabfall über das Elektrodenpaar abzulesen. Die digitalen Ausgangspins von Arduino können im PWM-Modus (Pulse Width Modulated) verwendet werden, um die erforderliche Wechselspannung zu erzeugen. Die Wechselspannung wird verwendet, um die Korrosion der Elektroden zu verhindern. Der Spannungsabfall über das Elektrodenpaar kann auch mit den analogen Eingangspins des Arduino mit seinem eingebauten 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) gemessen werden. Andere kommerzielle Schaltkreise sind ebenfalls verfügbar.
7. Verwenden Sie auf ähnliche Weise Wärmeleitpaste, um den PT1000 Widerstandstemperaturdetektor (RTD) auf eine der Wände des Behälters bzw. der Behälter zu kleben.
8. Verwenden Sie ein weiteres langes geschirmtes Koaxialkabel, um die eine Seite mit den beiden Anschlüssen des PT1000-Sensors und die andere Seite mit einem Temperaturmesskreis zu verbinden.
   HINWEIS: Es kann eine einfache Temperaturmessschaltung aufgebaut werden, bei der eine Klemme an eine Gleichspannungsquelle und die andere Klemme an eine Spannungsteilerschaltung angeschlossen ist, um den Spannungsabfall am PT1000-Sensor abzulesen, der mit den analogen Eingangspins des Arduino mit seinem eingebauten 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) gemessen werden kann. Andere kommerzielle Schaltkreise sind ebenfalls verfügbar.
   1. Um das HABIT-Instrument für den Versuchsaufbau vorzubereiten, trennen Sie die Kabelverbindung zwischen der BOTTLE-Komponente und der Elektronikeinheit (EU). Lösen Sie dann die 8x M3 Schrauben der FLASCHE, um den oberen Deckel und den HEPA-Filterhalter zu entfernen, um die sechs offenen Zellen freizulegen. Reinigen Sie vor der Zuführung der zu untersuchenden Salze die Zellen und Elektroden der FLASCHE, vorzugsweise mit einer Elektrodenreinigungslösung und einem sterilen Wattestäbchen, um sie von Partikeln oder Flüssigkeiten zu befreien.
   2. Führen Sie die Kalibrierung der elektrischen Leitfähigkeitsmessungen des Aufbaus vor dem Einspeisen der Salze durch, indem Sie einen Satz von Kalibrierstandards mit bekannten elektrischen Leitfähigkeitswerten verwenden, um die Kalibrierfunktionskoeffizienten für jedes Elektrodenpaar zu bestimmen. Verwenden Sie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit von 0,0364 ^μScm-1 (als Nullpunkt oder Trockenpunkt), wenn die BOTTLE in einer Thermalvakuumkammer Vakuumbedingungen ausgesetzt und bei 25 °C gehalten wurde, als absolute elektrische Leitfähigkeit des Systems. Verwenden Sie außerdem zwei Kalibrierstandards: 84 ^μScm-1 und 1413 μScm-1, um eine Zweipunkt-Kalibrierfunktion abzuleiten, wie in Gleichung (2) gezeigt.
      (2)
      Dabei σ_kalibriert - Kalibrierte tatsächliche elektrische Leitfähigkeit,
      σ_gemessen - Roh gemessene elektrische Leitfähigkeit und
      a_{2,a 1,a 0} - Polynomkonstanten
   3. Passen Sie die vom Aufbau gemessene elektrische Rohleitfähigkeit in die abgeleitete Kalibrierfunktion ein, um eine echte elektrische Leitfähigkeitsmessung zu erzielen.
      HINWEIS: Die Erstkalibrierung wird erreicht, während die Temperatur des Systems bei 25 °C gehalten wird. Wenn sich jedoch die Temperatur während des Experiments ändert, ändern sich die elektrischen Leitfähigkeitswerte. Da es schwierig wird, Temperatur- und elektrische Leitfähigkeitsfunktionen bei verschiedenen Temperaturen abzuleiten, verwenden wir Temperaturdaten nur, um den Phasenzustand der Sole zu bestimmen. Nazarious et ^al.31 haben diesen Aspekt ausführlich diskutiert.

2. Manipulation der zerfließenden Salzproben

1. Wiegen Sie eine bestimmte Menge Salz oder Probe, die für die Studie in Betracht gezogen wird. Wir wogen jeweils 1,5 g von vier verschiedenen Salzen: Calciumchlorid_CaCl2, Eisensulfat Fe₂(_SO4)₃, Magnesiumperchlorat Mg(ClO₄)₂ und Natriumperchlorat_{NaClO 4}in Einzelgebinden.
   ACHTUNG: Einige Salze, insbesondere Perchlorate, sind ätzend und daher muss jeder Kontakt mit der Haut oder dem Auge vermieden werden.
   1. Verwenden Sie beim Umgang mit den Salzen geeignete chemische Kleidung, eine Schutzbrille und Nitrilhandschuhe. Bei Berührung mit der Haut oder dem Auge sofort mit viel Wasser abspülen und einen Arzt konsultieren.
      HINWEIS: Zusätzlich zu den Salzen haben wir 0,75 g Natriumsalz der Alginsäure (Super Absorbent Polymer, SAP) in jeden der vier Behälter mit Salz gegeben und gründlich gemischt, um eine gleichmäßige Salz-SAP-Mischung zu erhalten. Wir haben SAP als Verfestigungsmittel als Sicherheitsmaßnahme verwendet, um zu verhindern, dass die Sole durch Kapillarität aufsteigt und vom Flugmodellinstrument abfließt. Während die Salze gasförmiges Wasser aus der atmosphärischen Umgebung absorbieren, absorbiert das SAP Wasser aus flüssigem Zustand, aus der flüssigen Salzsole, sobald es mit ihr in Kontakt kommt. Die Hinzufügung von SAP war ausschließlich auf die technischen Einschränkungen bei der Lagerung der Salze unter irdischen Bedingungen (vor dem Start von ExoMars im Jahr 2022) zurückzuführen und hat für das Experiment selbst weniger Bedeutung. Folglich ist die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ein Ergebnis aus dem zu erwartenden Gemisch von Salz+SAP+Wasser. Da das Ziel dieses Experiments darin besteht, die Absorption von Wasser im gesamten System zu überwachen, wird die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit vom trockenen Zustand von salt+SAP zu den hydratisierten Zuständen als relevant für die Interpretation erachtet. Das Kalibrierverfahren wurde auch für die gleiche salz+SAP-Kombination durchgeführt.
   2. Verwenden Sie die gleichen Salz- und SAP-Mischungen und -Gewichte, die für das Flugmodell der BOTTLE-Komponente des HABIT/ExoMars-Instruments verwendet wurden.

