Het meten van elektrische geleidbaarheid om de vorming van pekel onder Marsomstandigheden te bestuderen

Samenvatting

Het doel van het protocol is het monitoren van de hydratatie van zouten en het pekelvormingsproces. Elektrische geleidbaarheid wordt gebruikt als meettechniek. De experimenten worden uitgevoerd in een gesimuleerde Marsomgeving van temperatuur, relatieve vochtigheid en kooldioxide-atmosfeer.

Samenvatting

Dit artikel beschrijft een protocol voor het ontwerpen van experimenten om de vorming van pekel onder Marsomstandigheden te bestuderen en het proces te monitoren met elektrische geleidbaarheidsmetingen. We hebben het Engineering Qualification Model (EQM) van Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022-instrument gebruikt voor de opzet van het experiment, maar we geven een kort overzicht van het bouwen van een eenvoudige en goedkope opstelling voor het meten van elektrische geleidbaarheid. Het protocol dient om de elektrische geleidbaarheidsmetingen van de zoutdeliquescentie in pekel te kalibreren in een gesimuleerde Marsomgeving. De Marsomstandigheden van temperatuur (-70 °C tot 20 °C), relatieve vochtigheid (0% tot 100%) en druk (7 - 8 mbar) met kooldioxide-atmosfeer werden gesimuleerd in de SpaceQ Mars-simulatiekamer, een faciliteit aan de Luleå University of Technology, Zweden. De hydraatvorm van de bekende hoeveelheid zout die tussen een paar elektroden is ondergebracht en dus de gemeten elektrische geleidbaarheid hangt voornamelijk af van het watergehalte en de temperatuur en relatieve vochtigheid van het systeem. Elektrische geleidbaarheidsmetingen werden uitgevoerd bij 1 Hz, terwijl zouten werden blootgesteld aan een continu toenemende relatieve vochtigheid (om de overgang door verschillende hydraten te forceren) bij verschillende temperaturen op Mars. Ter demonstratie werd een dag-nachtcyclus op Oxia Planum, Mars (de landingsplaats van de ExoMars 2022-missie) nagebootst.

Inleiding

Een van de belangrijkste onderzoeksthema's van planetaire exploratie is de watercyclus, maar het is moeilijk om een algemene, robuuste en schaalbare procedure te ontwerpen die het mogelijk maakt om de interactie van de atmosfeer met de grond te volgen. Laboratoriumsimulaties kunnen de planetaire atmosferen, oppervlakken en de interacties binnenin nabootsen. Het brengt echter een uitdaging met zich mee, van het aanschaffen van de benodigde apparatuur tot het opleiden van personeel. Dit artikel beschrijft een protocol voor het ontwerpen van experimenten om de vorming van pekel te bestuderen onder Mars-omstandigheden van temperatuur, relatieve vochtigheid en kooldioxide-atmosfeer, en bewaakt het proces met elektrische geleidbaarheidsmetingen. We geven ook een kort overzicht van het bouwen van een eenvoudige en goedkope opstelling voor het meten van elektrische geleidbaarheid. Het protocol kan worden aangepast om soortgelijke experimenten in vacuüm of andere planetaire atmosferen te ontwerpen.

Belang van studies naar pekelvorming
Hygroscopische zouten kunnen atmosferische waterdamp absorberen om vloeibare oplossingen te vormen in een proces dat deliquescence wordt genoemd. Dit proces creëert pekel onder gunstige omstandigheden op het oppervlak van de aarde en Mars die waarschijnlijk in bepaalde tijden en op bepaalde plaatsen zal bestaan. Het omgekeerde proces dat uitbloeiingen wordt genoemd, is ook mogelijk wanneer de pekel onder ongunstige omstandigheden uitdroogt. Het aannemelijke bestaan van pekel op het oppervlak of de ondergrond van Mars heeft verschillende implicaties voor de huidige terrestrische en Marsstudies. Bovendien kunnen zouten watermoleculen hydrateren, vasthouden en afgeven, wat ook de watercyclus en de eigenschappen van de regoliet beïnvloedt.

Er is een toenemende internationale belangstelling voor het bepalen van de temperatuur, relatieve vochtigheid en drukomstandigheden die gunstig zijn voor de vorming van pekel als gevolg van delicentie van zouten en zoutmengsels, zowel voor de aarde als voor Mars. Veldwaarnemingen van de donkere, steil hellende watersporen in de buurt van het stroomgebied van de Don Juan Pond (DJP) en de vorming van natte plekken in de McMurdo Dry Valleys op Antarctica zijn toegeschreven aan de pekelvorming in de calciumchloriderijke sedimenten¹.

Deze resultaten zijn ook gevalideerd met laboratoriumexperimenten die de lage temperaturen tussen -30 °C en 15 °C en een relatieve vochtigheid tussen 20% en 40%² simuleren. Chloridehoudende evaporieten in de Yungay-regio in de hyperdroge kern van de Atacama-woestijn, Chili, kunnen water absorberen en microbieel leven herbergen³. De processen die plaatsvinden in de DJP en de droogste plaatsen op aarde, zoals de Atacama-woestijn, kunnen analoog zijn aan verschillende van de Marsstudies die suggereren dat soortgelijke processen zouden kunnen plaatsvinden op de huidige Mars 1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16. Recente teledetectiewaarnemingen van de Salar de Uyuni (Boliviaanse Altiplano) hebben een soortgelijk proces beschreven als wat op Mars wordt waargenomen vanuit baan¹⁷. Ondanks barre omstandigheden kan het door deliquescence aangedreven pekelvormingsproces vloeibaar water in hoeveelheden houden die groot genoeg zijn om bacteriekolonies diep in de zoutknobbeltjes te laten gedijen³. Dit is interessant voor astrobiologen en planetaire wetenschappers.

Dagelijkse absorptie en desorptie van het atmosferische vocht door de vervloeiende zouten in de regoliet van Mars is gerapporteerd ^4,5. Het pekelvormingsproces van perchloraten op Mars is al bestudeerd, waarbij de veranderingen in fase of hydratatietoestand van individuele zoutdeeltjes zijn waargenomen ^1,9,18. Er zijn ook verschillende pekelgerelateerde onderzoeken uitgevoerd onder Mars-relevante omstandigheden om de relatieve vochtigheidswaarden te bepalen waarbij Mars-relevante zouten en zoutmengsels deliquescentie en uitbloeiingen zullen ondergaan 19,20,21. Anderen hebben deze experimentomstandigheden gebruikt om de verdampingssnelheden van pekel bij Marstemperatuur, relatieve vochtigheid en kooldioxide-atmosfeer te bestuderen²².

Methoden voor het opsporen en monitoren van pekelvorming
Er bestaan verschillende methoden om het pekelvormingsproces te volgen. Visuele waarneming en beelden in de zichtbare golflengten zijn het eenvoudigst. Het wegen van de zouten om de toename in massa te volgen, zou heel goed kunnen worden gebruikt²³. Meestal worden de omgevingsparameters zoals temperatuur, relatieve vochtigheid en druk gemonitord om de waarnemingen goed te interpreteren. Sommige studies gebruikten een hygrometer. De hygroscopische eigenschappen van de zouten kunnen ook worden gemeten met differentiële mobiliteitsanalysatoren of elektrodynamische balansen, maar hun werking is niet nauwkeurig genoeg boven een relatieve vochtigheid van 90%²⁴. In recente studies zijn transmissie- en scanning-elektronenmicroscopen (TEM en SEM) op grote schaal gebruikt. Beide microscopen hebben omgevingscellen die het mogelijk maken om de interactie van water met individuele zoutdeeltjes te bestuderen²⁴. De faseveranderingen en overgangen in individuele zoutdeeltjes worden over het algemeen gedetecteerd met optische, infrarood (IR) of Raman-spectroscopie die is opgenomen in de experimentele opstelling 8,13,19,20,25. Bestaande spectroscopische methoden bieden goede waarnemingslimieten en een duidelijke detectie van faseveranderingen, maar ze zijn niet compatibel voor het monitoren van bulkzoutmonsters en voor de continue monitoring van het pekelvormingsproces tijdens de tussenstadia van faseovergangen. Bovendien zijn de op laser gebaseerde microscopische apparaten zoals de 'Raman-microscoop' duur en kunnen ze een complexe experimentele opstelling vereisen.

Als meettechniek gebruiken we elektrische geleidbaarheid. Metingen ter bepaling van de relatieve vochtigheid waarbij de zouten deliquescentie ondergaan, zijn uitgevoerd met behulp van elektrische geleidbaarheid waarbij de afgeleide waarden goed overeenkwamen met die bepaald met behulp van een standaard hygrometer²⁶. De tijdreeksen van het pekelvormingsproces van de vervloeiende zouten zijn eerder bestudeerd met behulp van elektrische geleidbaarheid door Heinz et ^al.27. Hier gebruikten ze een mengsel van JSC Mars-1a-simulant en perchloraten of chloriden. De elektrische geleidbaarheidstechniek is ook gebruikt om vloeibaar of bevroren water in bodems^{te detecteren 28,29}. Het voordeel van deze methode is dat deze zowel op kleine als middelgrote monsters kan worden toegepast, zolang ze zich in de ruimte tussen de twee elektroden bevinden.

Dit protocol kan nuttig zijn om soortgelijke experimenten te ontwerpen waarbij de temperatuur en relatieve vochtigheid in vacuüm worden gecontroleerd of de buitenaardse atmosferen zoals Mars en andere worden gesimuleerd.

Figuur 1: Opbouw van de experimentopstelling. Een blokschema met een eenvoudige opstelling voor het meten van de elektrische geleidbaarheid, bestaande uit de belangrijkste componenten zoals elektroden, meetcircuits en een Arduino. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De elektrische geleidbaarheid van pekel kan worden gemeten met een eenvoudige, goedkope opstelling, zoals weergegeven in figuur 1. De specifieke producten om de opstelling te bouwen, worden gegeven in de materiaaltabel. De opstelling bestaat voornamelijk uit een paar metalen elektroden van dezelfde afmetingen, gescheiden door een bekende afstand waarbinnen de zout of zoutmengsels voor het onderzoek zijn ondergebracht. Een PT1000 weerstandstemperatuurdetector kan worden gebruikt om de temperatuur van de zouten te meten. Een van de platte uiteinden van de elektroden kan aan elke klem van een afgeschermde coaxkabel worden gesoldeerd. Op dezelfde manier kunnen de twee klemmen van de sensor worden gesoldeerd aan een andere afgeschermde coaxkabel. De andere uiteinden van elk van deze coaxkabels kunnen worden aangesloten op de circuits om respectievelijk de elektrische geleidbaarheid en de temperatuur te meten. Een Arduino-bord en een eenvoudige seriële gegevensmonitor kunnen worden gebruikt om de gegevens op te halen en op te slaan.

In het kader van dit experiment gebruiken we het Engineering Qualification Model (EQM) van het HABIT/ExoMars 2022-instrument, de dichtstbijzijnde replica van het Flight Model (FM) dat in 2022 naar Mars zal worden gevlogen. HABIT staat voor HabitAbility: Pekel, Bestraling en Temperatuur. Het is een van de twee Europese payloads in het ExoMars 2022 Surface Platform Kazachok en heeft als doel de bewoonbaarheid van de landingsplaats, Oxia planum, Mars te bestuderen. Het Brine Observation Transition To Liquid Experiment (BOTTLE) is een van de onderdelen van het HABIT-instrument met als doel de stabiliteit van vloeibaar water op Mars³¹ aan te tonen. Het hier beschreven protocol dient om de elektrische geleidbaarheidsmetingen te kalibreren als functie van pekelvorming onder Marsomstandigheden van temperatuur, relatieve vochtigheid en kooldioxide-atmosfeer³¹. Dit wordt toegepast om de gekalibreerde elektrische geleidbaarheidsmetingen van BOTTLE op te halen die helpen bij de detectie van het proces van vloeibare pekelvorming op Mars, wat een van de primaire missiedoelstellingen is¹⁸. Met kalibratie bedoelen we hier kalibratie op experimentniveau. Kalibratie op instrumentniveau wordt uitgevoerd met het bepalen van de geometrische celconstanten van elk elektrodepaar en met kalibratiestandaarden van bekende elektrische geleidbaarheid³¹.