3. Fütterung der Salzproben im Versuchsaufbau

1. Füllen Sie das gesamte zuvor in Schritt 2 gewogene Salz vorsichtig in den/die Versuchsbehälter(n) um.
   HINWEIS: Das zuvor gewogene Salz-SAP-Gemisch wurde vorsichtig in der folgenden Reihenfolge in die vier Zellen der FLASCHE überführt: Zelle-2: Calciumchlorid CaCl₂, Zelle-3: Eisensulfat_{Fe 2}(SO₄)₃, Zelle-4: Magnesiumperchlorat Mg(ClO₄)₄, Zelle-5: Natriumperchlorat NaClO₄. Zelle-1 und Zelle-6 blieben leer.
   1. Folgen Sie der gleichen Reihenfolge im Flugmodell von BOTTLE, so dass diese Konfiguration und das Experiment auf die Kalibrierung und Interpretation des Betriebs auf dem Mars ausgerichtet sind.
2. Nivellieren Sie die Oberseite der Salze so, dass sie die Elektroden bedecken. Wählen Sie die Menge an Salzen, um dieses Kriterium zu erreichen.
   HINWEIS: Jedes Salz-SAP-Gemisch der FLASCHE insgesamt 2,25 g und bedeckte die untere Elektrode in jeder Zelle. Diese Menge wurde so gewählt, dass die gebildete Sole nicht überläuft.
3. Verwenden Sie einen HEPA-Filter, um die Oberseite der Behälter abzudecken. Dies ermöglicht die Wechselwirkung von Salzen mit der relativen Umgebungsfeuchte der simulierten Umgebung.
   HINWEIS: Zur Abdeckung der Salz-SAP-Gemische in der FLASCHE wurde ein HEPA-Filter auf Nylonbasis mit einem Halterrahmen verwendet und der obere Deckel der FLASCHE mit 8x M3 Schrauben gesichert.

4. Installation des Versuchsaufbaus in der Simulationskammer

1. Platzieren Sie den/die Experimentierbehälter(n) in der Simulationskammer³². Achten Sie auf einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Arbeitstisch der Kammer und dem/den Behälter(n).
2. Platzieren Sie den elektrischen Leitfähigkeits- und Temperaturmesskreis außerhalb der Kammer. Dadurch werden temperaturbedingte Geräusche in den Schaltkreisen vermieden, die die Messungen beeinträchtigen könnten.
3. Stellen Sie die Strom- und Datenverbindung zwischen den Messkreisen und dem/den Behälter(n) über einen Zwischenstecker der Simulationskammer her.
   HINWEIS: BOTTLE verwendet für seine 2x DB-9 Stecker der EU ein spezielles Split-Kabel zum inneren DB-25 Stecker der Kammer. Das Split-Kabel ist ein speziell für diesen Zweck entwickeltes Strom- und Datenverbindungskabel. Von der Außenseite des DB-25-Steckers der Kammer wurde ein weiteres Split-Kabel mit den Stromanschlüssen an ein Gleichstromnetz und die 2x USB-Datenanschlüsse an einen Laptop mit installierter HABIT EQM LabView-Software angeschlossen.

5. Steuerung der Simulationskammer

Figur 2: Steuerung der Simulationskammer³². Darstellung der Mars-Simulationskammer mit ihren verschiedenen Systemen zur Regelung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxiddruck. Strom- und Datenanschlüsse werden ebenfalls angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

1. Halten der Temperatur des Arbeitstisches zwischen 20 °C und -30 °C
   HINWEIS: Die Temperatur des Arbeitstisches wird über das Durchflusssystem mit flüssigem Stickstoff (LN₂) gemäß dem in Abbildung 2 gezeigten Protokoll geregelt. Zunächst wird die Kammer auf der Umgebungstemperatur des Labors gehalten.
   1. Öffnen Sie das Ventil für den Durchfluss von LN₂. Die Temperatur beginnt zu sinken.
   2. Stellen Sie die gewünschte Temperatur am Feedback-Regler ein. Der auf dem Arbeitstisch angebrachte Temperatursensor PT100 fungiert als Rückkopplungsschleife.
   3. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, schließen Sie das Ventil, um den Durchfluss von LN₂ zu schließen.
2. Aufrechterhaltung des Kohlendioxiddrucks
   1. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, bis der Druck in der Kammer Vakuum anzeigt.
   2. Sobald sich die Kammer im Vakuum befindet, schalten Sie die Vakuumpumpe aus und injizieren Sie die Kammer mit CO₂ -Gas, bis sie den Druck von 7-8 mbar erreicht.
3. Aufrechterhaltung der relativen Luftfeuchtigkeit
   1. Injizieren Sie das Wasser in Schritten von 0,5 ml mit einer Swagelok-Spritze aus Edelstahl, die auf die Kammer aufgesetzt ist. Dadurch wird die relative Luftfeuchtigkeit allmählich erhöht.
      HINWEIS: Die Spritze ist wiederum mit einem Kugelhahn verbunden, so dass die Spritze zum mehrfachen Einspritzen von Wasser verwendet werden kann.
   2. Stellen Sie sicher, dass der Druck innerhalb der Grenzwerte liegt. Andernfalls lassen Sie den Druck ab, indem Sie das Ventil einstellen.