Protocol

1. Opbouw van de experimentopstelling voor het meten van elektrische geleidbaarheid

1. Kies de afmetingen van de elektroden en de afstand tussen het elektrodepaar. De afmetingen van de elektroden zijn afhankelijk van de afmetingen van de monsterhouder en daarmee van de hoeveelheid gebruikte zouten. De afmetingen van de hieronder vermelde afmetingen van de HABIT BOTTLE-container kunnen als referentie worden genomen voor de monstercontainer en de hoeveelheid zouten kan worden verwezen vanaf stap 2.1. De geometrische celconstante kan worden afgeleid uit vergelijking (1).
   (1)
   waarbij, d - afstand tussen het elektrodepaar, en
   A - Oppervlakte van de elektroden (= Lengte x Breedte).
   De geometrische celconstante, K, bepaalt het elektrische geleidbaarheidsbereik waarvoor de meetopstelling gevoelig is. K = 1 ^cm-1 kan bijvoorbeeld meten in het bereik van 5 - 200.000 μScm-1, terwijl K = 10 ^cm-1 kan meten in het bereik van 10 μScm-1 - 1 ^Scm-1. Er kunnen verschillende niveaus van elektrodeparen zijn. De materiaalkeuze kan zijn van koper, platina, goud, enz. Verschillende langetermijnexperimenten in de fabriek van Omnisys Instrument AB, Zweden, met goud- en platina-elektroden, waarbij gelijkstroom (DC) in pekelmedium wordt doorgegeven, hebben aangetoond dat gouden elektroden de voorkeur hebben in termen van betere corrosiebestendigheid voor deze operatie.
   OPMERKING: HABIT heeft in totaal 16 elektrodeparen met de mogelijkheid om zes verschillende zouten op drie niveaus te bestuderen (twee hoekcellen meten alleen met lage en middelste elektrodeparen) gescheiden in een container met afmetingen 25 mm x 15 mm x 15 mm (L x B x H). BOTTLE maakt gebruik van drie niveaus van elektrodeparen met afmetingen: laag: 1,6 x 0,4, midden: 1,6 x 0,2, hoog: 1,6 x 0,2, gescheiden op 2,5 cm, wat een celconstante oplevert van 3.9062 ^cm-1 en 7,8125 ^cm-1. De metingen werden uitgevoerd met behulp van een optisch meetsysteem (bijv. Mitutoyo MF 176).
2. Bereid een bak voor met vlakke oppervlakken om de zouten vast te houden om te bestuderen, zoals weergegeven in afbeelding 1. De grootte van de container kan worden gekozen afhankelijk van de geometrische afmetingen van de elektroden en de afstand tussen het elektrodepaar waar de zouten zich bevinden. De configuratie van meerdere containers kan worden aangepast. De containers kunnen 3D-geprint zijn in PLA of bij voorkeur gefreesd met aluminium of ander metaal, ze moeten worden beschermd tegen waterverlies als damp- of vloeistoflekkage door de wanden.
3. Bereid de epoxy 2216 harscoating voor en breng deze aan op de wanden van de container(s). Laat het een uur intrekken om uit te harden en de gecoate recipiënt(en) uit te harden bij 66 °C gedurende 2 uur.
   OPMERKING: De epoxycoating kan worden opgelost in een oplosmiddel en worden gespoten voor het beste resultaat.
4. Plaats het elektrodepaar op de tegenoverliggende wanden van de container(s) en lijm ze vast met de epoxy 2216-hars die al is aangebracht.
5. Gebruik een lange afgeschermde coaxkabel en soldeer de uiteinden aan één kant aan het contactpunt van elk van de elektroden in een paar.
6. Sluit het andere uiteinde van de afgeschermde coaxkabel aan op de twee klemmen van het elektrische geleidbaarheidsmeetcircuit.
   NOTITIE: Een eenvoudig meetcircuit voor elektrische geleidbaarheid kan worden gebouwd met één aansluiting op een wisselstroombron om elektrische pulsen op een bepaalde frequentie te genereren en de andere klem op een voltage delercircuit om de voltage val over het elektrodepaar. De digitale uitgangspennen van Arduino kunnen in Pulse Width Modulated (PWM) modus worden gebruikt om de benodigde wisselspanning op te wekken. Wisselspanning wordt gebruikt om corrosie van de elektroden te voorkomen. De spanningsval over het elektrodepaar kan ook worden gemeten met de analoge ingangspinnen van de Arduino met zijn ingebouwde 10-bits analoog-naar-digitaal-converter (ADC). Andere commerciële circuits zijn ook beschikbaar.
7. Gebruik op dezelfde manier koelpasta om de PT1000 weerstandstemperatuurdetector (RTD) op een van de wanden van de container(s) te lijmen.
8. Gebruik een andere lange afgeschermde coaxkabel om de ene kant aan te sluiten op de twee klemmen van de PT1000-sensor en de andere kant op een temperatuurmeetcircuit.
   OPMERKING: Een eenvoudig temperatuurmeetcircuit kan worden gebouwd met één aansluiting op een DC-spanningsbron en de andere klem op een spanningsdelercircuit om de spanningsval over de PT1000-sensor te lezen die kan worden gemeten met de analoge ingangspinnen van de Arduino met zijn ingebouwde 10-bits analoog-naar-digitaal-converter (ADC). Andere commerciële circuits zijn ook beschikbaar.
   1. Om het HABIT-instrument voor te bereiden op de experimentele opstelling, scheidt u de kabelverbinding tussen de BOTTLE-component en de elektronica-eenheid (EU). Draai vervolgens de 8x M3-bouten van de FLES los om het bovendeksel en de HEPA-filterhouder te verwijderen om de zes open cellen bloot te leggen. Voordat u de zouten toevoert om te bestuderen, reinigt u de cellen en elektroden van de FLES, bij voorkeur met behulp van een elektrodereinigingsoplossing en een steriel wattenstaafje om vrij te zijn van deeltjes of vloeistoffen.
   2. Voer kalibratie uit van de elektrische geleidbaarheidsmetingen van de opstelling voordat de zouten worden toegevoerd, met behulp van een reeks kalibratiestandaarden met bekende elektrische geleidbaarheidswaarden om de kalibratiefunctiecoëfficiënten voor elk elektrodepaar te bepalen. Gebruik de elektrische geleidbaarheidsmeting van 0.0364 ^μScm-1 (als nul- of droogpunt) wanneer BOTTLE werd blootgesteld aan vacuümomstandigheden in een thermische vacuümkamer en op 25 °C werd gehouden als de elektrische geleidbaarheid van het systeem zonder absolute nul. Gebruik verder twee kalibratiestandaarden: 84 ^μScm-1 en 1413 μScm-1 om een tweepuntskalibratiefunctie af te leiden, zoals weergegeven in vergelijking (2).
      (2)
      waarbij, σ_gekalibreerd - Gekalibreerde werkelijke elektrische geleidbaarheid,
      σ_gemeten - Ruwe gemeten elektrische geleidbaarheid, en
      a_{2,a 1,a 0} - Polynomiale constanten
   3. Plaats de ruwe elektrische geleidbaarheid die door de opstelling is gemeten in de afgeleide kalibratiefunctie om een echte elektrische geleidbaarheidsmeting te verkrijgen.
      OPMERKING: De eerste kalibratie wordt uitgevoerd terwijl de temperatuur van het systeem op 25 °C wordt gehouden. Naarmate de temperatuur tijdens het experiment verandert, veranderen de elektrische geleidbaarheidswaarden. Omdat het ingewikkeld wordt om temperatuur- versus elektrische geleidbaarheidsfuncties bij verschillende temperaturen af te leiden, gebruiken we temperatuurgegevens alleen om de fasetoestand van de pekel te bepalen. Nazarious et ^al.31 heeft dit aspect in detail besproken.

2. Manipulatie van de vervloeiende zoutmonsters

1. Weeg een bepaalde hoeveelheid zout of monster af die in aanmerking komt voor het onderzoek. We wogen 1,5 g van elk van de vier verschillende zouten: calciumchloride CaCl₂, ijzersulfaat Fe₂(SO₄)₃, magnesiumperchloraat Mg (ClO₄)₂ en natriumperchloraat NaClO₄in individuele verpakkingen.
   LET OP: Sommige zouten, met name perchloraten, zijn bijtend en daarom moet elk contact met huid of oog worden vermeden.
   1. Gebruik de juiste chemische kleding, een veiligheidsbril en nitrilhandschoenen bij het hanteren van de zouten. In geval van contact met huid of oog, onmiddellijk spoelen met veel water en een arts raadplegen.
      OPMERKING: Naast de zouten hebben we 0,75 g natriumzout van alginezuur (Super Absorbent Polymer, SAP) toegevoegd aan elk van de vier containers met zout en grondig gemengd om een uniform zout-SAP-mengsel te verkrijgen. We gebruikten SAP als stollingsmiddel als veiligheidsmaatregel om te voorkomen dat de pekel door capillaire werking zou opstijgen en wegliep van het vluchtmodelinstrument. Terwijl de zouten gasvormig water uit de atmosferische omgeving absorberen, absorbeert het SAP water uit een vloeibare toestand, uit de vloeibare pekel van zouten zodra het ermee in contact komt. Het toevoegen van SAP was puur te wijten aan de technische beperkingen voor het opslaan van de zouten in aardse omstandigheden (voorafgaand aan de lancering van ExoMars in 2022) en heeft minder betekenis voor het experiment zelf. Bijgevolg is de elektrische geleidbaarheidsmeting het resultaat van het mengsel van zout + SAP + water dat wordt verwacht. Aangezien het doel van dit experiment is om de absorptie van water in het hele systeem te monitoren, worden de veranderingen in elektrische geleidbaarheid van de droge toestand van zout+SAP naar de gehydrateerde toestand relevant geacht voor interpretatie. De kalibratieprocedure werd ook uitgevoerd voor dezelfde zout+SAP-combinatie.
   2. Gebruik dezelfde zout- en SAP-mengsels en -gewichten die zijn gebruikt voor het vluchtmodel van de BOTTLE-component van het HABIT/ExoMars-instrument.

3. Het voeren van de zoutmonsters in de experimentopstelling

1. Breng in stap 2 voorzichtig het geheel van het eerder afgewogen zout over in de experimenteercontainer(s).
   OPMERKING: Het eerder gewogen zout-SAP-mengsel werd zorgvuldig overgebracht naar de vier cellen van BOTTLE in de volgende volgorde: Cel-2: calciumchloride CaCl₂, Cel-3: ijzer-sulfaat Fe₂(SO₄)₃, Cel-4: magnesium-perchloraat Mg(ClO₄)₄, Cel-5: natriumperchloraat NaClO₄. Cel-1 en cel-6 bleven leeg achter.
   1. Volg dezelfde volgorde in het vluchtmodel van BOTTLE, dus deze configuratie en dit experiment is gericht op de kalibratie en interpretatie van de werking ervan op Mars.
2. Maak het bovenoppervlak van de zouten zo waterpas dat ze de elektroden bedekken. Kies de hoeveelheid zouten om aan dit criterium te voldoen.
   OPMERKING: Elk zout-SAP-mengsel van BOTTLE woog in totaal 2,25 g en bedekte de lage elektrode in elke cel. Deze hoeveelheid is gekozen zodat de gevormde pekel niet overloopt.
3. Gebruik een HEPA-filter om de bovenkant van de container(s) af te dekken. Dit maakt interactie van zouten met de relatieve luchtvochtigheid van de gesimuleerde omgeving mogelijk.
   OPMERKING: Een op nylon gebaseerd HEPA-filter met een houderframe werd gebruikt om de zout-SAP-mengsels in BOTTLE af te dekken en het bovendeksel van BOTTLE werd vastgezet met 8x M3-bouten.

4. Installatie van de experimentopstelling in de simulatiekamer

1. Plaats de experimentcontainer(s) in de simulatiekamer³². Zorg voor een goed thermisch contact tussen de werktafel van de kamer en de container(s).
2. Plaats het elektrische geleidbaarheids- en temperatuurmeetcircuit buiten de kamer. Dit voorkomt temperatuurgeïnduceerde geluiden in de circuits die de metingen in gevaar kunnen brengen.
3. Maak de stroom- en dataverbinding tussen de meetcircuits en de container(s) via een tussenconnector van de simulatiekamer.
   OPMERKING: BOTTLE gebruikt een speciale splitkabel voor de 2x DB-9-connectoren van de EU naar de interne DB-25-connector van de kamer. De splitkabel is een op maat gemaakte stroom- en dataverbindingskabel die specifiek voor dit doel is. Vanaf de buitenkant van de DB-25-connector van de kamer werd een andere gesplitste kabel met de stroomaansluitingen aangesloten op een DC-voeding en de 2x USB-dataverbindingen op een laptop waarop de HABIT EQM LabView-software was geïnstalleerd.

5. Besturing van de simulatiekamer

Figuur 2: Besturing van de simulatiekamer³². Weergave van de Mars-simulatiekamer met zijn verschillende systemen voor het regelen van temperatuur, relatieve vochtigheid en kooldioxidedruk. Ook de stopcontacten voor stroom- en dataaansluitingen worden weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Handhaving van de temperatuur van de werktafel tussen 20 °C en -30 °C
   NOTITIE: De temperatuur van de werktafel wordt geregeld met behulp van het doorvoersysteem voor vloeibare stikstof (LN₂) volgens het protocol dat wordt weergegeven in afbeelding 2. In eerste instantie wordt de kamer op de omgevingstemperatuur van het laboratorium gehouden.
   1. Open de klep voor het debiet van LN₂. De temperatuur zal beginnen te dalen.
   2. Stel de gewenste temperatuur in op de feedbackcontroller. De PT100 temperatuursensor die op de werktafel is gemonteerd, fungeert als feedbacklus.
   3. Zodra de gewenste temperatuur is bereikt, sluit u de klep om de stroom van LN₂ af te sluiten.
2. Handhaving van de kooldioxidedruk
   1. Zet de vacuümpomp AAN totdat de druk in de kamer vacuüm aangeeft.
   2. Zodra de kamer in vacuüm is, zet u de vacuümpomp UIT en injecteert u de kamer met CO₂ -gas totdat deze de druk van 7-8 mbar bereikt.
3. Behoud van de relatieve luchtvochtigheid
   1. Injecteer het water in stappen van 0,5 ml met behulp van een roestvrijstalen Swagelok-spuit die op de kamer is aangebracht. Hierdoor zal de relatieve luchtvochtigheid geleidelijk toenemen.
      OPMERKING: De spuit is op zijn beurt aangesloten op een kogelkraan, zodat de spuit kan worden gebruikt om meerdere keren water te injecteren.
   2. Zorg ervoor dat de druk binnen de limieten blijft. Laat anders de druk ontsnappen door het ventiel aan te passen.