6. Experiment zur elektrischen Leitfähigkeit vs. relativen Luftfeuchtigkeit

Abbildung 3: Experiment zur elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zur relativen Luftfeuchtigkeit. Schritte des Versuchsprotokolls zur Durchführung des Kalibrierversuchs zur Ableitung des Verhältnisses der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der relativen Feuchte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

1. Schalten Sie die rotierende Vakuumpumpe ein, um die gesamte Luft aus der Kammer auszuspülen. Der Druck in der Kammer reduziert sich auf eine Größenordnung von ^10-3 mbar.
   HINWEIS: Die relative Luftfeuchtigkeit liegt nahe Null. Die Umgebungstemperatur des Arbeitstisches der Kammer liegt bei ca. 20 °C. Es kann zu einem Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit und der FLASCHE-Temperatur kommen (Deliqueszenz ist eine exotherme Reaktion), wenn der Druck reduziert wird.
2. Die Kohlendioxidatmosphäre vorsichtig aus der Gasflasche einspritzen, um einen Druck zwischen 7 und 8 mbar aufrechtzuerhalten.
3. Stellen Sie die Temperatur des Arbeitstisches auf einen bestimmten Wert ein, so dass der PT1000, der die Behältertemperatur misst, 20 °C aufzeichnet.
4. Warten Sie etwa 5 Minuten bei 20 °C, bis das Gleichgewicht erreicht ist, und beginnen Sie mit der Datenerfassung gemäß Schritt 7.
5. Injizieren Sie langsam Wasser mit dem Spritzensystem in die Kammer, halten Sie die relative Luftfeuchtigkeit bei 10 % und warten Sie 5 Minuten, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Wenn der Druck beim Erhöhen der relativen Luftfeuchtigkeit ansteigt, stellen Sie das Drehventil der Vakuumpumpe ein, um die zusätzliche Atmosphäre zu entfernen.
6. Durch Verlangsamung wird die relative Luftfeuchtigkeit auf 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % und 100 % erhöht. Halten Sie jeden Wert der relativen Luftfeuchtigkeit etwa 5 Minuten lang aufrecht, um ein Gleichgewicht zu erreichen, und beginnen Sie mit der Datenerfassung gemäß Schritt 7.
   HINWEIS: Damit ist eine Reihe von Kalibrierungsexperimenten gemäß dem in Abbildung 3 gezeigten Protokoll abgeschlossen.
7. Möglicherweise hat die Salzprobe inzwischen die Sole gebildet. Entsorgen Sie die Salzproben aus dem/den Behälter(n).
8. Erneuern Sie die Salzproben für das nächste Experiment nach Schritt 8.
9. Reduzieren Sie auf ähnliche Weise die Temperatur des Arbeitstisches, um die Behältertemperatur auf 15 °C, 10 °C, 5 °C, 0 °C, -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C und -30 °C zu halten. Bei jedem Stopp sind die Schritte 6.5 bis 6.8 zu wiederholen, um die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Salzproben durchzuführen.
   HINWEIS: Als Sicherheitsmerkmal schaltet sich der BOTTLE-Heizer unter -33 °C ein, um eine Temperatur zwischen -30 °C und -33 °C aufrechtzuerhalten. Daher haben wir Experimente bis -30 °C durchgeführt. Man kann sich aber auch für niedrigere Temperaturen entscheiden.
10. Der Anstieg von der kältesten Temperatur von -30 °C auf die Umgebungstemperatur konnte erreicht werden, indem das Experiment abgeschaltet, das Vakuum abgelassen und die Vordertür der Kammer geöffnet wurde, so dass sich die Umgebungsluft des Labors vermischen und die Behältertemperatur auf natürliche Weise erhöhen konnte. Für zusätzliche Daten kann man die Temperatur in der Kammer auf natürliche Weise ansteigen lassen. Es wird jedoch ein sehr langsamer Prozess sein und kann Bestellungen von 7-10 Stunden dauern.