6. Experiment met elektrische geleidbaarheid versus relatieve vochtigheid

Figuur 3: Experiment met elektrische geleidbaarheid versus relatieve vochtigheid. Stappen van het experimentprotocol voor het uitvoeren van het kalibratie-experiment om de relatie tussen elektrische geleidbaarheid als functie van de relatieve vochtigheid af te leiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Zet de roterende vacuümpomp AAN om alle lucht uit de kamer te spoelen. De druk in de kamer zal afnemen tot een orde van ^10-3 mbar.
   OPMERKING: De relatieve luchtvochtigheid zal dicht bij nul liggen. De omgevingstemperatuur van de werktafel van de kamer ligt rond de 20 °C. Er kan een toename zijn van de elektrische geleidbaarheid en de BOTTLE-temperatuur (deliquescence is een exotherme reactie) naarmate de druk wordt verlaagd.
2. Injecteer voorzichtig de kooldioxide-atmosfeer uit de gasfles om een druk tussen 7 en 8 mbar te behouden.
3. Stel de temperatuur van de werktafel in op een bepaalde waarde, zodat de PT1000 die de containertemperatuur meet, 20 °C registreert.
4. Wacht ongeveer 5 minuten bij 20 °C om een evenwicht te bereiken en begin met het verzamelen van gegevens volgens stap 7.
5. Injecteer langzaam water in de kamer met behulp van het spuitsysteem en houd de relatieve vochtigheid op 10% en wacht 5 minuten om evenwicht te bereiken. Als de druk stijgt bij het verhogen van de relatieve vochtigheid, pas dan de klep van de roterende vacuümpomp aan om de extra atmosfeer te verwijderen.
6. Door te vertragen wordt de relatieve luchtvochtigheid verhoogd tot 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% en 100%. Houd deze bij elke relatieve vochtigheidswaarde ongeveer 5 minuten aan om een evenwicht te bereiken en begin met het verzamelen van gegevens na stap 7.
   OPMERKING: Hiermee is een reeks kalibratie-experimenten afgesloten volgens het protocol dat wordt weergegeven in afbeelding 3.
7. Het zoutmonster kan inmiddels de pekel hebben gevormd. Gooi de zoutmonsters uit de container(s) weg.
8. Vernieuw de zoutmonsters voor het volgende experiment na stap 8.
9. Verlaag op dezelfde manier de temperatuur van de werktafel om de containertemperatuur op 15 °C, 10 °C, 5 °C, 0°C, -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C en -30 °C te houden. Herhaal bij elke stop de stappen 6.5 tot 6.8 om de elektrische geleidbaarheid van de zoutmonsters te meten.
   OPMERKING: Als veiligheidsvoorziening wordt de BOTTLE-verwarmer onder -33 °C ingeschakeld om een temperatuur tussen -30 °C en -33 °C te behouden. Daarom hebben we experimenten uitgevoerd tot -30 °C. Maar men kan ervoor kiezen om voor lagere temperaturen te gaan.
10. Stijgen naar de omgevingstemperatuur van de koudste temperatuur van -30 °C kan worden bereikt door het experiment af te sluiten, het vacuüm op te heffen en de voordeur van de kamer te openen, waardoor de omgevingslucht van het laboratorium zich kan mengen en de containertemperatuur op natuurlijke wijze kan stijgen. Voor aanvullende gegevens kan men ervoor kiezen om de temperatuur in de kamer op natuurlijke wijze te laten stijgen. Het zal echter een zeer traag proces zijn en kan bestellingen van 7-10 uur duren.

7. Registratie en opslag van de gegevens

1. Gebruik de ingebouwde seriële monitor van Arduino of een seriële monitorsoftware van derden (bijv. Teraterm, Realterm, enz.).
2. Configureer de Arduino om gedurende een aaneengesloten uur uit de meetcircuits te lezen met een frequentie van 1 Hz, gevolgd door de eerste 5 minuten van elk uur. Dit kan van toepassing zijn op de dag-nachtsimulatie van de Marian die in stap 9 wordt beschreven.
3. Stel de gelijkstroomvoeding in voltage zoals gespecificeerd voor de meetcircuits.
   LET OP: De stroomkabel van HABIT is aangesloten op een DC voeding van 28 V en de 2x USB data aansluitingen op een laptop waarop de HABIT EQM LabView software is geïnstalleerd. De software heeft alleen ondersteuning voor Windows 10.
4. Voer de seriële COM-poort voor de dataverbinding in en voer het Arduino-programma uit.
   OPMERKING: Raadpleeg Apparaatbeheer om de juiste COM-poorten te identificeren.
5. Verkrijg gegevens gedurende de eerste 100 seconden en stop de gegevensverzameling door de seriële monitor te sluiten. Vergeet niet om de gegevens uit het Arduino seriële monitorvenster te kopiëren.
6. Open een teksteditor en plak de gekopieerde gegevens om ze op te slaan als .txt of .csv gegevensbestandsformaat voor eenvoudigere nabewerking met MATLAB of Python.
   OPMERKING: Software van derden heeft mogelijk een functie voor automatisch opslaan.
7. Geef het gegevensbestand een naam die overeenkomt met de beschrijving van het experiment.
8. Voor de volgende set gegevensverzameling schakelt u eerst de experimentopstelling uit en weer in door de gelijkstroomvoeding UIT en WEER te zetten en herhaalt u de stappen 7.3 tot 7.7.
   1. Voor de HABIT EQM LabView-software: Voer op het tabblad Main de twee COM-poorten COM-poort 1 en COM-poort 2 in, die elk overeenkomen met een van de USB-dataverbindingen. Klik op Verbinden en vervolgens op Start voor gegevensverzameling met een frequentie van 1 Hz. Neem de gegevens de eerste 100 seconden op.
   2. Bekijk de verkregen gegevens door te klikken op het tabblad Foutopsporing en op Openen in realtime gegevensweergave. Dit opent een nieuw venster met meerdere tabbladen die elk overeenkomen met verschillende afmetingen van het HABIT-instrument. Voor dit experiment maken we ons zorgen over tabbladen: "Cel 2", "Cel 3", "Cel 4", "Cel 5", "EU-temperatuur" en "CU-temperatuur". De gegevens worden opgeslagen als "Log.txt" in HEX-formaat in de map "C:\LABVIEW\Data" van de laptop. Het opnieuw uitvoeren van de software vervangt de bestaande gegevens in het "Log.txt"-bestand.

8. Vernieuwen van de zoutmonsters

OPMERKING: Deze stap wordt gevolgd om droge zoutmonsters voor elk nieuw experiment te introduceren.

1. Stop het experiment en koppel voorzichtig de kabels los en laad de experimentcontainer(s) uit de simulatiekamer.
2. Haal het HEPA-filter en de zoutmonsters voorzichtig uit de container(s) en doe ze in aparte, biologisch verzegelde zakken.
   OPMERKING: De perchloraten en de andere zouten zijn niet veilig voor verwijdering in de gootsteen met stromend water of bij de algemene afvalverwerking. Er moet voor worden gezorgd dat ze in biologisch gevaarlijke verzegelde zakken worden verpakt en worden weggegooid volgens de normen voor de verwijdering van chemisch afval. Als andere monsters worden bestudeerd, zoals regolietmonsters of polymeren enz., kunnen de afvalproducten worden behandeld zoals aanbevolen in het veiligheidsinformatieblad (SDS) van die producten.
3. Maak de container(s) voorzichtig schoon en reset deze voor het volgende experiment.
4. Volg de stappen 2 tot 4 om de zoutmonsters in de container(s) te vullen en terug te plaatsen in de simulatiekamer.

9. Simulatie van een dag-nachtcyclus op Mars

Figuur 4: Simulatie van een dag-nachtcyclus op Mars. Stappen van het experimentprotocol voor het uitvoeren van de Mars Sol-simulatie. Houd er rekening mee dat de stappen 6 en 7 zijn omgeschakeld van figuur 3, aangezien voor de dag-nachtsimulatie op Mars de relatieve vochtigheid aanvankelijk op 80% wordt ingesteld vóór de temperatuurdaling (dag-nachtovergang). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Volg de stappen 2 tot en met 4 om het demonstratie-experiment in te stellen.
2. Volg stap 7 om de datalogging van het experiment in te stellen en verzamel continue gegevens gedurende het eerste uur en gedurende de eerste 5 minuten elk uur, met een frequentie van 1 Hz.
   OPMERKING: HABIT gebruikt dit soort schema om op een goede frequentie te controleren en te voorkomen dat de elektroden te veel worden blootgesteld aan wisselstroom.
3. Simulatie van de omgevingsomstandigheden op Oxia Planum, Mars in de kamer
   OPMERKING: We hebben voor deze demonstratie de SpaceQ Mars-simulatiekamer gebruikt, een faciliteit aan de Luleå University of Technology, Zweden, zoals weergegeven in figuur 4.
   OPMERKING: Oxia Planum is de geplande landingsplaats van ExoMars 2022 op Mars.
   1. Zet de roterende vacuümpomp AAN om alle lucht uit de kamer te spoelen. De druk binnenin zal afnemen tot een orde van ^10-3 mbar.
      OPMERKING: De relatieve luchtvochtigheid zal dicht bij nul liggen. De omgevingstemperatuur van de werktafel van de kamer ligt rond de 20 °C. Er kan een toename zijn van de elektrische geleidbaarheid en de temperatuur van de container (deliquescence is een exotherme reactie) naarmate de druk wordt verminderd.
   2. Injecteer voorzichtig de kooldioxide-atmosfeer uit de gasfles om een druk tussen 7 en 8 mbar te behouden.
   3. Injecteer langzaam water in de kamer met behulp van de Swagelok-spuit om de relatieve vochtigheid geleidelijk te verhogen. Zorg ervoor dat u de klep van de roterende vacuümpomp afstelt om de extra atmosfeer te verwijderen als de druk de vereiste limieten overschrijdt.
   4. Houd de kooldioxide-atmosferische druk van ongeveer 7-8 mbar bij ongeveer 80% relatieve vochtigheid.
   5. Open langzaam de waarde van het LN 2-doorvoersysteem om de temperatuur van de werktafel te verlagen om de dag-nachtovergang van Mars te simuleren. Let op het mogelijke verschil in de temperatuur van de werktafel en de temperatuur van de container.
      OPMERKING: De snelheid van temperatuurdaling kan worden geregeld door het LN 2-debiet aan te passen.
   6. Laat de temperatuur dalen tot de temperatuur van de container -30 °C aangeeft (werktafeltemperatuur van -70 °C) en sluit vervolgens de LN_2-stroom af.
      OPMERKING: Als veiligheidsvoorziening wordt de BOTTLE-verwarmer onder -33 °C ingeschakeld om een temperatuur tussen -30°C en -33 °C te behouden. Daarom hebben we het experiment uitgevoerd tot -30 °C. Maar men kan ervoor kiezen om voor lagere temperaturen te gaan.
   7. De werktafel en de container(s) warmen langzaam op tot de omgevingstemperatuur in het laboratorium (nacht-dagovergang). De relatieve vochtigheid zal waarschijnlijk ook toenemen en dat geldt ook voor de druk. Vergeet niet om de roterende vacuümpompklep te bedienen om overtollige druk te verwijderen.
      OPMERKING: Hier, met relatieve vochtigheid, bedoelen we de hoeveelheid waterdamp in de lucht te correleren. Aangezien de relatieve vochtigheidssensor de lucht meet, is het redelijk om te zeggen dat, hoe hoger het vochtgehalte, hoe hoger de relatieve vochtigheid. Aanvankelijk, wanneer de werktafel wordt ingevroren tot -30 °C, wordt de waterdamp gecondenseerd en bevroren op de tafel, en wanneer de temperatuur stijgt, verdampt dit gecondenseerde water bij druk op Mars en wordt het gedetecteerd als vocht in de lucht door de relatieve vochtigheidssensor. De veranderingen in de relatieve vochtigheid van de omgevingslucht zijn dus het gevolg van een verandering in de toestand van het water en het vrijkomen van rijp van de werktafel naar de lucht als damp wanneer de temperatuur stijgt.
   8. Wanneer de temperatuur van de container 20 °C bereikt (vergelijkbaar met de temperatuur van de werktafel), sluit u het experiment af, laat u het vacuüm los en opent u de voordeur van de kamer om de experimentopstelling te verwijderen.

Resultaten

De gegevens die in HABIT zijn verkregen, zijn in HEX-formaat en worden geconverteerd naar ASCII-formaat voordat ze worden geanalyseerd. De kalibratie-experimenten stelden een verband vast tussen de elektrische geleidbaarheidswaarden die overeenkomen met de hydraatvormen van de vier verschillende zout-SAP-mengsels bij verschillende Marstemperaturen en relatieve vochtigheidsomstandigheden. De relatie bij 25 °C is weergegeven in figuur 5A voor lucht en in de figuren 5B-5 E voor de vier verschillende zout-SAP-mengsels, calciumchloride CaCl₂- SAP, ijzersulfaat Fe₂(SO₄)₃ - SAP, magnesiumperchloraat Mg (ClO₄)₂ - SAP, en natriumperchloraat NaClO₄- SAP, respectievelijk. We hebben geobserveerd en gecatalogiseerd: i) de variabiliteit in metingen van elektrische geleidbaarheid als functie van de temperatuur, en ii) het bereik van elektrische geleidbaarheid van de lucht en de zout-SAP-mengsels als functie van de relatieve vochtigheid. Deze informatie zal van cruciaal belang zijn bij het interpreteren van het hydratatieniveau van de zout-SAP-mengsels van de BOTTLE-operatie op Mars, rekening houdend met de opgehaalde elektrische geleidbaarheid, temperatuur en relatieve vochtigheid.

In Figuur 5A zagen we een directe correlatie tussen elektrische geleidbaarheid en relatieve vochtigheid voor lucht. Omdat de relatieve vochtigheid in de kamer werd verhoogd door water in stappen van 0,5 ml te injecteren, verhoogde de lucht de relatieve vochtigheid zoals dat gebeurt onder Mars-omstandigheden. De elektrische geleidbaarheid nam aanzienlijk toe. De onderste elektrode is vermoedelijk kouder vanwege de nabijheid van de gekoelde tafel, dit leidt op zijn beurt tot een hogere RV en een hogere EC. Voor de gegeven combinatie van temperatuur en relatieve vochtigheid bij druk op Mars tijdens dit experiment, registreerden we ook een maximale elektrische geleidbaarheid (niet temperatuurgecompenseerd) van lucht bij een relatieve vochtigheid van 59%. Figuren 5B-5 E laten zien dat alle vier de zout-SAP-mengsels in verschillende mate water opvingen. Een geleidelijke toename van de elektrische geleidbaarheid van RH=0% werd waargenomen voor calciumchloride en natriumperchloraat, en een toename rond RH=40-50% in het geval van ijzersulfaat en magnesiumperchloraat. Alle zout-SAP-mengsels hadden de maximale waarde van 85%, het maximum dat we in de kamer bereikten.