7. Protokollierung und Speicherung der Daten

1. Verwenden Sie den eingebauten seriellen Monitor von Arduino oder eine serielle Monitorsoftware eines Drittanbieters (z. B. m Teraterm, Realterm usw.).
2. Konfigurieren Sie den Arduino so, dass er eine Stunde lang mit einer Frequenz von 1 Hz aus den Messkreisen liest, gefolgt von den ersten 5 Minuten jeder Stunde. Dies kann für die in Schritt 9 beschriebene marianische Tag-Nacht-Simulation zutreffen.
3. Stellen Sie die DC-Versorgungsspannung wie für die Messkreise angegeben ein.
   HINWEIS: Das Netzkabel von HABIT wird an eine Gleichstromversorgung von 28 V und die 2x USB-Datenanschlüsse an einen Laptop angeschlossen, auf dem die HABIT EQM LabView-Software installiert ist. Die Software unterstützt nur Windows 10.
4. Geben Sie den seriellen COM-Port für die Datenverbindung ein und führen Sie das Arduino-Programm aus.
   HINWEIS: Beziehen Sie sich auf den Geräte-Manager , um die richtigen COM-Ports zu identifizieren.
5. Erfassen Sie die Daten für die ersten 100 Sekunden und stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie den seriellen Monitor schließen. Denken Sie daran, die Daten aus dem Fenster des seriellen Arduino-Monitors zu kopieren.
6. Öffnen Sie einen Texteditor und fügen Sie die kopierten Daten ein, um sie in .txt oder .csv Datendateiformat zu speichern, um die Nachbearbeitung mit MATLAB oder Python zu vereinfachen.
   HINWEIS: Software von Drittanbietern verfügt möglicherweise über eine automatische Speicherfunktion.
7. Benennen Sie die Datendatei so, dass sie mit der Beschreibung des Experiments übereinstimmt.
8. Für die nächste Datenerfassung schalten Sie zunächst den Versuchsaufbau aus- und wieder ein, indem Sie die Gleichstromversorgung aus- und wieder einschalten und die Schritte 7.3 bis 7.7 wiederholen.
   1. Für die HABIT EQM LabView Software: Geben Sie im Reiter Main die beiden COM-Ports COM Port 1 und COM Port 2 ein, die jeweils einem der USB-Datenanschlüsse entsprechen. Klicken Sie auf Verbinden und dann auf Start für die Datenerfassung mit einer Frequenz von 1 Hz. Zeichnen Sie die Daten in den ersten 100 Sekunden auf.
   2. Zeigen Sie die erfassten Daten an, indem Sie auf die Registerkarte Debuggen und dann auf In Echtzeit-Datenansicht öffnen klicken. Es öffnet sich ein neues Fenster mit mehreren Registerkarten, die jeweils unterschiedlichen Messungen des HABIT-Instruments entsprechen. Für dieses Experiment beschäftigen wir uns mit den Registerkarten: "Zelle 2", "Zelle 3", "Zelle 4", "Zelle 5", "EU-Temperatur" und "CU-Temperatur". Die Daten werden als "Log.txt" im HEX-Format im Ordner "C:\LABVIEW\Data" des Laptops gespeichert. Ein erneuter Start der Software ersetzt die vorhandenen Daten in der Datei "Log.txt".

8. Erneuerung der Salzproben

HINWEIS: Dieser Schritt wird befolgt, um Trockensalzproben für jedes neue Experiment einzuführen.

1. Stoppen Sie das Experiment, trennen Sie vorsichtig die Kabel und entladen Sie den/die Experimentbehälter(n) aus der Simulationskammer.
2. Nehmen Sie den HEPA-Filter und die Salzproben vorsichtig aus dem/den Behälter(n) und geben Sie sie in separate, mit biologischer Gefährdung versiegelte Beutel.
   HINWEIS: Die Perchlorate und die anderen Salze sind nicht sicher für die Entsorgung in der Spüle mit fließendem Wasser oder bei der allgemeinen Abfallentsorgung. Es ist darauf zu achten, dass sie in Bio-Hazard-versiegelten Beuteln verpackt und gemäß den Normen für die Entsorgung chemischer Abfälle entsorgt werden. Wenn andere Proben untersucht werden, wie z. B. Regolithproben oder Polymere usw., können die Abfallprodukte so behandelt werden, wie es im Sicherheitsdatenblatt (SDB) dieser Produkte empfohlen wird.
3. Reinigen Sie die Behälter vorsichtig und setzen Sie sie für das nächste Experiment zurück.
4. Befolgen Sie die Schritte 2 bis 4, um die Salzproben in den/die Behälter(n) zu füllen und ihn wieder in die Simulationskammer zu legen.

9. Simulation eines Tag-Nacht-Zyklus auf dem Mars

Abbildung 4: Simulation eines Tag-Nacht-Zyklus auf dem Mars. Schritte des Experimentprotokolls zur Durchführung der Mars-Sol-Simulation. Bitte beachten Sie, dass die Schritte 6 und 7 aus Abbildung 3 umgeschaltet sind, da für die Tag-Nacht-Simulation auf dem Mars die relative Luftfeuchtigkeit zunächst über 80% eingestellt wird, bevor die Temperatur abnimmt (Tag-Nacht-Übergang). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