Figuur 5: Elektrische geleidbaarheid als functie van de relatieve vochtigheid (1% - 85%) bij 25 °C. (A) Lucht, (B) calciumchloride, (C) ijzersulfaat, (D) magnesiumperchloraat, (E) natriumperchloraat elektrische geleidbaarheid worden weergegeven in logschaal met grondtal 10. Electronics Unit (EU) registreerde een gemiddelde temperatuur van 25,27 °C (Min: 24,12 °C, Max: 25,95 °C), Container Unit (CU) registreerde een temperatuurstijging van 19,6 °C naar 32,91 °C als gevolg van de exothermiteit van wateropvang. De gemiddelde temperatuur op de werktafel bedroeg 19,11 °C en de gemiddelde luchttemperatuur bedroeg 19,16 °C. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De elektrische geleidbaarheid van een zout is afhankelijk van verschillende factoren. Aan het einde van het experiment merkten we op dat ijzersulfaat het minst gehydrateerd was (zie figuur 7) met elektrische geleidbaarheidswaarden die lager waren dan de lucht. De elektrische geleidbaarheid tussen de elektroden is ook gevoelig voor het contactgebied met het zout+SAP-mengsel. Een deel van het korrelige materiaal, waaronder SAP, kan een betere isolator zijn dan gehydrateerde lucht. De lucht in de lege container had voldoende vocht dat vrij kon bewegen, wat resulteerde in een hogere elektrische geleidbaarheid (zie figuur 5A) dan het ijzersulfaat, dat geen bijdrage leverde in termen van voldoende geabsorbeerd water om een significant elektrisch geleidbaarheidssignaal te vertonen (zie figuur 5C). We zagen ook waterdruppels in de lege containers aan het einde van de experimenten, wat aantoont dat de lucht tussen de elektroden op een gegeven moment verzadigd was en mistvorming mogelijk maakte en een deel ervan aan de zijkanten condenseerde, zoals te zien is in figuur 5A. De afwezigheid van een lage elektrodegeleidbaarheid zou kunnen betekenen dat de zoutdeeltjes die in contact kwamen met de onderste elektrode volledig bevroren waren (koudste aan de onderkant van het instrument vanwege het directe contact met de werktafel van de kamer) en geen elektrische geleidbaarheid vertoonden.

Als demonstratie van de HABIT-operatie op Mars na een succesvolle landing begin 2021, hebben we één Sol van de omgevingsomstandigheden gesimuleerd op Oxia Planum, de geplande landingsplaats van de ExoMars 2022-missie. De verkregen resultaten bootsen de dag-nachtcyclus van de BOTTLE-operatie op Mars na en leveren gegevens uit de eerste hand op in relevante omstandigheden. Figuur 6 laat zien dat tijdens de simulatie van de dag-nachtcyclus van Mars deliquescentie is waargenomen in alle zout-SAP-mengsels. Figuren 6C-6 F tonen de elektrische geleidbaarheidswaarden van de vier verschillende zout-SAP-mengsels, respectievelijk calciumchloride CaCl₂- SAP, ijzersulfaat Fe₂(SO₄)₃ - SAP, magnesiumperchloraat Mg (ClO₄)₂ - SAP en natriumperchloraat NaClO₄- SAP.

Figuur 6: Gekalibreerde elektrische geleidbaarheidsmetingen van de Mars Sol-simulatie. (A) Druk en relatieve vochtigheid, (B) grond- en luchttemperatuur, (C) calciumchloride, (D) ijzersulfaat, (E) magnesiumperchloraat, (F) natriumperchloraat elektrische geleidbaarheid (in logschaal met grondtal 10), en (G) Elektronica-eenheid (EU) en containereenheid (CU) of BOTTLE-temperaturen worden weergegeven. Verticale lijnen met omcirkelde cijfers geven verschillende fasen van de simulatie aan. 0-1: Lucht wegpompen om vacuüm te bereiken en kooldioxide-injectie om een druk van 7-8 mbar bij constante temperatuur te behouden, 1-2: waterinjectie om de relatieve vochtigheid bij constante temperatuur te verhogen, 2-3: werktafelkoeling AAN om de temperatuur te verlagen (dag-nachtovergang), vergezeld van een relatieve vochtigheidsdaling, en 3-4: werktafelkoeling UIT om de temperatuur te verhogen (nacht-dagovergang), vergezeld van een relatieve vochtigheidsverhoging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De aanvankelijke toename van de elektrische geleidbaarheid kan worden toegeschreven aan de snelle drukafname terwijl de relatieve vochtigheid hoog bleef, waardoor het proces van wateropvang werd versneld, gevolgd door ontgassing van het resterende water in het mengsel. Dit kwam ook overeen met de exothermiteit van het wateropvangproces door de zouten. De temperatuurstijging in de elektronica-eenheid (EU) en BOTTLE kan een combinatie zijn van een snelle drukverlaging (onder constant volume) en het exotherme gedrag van zout-waterinteractie. De drukdip die rond 13.00 uur wordt waargenomen, kan in verband worden gebracht met het bereiken van de laagste temperatuur in de werktafel, wat ook samenvalt met een kleine opleving van de RV. Bij koudere temperaturen gedroeg de werktafel zich als een watergootsteen die de waterdruppels bevroor en daardoor was de relatieve vochtigheid van de lucht laag. Tijdens deze fase van de dag-nachtovergang van Mars waren er minder significante tekenen in de elektrische geleidbaarheidscurves. Maar tijdens de nacht-dagovergang, toen de temperatuur steeg en ook de relatieve vochtigheid, begon het zout-SAP-mengsel gestaag water op te vangen, zoals aangegeven door de toename van de elektrische geleidbaarheid in het laatste deel van het experiment, ook weerspiegeld door de plotselinge stijging van de BOTTLE-temperatuur. De uiteindelijke elektrische geleidbaarheidswaarden gaven de mate van wateropvang aan door elk van de vier zout-SAP-mengsels, zoals weergegeven in figuur 7. Alle zout-SAP-mengsels vingen water op en met name calcium-chloride zout-SAP-mengsel produceerde vloeibare pekel. De maximale elektrische geleidbaarheidswaarde van de CaCl_2-pekel van ̴100 μScm-1 komt overeen met de literatuur³¹.

Figuur 7: Afbeeldingen van de zout-SAP-mengsels. (A) voor en (B) na de Mars Sol-simulatie. Van links naar rechts: begincondities van 1,5 g calciumchloride, ijzersulfaat, magnesiumperchloraat, natriumperchloraat met 0,75 g SAP in elk zout. Calciumchloride in de linkerhoek produceerde vloeibare pekel die ook relevante elektrische geleidbaarheidswaarden van ̴100 μScm-1 vertoonde. Alle andere zout-SAP-mengsels vingen ook aanzienlijke hoeveelheden water op die nat leken in de afbeeldingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Dit is de eerste poging om de elektrische geleidbaarheid van het pekelvormingsproces in vacuüm- of Marsdrukomstandigheden te karakteriseren. Het belangrijkste element van dit experiment is het simuleren van de dag-nachtcyclus van Mars met de Mars-simulatiekamer om de zouten te bestuderen. De resultaten van de zoutdeliquescence worden getoond als een representatief resultaat, terwijl de focus meer ligt op het bereiken van de vereiste omstandigheden om de omgeving van Mars te simuleren. Met dit eerste experiment begrijpen we nu het proces en de beperkingen van de kamer zoals vermeld in het discussiegedeelte van het manuscript. In de toekomstige experimenten zullen we dit protocol volgen voor verschillende wetenschappelijke experimenten die relevant zijn om op Mars te verwerken. Eerdere studies hebben de elektrische geleidbaarheidsmetingen uitgevoerd in laboratoriumdrukken 27,28,29. Meten bij lagere drukken vormt een uitdaging en vereiste daarom een aanpassing van het protocol dat wordt gebruikt voor de omstandigheden van de aarddruk. Tijdens een eerdere kalibratiecampagne in een klimaatkamer onder omgevingsdruk werden verschillende hydraten bereid door gedefinieerde hoeveelheden zout en water toe te voegen, voorafgaand aan elke reeks experimenten om de relatie tussen de elektrische geleidbaarheid en de zouthydraatvorm bij verschillende Marstemperaturen af te leiden³¹. Maar met de druk van Mars zal het toegevoegde water dat wordt gebruikt om hydraten te vormen uiteindelijk ontgassen bij het verlagen van de druk, dus begonnen we elk experiment met een droog zout-SAP-mengsel en regelden we de relatieve vochtigheid om over te gaan naar verschillende hydraatvormen.