1. Führen Sie die Schritte 2 bis 4 aus, um das Demonstrationsexperiment einzurichten.
2. Führen Sie Schritt 7 aus, um die Datenprotokollierung des Experiments einzurichten und stündlich kontinuierliche Daten für die erste Stunde und die ersten 5 Minuten der Daten bei einer Frequenz von 1 Hz zu erfassen.
   HINWEIS: HABIT verwendet diese Art von Zeitplan, um mit einer guten Frequenz zu überwachen und eine übermäßige Exposition der Elektroden gegenüber Wechselstrom zu verhindern.
3. Simulation der Umgebungsbedingungen in Oxia Planum, Mars in der Kammer
   HINWEIS: Für diese Demonstration haben wir die Mars-Simulationskammer von SpaceQ, eine Einrichtung an der Technischen Universität Luleå, Schweden, verwendet, wie in Abbildung 4 gezeigt.
   HINWEIS: Oxia Planum ist der geplante Landeplatz von ExoMars 2022 auf dem Mars.
   1. Schalten Sie die rotierende Vakuumpumpe ein, um die gesamte Luft aus der Kammer auszuspülen. Der Druck im Inneren reduziert sich auf eine Größenordnung von ^10-3 mbar.
      HINWEIS: Die relative Luftfeuchtigkeit liegt nahe Null. Die Umgebungstemperatur des Arbeitstisches der Kammer liegt bei ca. 20 °C. Es kann zu einem Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit und der Behältertemperatur kommen (Delikoszenz ist eine exotherme Reaktion), wenn der Druck reduziert wird.
   2. Die Kohlendioxidatmosphäre vorsichtig aus der Gasflasche einspritzen, um einen Druck zwischen 7 und 8 mbar aufrechtzuerhalten.
   3. Injizieren Sie mit der Swagelok-Spritze langsam Wasser in die Kammer, um die relative Luftfeuchtigkeit allmählich zu erhöhen. Achten Sie darauf, das Drehventil der Vakuumpumpe so einzustellen, dass die zusätzliche Atmosphäre entfernt wird, wenn der Druck über die erforderlichen Grenzen ansteigt.
   4. Halten Sie den Kohlendioxid-Atmosphärendruck von ca. 7-8 mbar bei ca. 80% relativer Luftfeuchtigkeit.
   5. Öffnen Sie langsam den Wert des LN 2-Durchführungssystems, um die Temperatur des Arbeitstisches zu verringern und den Tag-Nacht-Übergang auf dem Mars zu simulieren. Beobachten Sie den möglichen Unterschied zwischen der Temperatur des Arbeitstisches und der Behältertemperatur.
      HINWEIS: Die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls kann durch Einstellen der Durchflussmenge des LN₂ gesteuert werden.
   6. Lassen Sie die Temperatur absinken, bis die Behältertemperatur -30 °C beträgt (Arbeitstischtemperatur von -70 °C), und schalten Sie dann den Durchfluss von LN₂ ab.
      HINWEIS: Als Sicherheitsmerkmal schaltet sich der BOTTLE-Heizer unter -33 °C ein, um eine Temperatur zwischen -30 °C und -33 °C aufrechtzuerhalten. Daher haben wir das Experiment bis -30 °C laufen lassen. Man kann sich aber auch für niedrigere Temperaturen entscheiden.
   7. Der Arbeitstisch und der/die Behälter(n) erwärmen sich langsam auf Umgebungstemperatur des Labors (Nacht-Tag-Übergang). Wahrscheinlich wird auch die relative Luftfeuchtigkeit zunehmen und damit auch der Druck. Denken Sie daran, das Drehventil der Vakuumpumpe zu betätigen, um den Überdruck abzuführen.
      HINWEIS: Hier meinen wir, mit der relativen Luftfeuchtigkeit die Menge an Wasserdampf in der Luft zu korrelieren. Da der Sensor für relative Luftfeuchtigkeit die Luft misst, kann man vernünftig sagen, dass je höher der Feuchtigkeitsgehalt, desto höher die relative Luftfeuchtigkeit. Wenn der Arbeitstisch zunächst auf -30 °C gefroren ist, kondensiert und gefriert der Wasserdampf auf dem Tisch, und wenn die Temperatur steigt, verdunstet dieses kondensierte Wasser bei marsianischem Druck und wird vom Sensor für relative Luftfeuchtigkeit als Feuchtigkeit in der Luft wahrgenommen. Die Veränderungen der relativen Luftfeuchte sind also auf eine Änderung des Wasserzustands und eine Abgabe von Frost vom Arbeitstisch an die Luft in Form von Dampf bei steigender Temperatur zurückzuführen.
   8. Wenn die Behältertemperatur 20 °C erreicht (ähnlich der Temperatur des Arbeitstisches), schalten Sie das Experiment ab, lassen Sie das Vakuum los und öffnen Sie die Vordertür der Kammer, um den Versuchsaufbau zu entfernen.

Ergebnisse

Die in HABIT erfassten Daten liegen im HEX-Format vor und werden vor der Analyse in das ASCII-Format konvertiert. Die Kalibrierexperimente stellten einen Zusammenhang zwischen den elektrischen Leitfähigkeitswerten her, die den Hydratformen der vier verschiedenen Salz-SAP-Gemische bei verschiedenen Marstemperaturen und relativen Luftfeuchtigkeitsbedingungen entsprechen. Das Verhältnis bei 25 °C ist in Abbildung 5A für Luft und in Abbildung 5B-5 E für die vier verschiedenen Salz-SAP-Gemische Calciumchlorid CaCl_2-SAP, Eisensulfat_{Fe 2}(SO₄)₃ - SAP, Magnesiumperchlorat Mg(ClO₄)₂ - SAP und Natriumperchlorat NaClO₄ dargestellt- SAP jeweils. Wir beobachteten und katalogisierten: i) die Variabilität der elektrischen Leitfähigkeitsmessungen in Abhängigkeit von der Temperatur und ii) die Bereiche der elektrischen Leitfähigkeit der Luft und der Salz-SAP-Gemische in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit. Diese Informationen werden für die Interpretation des Hydratationsgehalts der Salz-SAP-Gemische aus dem BOTTLE-Betrieb auf dem Mars unter Berücksichtigung der ermittelten elektrischen Leitfähigkeit, Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit von entscheidender Bedeutung sein.

In Abbildung 5A haben wir eine direkte Korrelation zwischen elektrischer Leitfähigkeit und relativer Luftfeuchtigkeit für Luft beobachtet. Da die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer durch Injektion von Wasser in Schritten von 0,5 ml erhöht wurde, erhöhte die Luft ihre relative Luftfeuchtigkeit, wie es unter Marsbedingungen der Fall ist. Die elektrische Leitfähigkeit stieg deutlich an. Die untere Elektrode ist vermutlich aufgrund ihrer Nähe zum Kühltisch kälter, was wiederum zu einer höheren RH und einem höheren EC führt. Für die gegebene Kombination von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit bei Marsdrücken während dieses Experiments haben wir auch eine maximale elektrische Leitfähigkeit (nicht temperaturkompensiert) von Luft bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 59% gemessen. Die Abbildungen 5B-5 E zeigen, dass alle vier Salz-SAP-Gemische Wasser in unterschiedlichem Ausmaß aufnahmen. Für Calciumchlorid und Natriumperchlorat wurde ein allmählicher Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit von RH = 0 % und für Eisensulfat und Magnesiumperchlorat ein Anstieg um RH = 40-50 % beobachtet. Alle Salz-SAP-Mischungen hatten den Maximalwert von 85 %, den Maximum, den wir in der Kammer erreicht haben.

Abbildung 5: Elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit (1 % - 85 %) bei 25 °C. (A) Luft, (B) Calciumchlorid, (C) Eisensulfat, (D) Magnesiumperchlorat, (E) Natriumperchlorat elektrische Leitfähigkeiten sind in einer logarithmischen Skala zur Basis 10 dargestellt. Die Electronics Unit (EU) verzeichnete eine mittlere Temperatur von 25,27 °C (Min: 24,12 °C, Max: 25,95 °C), die Container Unit (CU) verzeichnete einen Temperaturanstieg von 19,6 °C auf 32,91 °C als Folge der exothermen Wasseraufnahme. Die mittlere Temperatur des Arbeitstisches betrug 19,11 °C und die mittlere Lufttemperatur 19,16 °C. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die elektrische Leitfähigkeit eines Salzes hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Am Ende des Experiments stellten wir fest, dass Eisensulfat am wenigsten hydratisiert war (siehe Abbildung 7) und eine elektrische Leitfähigkeit aufwies, die niedriger war als die der Luft. Auch die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden ist empfindlich gegenüber dem Kontaktbereich mit dem Salz+SAP-Gemisch. Ein Teil des körnigen Materials, einschließlich SAP, kann ein besserer Isolator sein als befeuchtete Luft. Die Luft im leeren Behälter hatte einen ausreichenden Feuchtigkeitsgehalt, der sich frei bewegte, was zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führte (siehe Abbildung 5A) als das Eisensulfat, das keinen Beitrag in Bezug auf genügend absorbiertes Wasser leistete, um ein signifikantes elektrisches Leitfähigkeitssignal zu zeigen (siehe Abbildung 5C). Wir beobachteten auch Wassertropfen in den leeren Behältern am Ende der Experimente, was zeigte, dass die Luft zwischen den Elektroden an einem bestimmten Punkt gesättigt war und die Bildung von Nebel ermöglichte und ein Teil davon an den Seiten kondensierte, wie in Abbildung 5A zu sehen ist. Das Fehlen einer niedrigen Elektrodenleitfähigkeit könnte bedeuten, dass die Salzpartikel, die mit der unteren Elektrode in Kontakt kommen, vollständig gefroren sind (am kältesten an der Unterseite des Instruments, da es direkt mit dem Arbeitstisch der Kammer in Kontakt kommt) und keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Als Demonstrationsübung des HABIT-Betriebs auf dem Mars nach einer erfolgreichen Landung Anfang 2021 haben wir eine Sol der Umgebungsbedingungen auf Oxia Planum, dem geplanten Landeplatz der ExoMars 2022-Mission, simuliert. Die erzielten Ergebnisse ahmen den Tag-Nacht-Zyklus des BOTTLE-Betriebs auf dem Mars nach und liefern Daten aus erster Hand unter relevanten Bedingungen. Abbildung 6 zeigt, dass während der Simulation des Tag-Nacht-Zyklus auf dem Mars in allen Salz-SAP-Gemischen Deliqueszenz beobachtet wurde. Die Abbildungen 6C-6 F zeigen die elektrischen Leitfähigkeitswerte der vier verschiedenen Salz-SAP-Gemische Calciumchlorid CaCl_2-SAP, Eisensulfat_{Fe 2}(SO₄)₃ - SAP, Magnesiumperchlorat Mg(ClO₄)₂ - SAP bzw. Natriumperchlorat NaClO_4-SAP.

Abbildung 6: Kalibrierte elektrische Leitfähigkeitsmessungen der Mars-Sol-Simulation. (A) Druck und relative Luftfeuchtigkeit, (B) Boden- und Lufttemperatur, (C) Calciumchlorid, (D) Eisensulfat, (E) Magnesiumperchlorat, (F) Natrium-Perchlorat, elektrische Leitfähigkeiten (im logarithmischen Maßstab mit Basis 10) und (G) Temperaturen der Elektronikeinheit (EU) und der Behältereinheit (CU) oder der FLASCHE sind dargestellt. Vertikale Linien mit eingekreisten Zahlen zeigen verschiedene Phasen der Simulation an. 0-1: Abpumpen von Luft, um ein Vakuum und Kohlendioxid-Injektion zu erreichen, um einen Druck von 7-8 mbar bei konstanter Temperatur aufrechtzuerhalten, 1-2: Wasserinjektion, um die relative Luftfeuchtigkeit bei konstanter Temperatur zu erhöhen, 2-3: Kühlen des Arbeitstisches, um die Temperatur zu senken (Tag-Nacht-Übergang), begleitet von einer Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit, und 3-4: Abkühlen des Arbeitstisches, um die Temperatur zu erhöhen (Nacht-Tag-Übergang), begleitet von einer Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der anfängliche Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit kann auf den schnellen Druckabfall bei gleichbleibend hoher relativer Luftfeuchtigkeit zurückgeführt werden, wodurch der Prozess der Wasseraufnahme beschleunigt wurde, gefolgt von der Ausgasung des restlichen Wassers in der Mischung. Dies stimmte auch mit der Exothermizität des Wassereinschlussprozesses durch die Salze überein. Der Temperaturanstieg in der Elektronikeinheit (EU) und der FLASCHE kann eine Kombination aus einer schnellen Druckentlastung (bei konstantem Volumen) und dem exothermen Verhalten der Salz-Wasser-Wechselwirkung sein. Der gegen 13:00 Uhr beobachtete Druckabfall könnte mit dem Erreichen der niedrigsten Temperatur im Arbeitstisch in Verbindung gebracht werden, was auch mit einem leichten Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit zusammenfällt. Bei kälteren Temperaturen verhielt sich der Arbeitstisch wie eine Wassersenke, die die Wassertröpfchen gefrierte, so dass die relative Luftfeuchtigkeit niedrig war. Während dieser Phase des Tag-Nacht-Übergangs auf dem Mars gab es weniger signifikante Anzeichen in den elektrischen Leitfähigkeitskurven. Aber während des Nacht-Tag-Übergangs, als die Temperatur und damit auch die relative Luftfeuchtigkeit anstieg, begann das Salz-SAP-Gemisch stetig Wasser einzufangen, wie der Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit im späteren Teil des Experiments zeigte, der sich auch in dem plötzlichen Anstieg der FLASCHE-Temperatur widerspiegelte. Die endgültigen elektrischen Leitfähigkeitswerte zeigten das Ausmaß der Wasseraufnahme durch jedes der vier Salz-SAP-Gemische, wie in Abbildung 7 dargestellt. Alle Salz-SAP-Gemische fingen Wasser auf, und insbesondere das Calcium-Chlorid-Salz-SAP-Gemisch erzeugte flüssige Sole. Der maximale elektrische Leitfähigkeitswert der CaCl_2-Sole von ̴100 μScm-1 stimmt mit der Literatur^{überein 31}.