Eerdere studies die het pekelvormingsproces volgden met behulp van Raman-spectroscopische methoden, werden over het algemeen uitgevoerd met een individuele korrel van het zoutdeeltje in een omgevingscel en het observeren van de faseovergangen in het O-H-rekgebied van de Raman-spectra ^1,9,18. De karakterisering van de elektrische geleidbaarheid van het pekelvormingsproces werd als gevoeliger beschouwd voor tussenliggende faseovergangen dan de bestaande Raman-spectroscopie en leverde een continue tijdreeks op van het pekelvormingsproces²⁷. Uit onze experimenten hebben we ook aangetoond dat elektrische geleidbaarheid een haalbare meetoptie is voor bulkzoutmonsters met een goede precisie.

Tijdens het ontwerp van het elektrische geleidbaarheidsmeetsysteem voor het HABIT-instrument hadden we uitdagingen op te lossen. De selectie van het elektrodemateriaal was gebaseerd op de weerstand tegen corrosie en de gladheid van het oppervlak om sporadische storingen in de elektrische geleidbaarheidsmetingen te voorkomen. De hygroscopische zouten klimmen soms door capillaire werking langs de wanden van de container omhoog en daarom is een keuze voor een hydrofobe coating essentieel. We gebruikten een coating op basis van een epoxyharssamenstelling die voorkwam dat de pekel capillair opsteeg. Ook de elektrische eigenschappen zoals de spanning van de elektrische puls, de frequentie en de referentieweerstand van de stroomsensor waren cruciaal voor het ontwerp. BOTTLE gebruikt een biasspanning van ±2,048 V met een elektrische puls van ±70 mV en ±700 V voor lage en hoge geleidingsmodi. De elektrische pulsen bij 1 kHz gaan door een gouden elektrode, en via de zoutmonsters om te bestuderen, en worden uitgelezen bij een gouden elektrode aan de andere kant met referentieweerstanden van 10 k-ohm en 100 ohm voor respectievelijk lage en hoge geleidingsmodi.

Aangezien elk van de experimenten om de elektrische geleidbaarheid te karakteriseren als een functie van de relatieve vochtigheid, een constante en stabiele temperatuur vereiste, is het protocol ontworpen om binnen de temperatuurstabiliteitslimieten van de Mars-simulatiekamer te passen. Er is een waarneembaar verschil in de temperatuur van de werktafel (geregeld door het LN 2-doorvoersysteem van de kamer) en de BOTTLE-temperatuur als gevolg van de thermische isolatie. Dit betekent dat de temperatuur van de werktafel niet altijd identiek is aan de BOTTLE-temperatuur en dat er rekening moet worden gehouden met het verschil voor een optimale experimenteerconditie.

Toekomstige experimenten in de Mars-simulatiekamer zullen onder meer het afleiden van een verband tussen de elektrische geleidbaarheid van de lucht en de relatieve vochtigheid bij verschillende temperaturen. Tijdens de Mars Sol-simulatie zagen we een mogelijke correlatie tussen de relatieve vochtigheid van de lucht en de elektrische geleidbaarheid. Dit kan relevant zijn voor het kalibreren van de twee lege cellen aan de twee uiteinden van BOTTLE en het opnemen in de kalibratie van de zout-SAP-mengsels voor een nauwkeurigere interpretatie van hun hydratatieniveau. Om dit experiment uit te voeren, kunnen lege experimentcontainer(s) worden aangepast zonder zoutmonsters volgens hetzelfde experimentprotocol.

Het beschreven experimentprotocol biedt een eenvoudigere, gemakkelijk aan te passen alternatieve manier om het pekelvormingsproces te volgen, dat ook kan worden toegepast op andere monsters die kunnen interageren met atmosferisch vocht. Het zou een aanvulling kunnen zijn voor studies over het begrijpen van de fysische en chemische eigenschappen van de pekel gevormd door zeezoutmengsels die van toepassing zullen zijn om de voorwaarden te definiëren waaronder pekel kan reageren met busoppervlakken die over het algemeen worden gebruikt om splijtstof en kernafval op te slaan^33,34. De corrosieve eigenschappen van pekel voor verschillende materialen kunnen onder verschillende omgevingsomstandigheden worden bestudeerd door het protocol aan te passen. We hebben dit protocol toegepast om de vervloeiende eigenschappen te bestuderen van vier mengsels van zout en SAP die we aan boord van het HABIT-instrument naar Mars brengen. De hygroscopische eigenschappen van zout of zoutmengsels in welke vorm dan ook, bijvoorbeeld rookdeeltjes, kunnen echter worden geanalyseerd op hun wolkkiemvormend potentieel²⁴. Het experimentprotocol kan ook worden toegepast om verschillende atmosfeer-oppervlakte-gerelateerde fenomenen op Mars en elders in een laboratorium te simuleren.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
84 µS/cm and 1413 µS/cm conductivity calibration standard	Atlas Scienific	CHEM-EC-0.1
Arduino Uno	Arduino	8058333490090
Calcium Chloride	Sigma Aldrich	CAS Number: 10043-52-4	Anhydrous, free-flowing, ≥96%
Carbon Dioxide gas cylinder	AGA Gas
Experiment container			3D printed in PLA or milled in aluminum/other metal
EZO Conductivity circuit	Atlas Scienific	EZO-EC
EZO RTD circuit	Atlas Scienific	EZO-RTD
Ferric Sulphate	Sigma Aldrich	CAS Number: 15244-10-7	97%
Gold electrodes			Custom designed
HEPA filter	Nitto	NTF9317-H02
Liquid Nitrogen tank	AGA Gas
Magnesium Perchlorate	Sigma Aldrich	CAS Number: 10034-81-8	Free-flowing, ≥99.0%
Pressure gauge	Pirani	CCPG−H2−1	1x10-9 to 1000 mbar
PT100 sensor
PT1000 sensor
Scotch-Weld Epoxy Adhesive	3M	EC-2216 B/A
Sodium Perchlorate	Sigma Aldrich	CAS Number: 7601-89-0	Free-flowing, ≥98.0%
Sodium salt of alginic acid (SAP)	Sigma Aldrich	CAS Number: 9005-38-3	Powder
Sterile water	VWR Chemicals BDH	CAS Number: 7732-18-5 VWR: 75881-014	Water ASTM Type II, Reagent Grade
Swagelok syringe	Fischer scientific	KD Scientific 780812
T/RH probe	Vaisala	HMT 334	(-70 to + 180C) and (0 to 100 % RH)
Teraterm
Whitebox Labs Tentacle Shield	Atlas Scienific	TEN-SH