Abbildung 7: Bilder der Salz-SAP-Gemische. (A) vor und (B) nach der Mars-Sol-Simulation. Von links nach rechts: Anfangsbedingungen von je 1,5 g Calciumchlorid, Eisensulfat, Magnesiumperchlorat, Natriumperchlorat mit 0,75 g SAP in jedem Salz. Calciumchlorid in der linken Ecke erzeugte flüssige Sole, die ebenfalls relevante elektrische Leitfähigkeitswerte von ̴100 μScm-1 aufwies. Auch alle anderen Salz-SAP-Gemische fingen beträchtliche Mengen an Wasser ein, die auf den Bildern nass erschienen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diskussion

Dies ist der erste Versuch, die elektrische Leitfähigkeit des Solebildungsprozesses unter Vakuum- oder Marsdruckbedingungen zu charakterisieren. Das Schlüsselelement dieses Experiments besteht darin, den Tag-Nacht-Zyklus des Mars mit der Mars-Simulationskammer zu simulieren, um die Salze zu untersuchen. Die Ergebnisse der Salzdeliqueszenz werden als repräsentatives Ergebnis dargestellt, wobei der Fokus mehr auf dem Erreichen der erforderlichen Bedingungen liegt, um die Marsumgebung zu simulieren. Mit diesem ersten Experiment verstehen wir nun den Prozess und die Grenzen der Kammer, wie sie im Diskussionsteil des Manuskripts erwähnt werden. In den zukünftigen Experimenten werden wir dieses Protokoll für verschiedene wissenschaftliche Experimente befolgen, die für den Prozess auf dem Mars relevant sind. Frühere Studien haben die Messungen der elektrischen Leitfähigkeit bei Umgebungslabordrücken^{durchgeführt} 27,28,29. Die Messung bei niedrigeren Drücken stellt eine Herausforderung dar und erforderte daher eine Änderung des Protokolls, das für die Erddruckbedingungen verwendet wird. Während einer vorangegangenen Kalibrierungskampagne in einer Klimakammer unter Umgebungsdruck wurden vor jedem Versuchssatz verschiedene Hydrate durch Zugabe definierter Mengen Salz und Wasser hergestellt, um den Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Salzhydratform bei verschiedenen Marstemperaturen abzuleiten³¹. Aber bei marsianischem Druck wird das hinzugefügte Wasser, das zur Bildung von Hydraten verwendet wird, schließlich ausgasen, wenn der Druck reduziert wird, daher begannen wir jedes Experiment mit einem trockenen Salz-SAP-Gemisch und regulierten die relative Luftfeuchtigkeit, um durch verschiedene Hydratformen überzugehen.

Frühere Studien, in denen der Solebildungsprozess mit Raman-spektroskopischen Methoden beobachtet wurde, wurden im Allgemeinen mit einem einzelnen Granulat des Salzpartikels in einer Umweltzelle durchgeführt und die Phasenübergänge im O-H-Streckbereich der Raman-Spektren^{beobachtet 1,9,18}. Die Charakterisierung der elektrischen Leitfähigkeit des Solebildungsprozesses erwies sich als empfindlicher gegenüber intermediären Phasenübergängen als die bestehende Raman-Spektroskopie und lieferte eine kontinuierliche Zeitreihe des Solebildungsprozesses²⁷. In unseren Experimenten haben wir auch gezeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit eine praktikable Messoption für Salzproben in großen Mengen mit guter Präzision ist.

Bei der Entwicklung des elektrischen Leitfähigkeitsmesssystems für das HABIT-Instrument hatten wir Herausforderungen zu lösen. Die Auswahl des Elektrodenmaterials erfolgte nach seiner Korrosionsbeständigkeit und der Oberflächenglätte, um sporadische Störungen bei den elektrischen Leitfähigkeitsmessungen zu vermeiden. Die hygroskopischen Salze klettern manchmal durch Kapillarität an den Wänden des Behälters nach oben, so dass die Wahl einer hydrophoben Beschichtung unerlässlich ist. Wir verwendeten eine Beschichtung auf Basis einer Epoxidharzzusammensetzung, die ein Aufsteigen der Kapillare in der Sole verhinderte. Auch die elektrischen Eigenschaften wie die Spannung des elektrischen Impulses, seine Frequenz und der Referenzwiderstand der Strommessung waren entscheidend für das Design. BOTTLE verwendet eine Bias-Spannung von ±2,048 V mit einem elektrischen Impuls von ±70 mV und ±700 V für den Modus mit niedriger und hoher Leitfähigkeit. Die elektrischen Impulse bei 1 kHz passieren eine Goldelektrode und über die Salzproben zur Untersuchung und werden an einer Goldelektrode auf der anderen Seite mit 10 k-Ohm und 100 Ohm Referenzwiderständen für niedrige bzw. hohe Leitfähigkeit ausgelesen.

Da jedes der Experimente zur Charakterisierung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit eine konstante und stabile Temperatur erforderte, ist das Protokoll so konzipiert, dass es innerhalb der Temperaturstabilitätsgrenzen der Mars-Simulationskammer liegt. Aufgrund der thermischen Isolierung besteht ein beobachtbarer Unterschied zwischen der Temperatur des Arbeitstisches (geregelt durch das LN_{2-Durchführungssystem} der Kammer) und der BOTTLE-Temperatur. Das bedeutet, dass die Temperatur des Arbeitstisches nicht immer identisch mit der Temperatur der FLASCHE ist und die Differenz für eine optimale Versuchsbedingung berücksichtigt werden muss.

Zukünftige Experimente in der Mars-Simulationskammer werden unter anderem die Ableitung eines Zusammenhangs zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Luft und der relativen Luftfeuchtigkeit bei verschiedenen Temperaturen beinhalten. Während der Mars-Sol-Simulation haben wir eine mögliche Korrelation zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit der Luft und ihrer elektrischen Leitfähigkeit beobachtet. Dies kann für die Kalibrierung der beiden leeren Zellen an den beiden Enden der FLASCHE relevant sein und in die Kalibrierung der Salz-SAP-Gemische integriert werden, um eine genauere Interpretation ihres Hydratationsniveaus zu ermöglichen. Zur Durchführung dieses Experiments können leere Versuchsbehälter ohne Salzproben nach dem gleichen Versuchsprotokoll angepasst werden.

Das beschriebene Versuchsprotokoll bietet eine einfachere, leicht anpassbare alternative Möglichkeit zur Überwachung des Solebildungsprozesses, die auch auf andere Proben angewendet werden kann, die mit der Luftfeuchtigkeit interagieren können. Es könnte eine Ergänzung für Studien zum Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Solen sein, die von Meersalzgemischen gebildet werden, die zur Definition der Bedingungen anwendbar sind, unter denen Solen mit Kanisteroberflächen reagieren können, die im Allgemeinen zur Lagerung von Kernbrennstoffen und nuklearen Abfällen verwendet werden^33,34. Die korrosiven Eigenschaften von Solen für verschiedene Materialien können unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht werden, indem das Protokoll angepasst wird. Wir haben dieses Protokoll angewendet, um die zerfließenden Eigenschaften von vier Gemischen aus Salz und SAP zu untersuchen, die wir an Bord des HABIT-Instruments zum Mars transportieren. Die hygroskopischen Eigenschaften von Salz oder Salzgemischen in jeglicher Form, beispielsweise Rauchpartikeln, können jedoch auf ihr wolkenbildendes Potenzial analysiert werden²⁴. Das Experimentprotokoll könnte auch angewendet werden, um verschiedene Phänomene im Zusammenhang mit der Atmosphäre und der Oberfläche auf dem Mars und anderswo in einem Labor zu simulieren.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
84 &Mikro; S/cm und 1413 µ S/cm Leitfähigkeits-Kalibrierstandard	Atlas Scientific	CHEM-EC-0.1
Arduino Uno	Arduino	8058333490090
Calciumchlorid	Sigma Aldrich	CAS-Nummer: 10043-52-4	Wasserfrei, rieselfähig, ≥ 96%
Kohlendioxid-Gasflasche	AGA Gas
Experimentierbehälter			3D-gedruckt in PLA oder gefräst in Aluminium/anderes Metall
EZO Leitfähigkeitsschaltung	Atlas Scienbsp;	EZO-EC
EZO RTD-Schaltung	Atlas Scienbsp;	EZO-RTD
Eisen(	Sigma Aldrich	CAS-Nummer: 15244-10-7	97%
Goldelektroden			Kundenspezifischer
HEPA-Filter	Nitto	NTF9317-H02
Flüssigstickstofftank	AGA Gas
Magnesiumperchlorat	Sigma Aldrich	CAS-Nummer: 10034-81-8	Rieselfähig, ≥ 99.0%
Manometer	Pirani	CCPG− H2− 1	1x10-9  bis 1000 mbar
PT100 Sensor
PT1000 Sensor
Scotch-Weld Epoxy Adhesive	3M	EC-2216 B/A
Natriumperchlorat	Sigma Aldrich	CAS-Nummer: 7601-89-0	Rieselfähig, ≥ 98,0%
Natriumsalz der Alginsäure (SAP)	Sigma Aldrich	CAS-Nummer: 9005-38-3	Pulver
Steriles Wasser	VWR Chemicals BDH	CAS-Nummer: 7732-18-5 VWR: 75881-014	Wasser ASTM Typ II, Reagenzqualität
Swagelok Spritze	Fischer wissenschaftlich	KD Scientific 780812
T/RH-Sonde	Vaisala	HMT 334	(-70 bis + 180C) und (0 bis 100 % RH)
Teraterm
Whitebox Labs Tentakel Shield	Atlas Scientific	TEN-SH