Artykuł metodologiczny

Pomiar przewodności elektrycznej w celu zbadania powstawania solanek w warunkach marsjańskich

2.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61217

⸱

28 lipca 2021

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

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Celem protokołu jest monitorowanie hydratacji soli i procesu tworzenia solanki. Jako technikę pomiaru stosuje się przewodność elektryczną. Eksperymenty przeprowadzane są w symulowanym marsjańskim środowisku z temperaturą, wilgotnością względną i atmosferą dwutlenku węgla.

Streszczenie

Ten artykuł opisuje protokół do projektowania eksperymentów do badania powstawania solanek w warunkach marsjańskich i monitorowania procesu za pomocą pomiarów przewodności elektrycznej. Do przygotowania eksperymentu użyliśmy instrumentu Engineering Qualification Model (EQM) of Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022, ale przedstawiamy krótki opis budowy prostego i niedrogiego zestawu do pomiaru przewodności elektrycznej. Protokół służy do kalibracji pomiarów przewodności elektrycznej rozpływania się soli w solance w symulowanym środowisku marsjańskim. Marsjańskie warunki temperatury (od -70 °C do 20 °C), wilgotności względnej (od 0% do 100%) i ciśnienia (7 - 8 mbar) w atmosferze dwutlenku węgla zostały zasymulowane w komorze symulacyjnej Marsa SpaceQ, która znajduje się na Uniwersytecie Technicznym w Luleå w Szwecji. Forma hydratu znanej ilości soli umieszczonej między parą elektrod, a zatem zmierzona przewodność elektryczna zależy głównie od zawartości wody oraz temperatury i wilgotności względnej układu. Pomiary przewodności elektrycznej przeprowadzono przy częstotliwości 1 Hz przy jednoczesnym wystawieniu soli na działanie stale rosnącej wilgotności względnej (w celu wymuszenia przejścia przez różne hydraty) w różnych temperaturach Marsa. Dla demonstracji odtworzono cykl dnia i nocy na Oxia Planum na Marsie (miejsce lądowania misji ExoMars 2022).

Wprowadzenie

Jednym z głównych tematów badawczych w eksploracji planet jest cykl wody, jednak trudne jest opracowanie ogólnej, odpornej i skalowalnej procedury pozwalającej na monitorowanie oddziaływań atmosfery z gruntem. Symulacje laboratoryjne mogą odtworzyć atmosfery planetarne, ich powierzchnie oraz zachodzące między nimi oddziaływania. Wiąże się to jednak z pewnymi wyzwaniami, od pozyskania niezbędnego sprzętu po przeszkolenie personelu. Niniejsza praca opisuje protokół projektowania eksperymentów w celu zbadania powstawania solanek w marsjańskich warunkach temperatury, wilgotności względnej i atmosfery dwutlenku węgla, a także monitorowania tego procesu za pomocą pomiarów przewodności elektrycznej. Przedstawiamy również krótki opis konstrukcji prostej i niedrogiej aparatury do pomiaru przewodności elektrycznej. Protokół ten można dostosować do projektowania podobnych eksperymentów w próżni lub w atmosferach innych planet.

Znaczenie badań nad tworzeniem się solanek
Sole higroskopijne mogą absorbować atmosferyczną parę wodną, tworząc roztwory ciekłe w procesie zwanym delikwescencją. Proces ten prowadzi do powstawania solanek w sprzyjających warunkach na powierzchni Ziemi i Marsa, które prawdopodobnie występują w określonym czasie i miejscach. Możliwy jest również proces odwrotny, zwany eflorescencją, gdy solanki odwadniają się w niekorzystnych warunkach. Prawdopodobne istnienie solanek na powierzchni lub w podpowierzchni Marsa ma istotne znaczenie dla obecnych badań ziemskich i marsjańskich. Ponadto sole mogą hydratować, wiązać i uwalniać cząsteczki wody, co wpływa na cykl wodny oraz właściwości regolitu.

Rośnie międzynarodowe zainteresowanie określaniem warunków temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia sprzyjających powstawaniu solanek w wyniku higroskopijnego rozpływania się soli i mieszanin soli, zarówno w odniesieniu do Ziemi, jak i Marsa. Obserwacje terenowe ciemnych, stromo nachylonych śladów wodnych w pobliżu zlewni Don Juan Pond (DJP) oraz powstawanie wilgotnych plam w suchych dolinach McMurdo na Antarktydzie przypisuje się tworzeniu się solanek w osadach bogatych w chlorek wapnia1.

Wyniki te zostały również zwalidowane w eksperymentach laboratoryjnych symulujących niskie temperatury od -30 °C do 15 °C oraz wilgotność względną od 20% do 40%2. Ewaporaty chlorkowe w regionie Yungay w hiperaridnym rdzeniu pustyni Atacama w Chile mogą absorbować wodę i stanowić siedlisko dla życia mikrobiologicznego3. Procesy zachodzące w DJP oraz w najsuchszych miejscach na Ziemi, takich jak pustynia Atacama, mogą być analogiczne do wielu badań nad Marsem, sugerujących, że podobne procesy mogą zachodzić obecnie na tej planecie1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Niedawne obserwacje teledetekcyjne Salar de Uyuni (wyżyna Altiplano w Boliwii) opisały proces podobny do tego, który obserwuje się na Marsie z orbity17. Pomimo surowych warunków, proces tworzenia solanek napędzany delikwescencją może utrzymać wodę w stanie ciekłym w ilościach wystarczająco dużych, aby umożliwić rozwój kolonii bakterii głęboko wewnątrz guzków solnych3. Jest to kwestia istotna dla astrobiologów i naukowców zajmujących się planetologią.

Zgłoszono występowanie dobowej absorpcji i desorpcji wilgoci atmosferycznej przez sole higroskopijne w marsjańskim regolicie4,5. Proces tworzenia się solanek z nadchloranów występujących na Marsie był już badany poprzez obserwację zmian fazy lub stanu hydratacji poszczególnych cząsteczek soli1,9,18. Różne badania dotyczące solanek przeprowadzono również w warunkach odpowiadających warunkom panującym na Marsie, aby określić wartości wilgotności względnej, przy których sole i mieszaniny soli typowe dla Marsa ulegają delikwescencji i eflorescencji19,20,21. Inni wykorzystali te warunki eksperymentalne do badania szybkości parowania solanek w marsjańskiej temperaturze, wilgotności względnej i atmosferze dwutlenku węgla22.

Metody detekcji i monitorowania powstawania solanki
Istnieje kilka metod monitorowania procesu powstawania solanki. Najprostsze są obserwacje wizualne i obrazowanie w zakresie widzialnym. Do monitorowania przyrostu masy można wykorzystać ważenie soli23. Zazwyczaj monitoruje się parametry środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność względna i ciśnienie, aby prawidłowo interpretować obserwacje. W niektórych badaniach zastosowano higrometr. Właściwości higroskopijne soli można również mierzyć za pomocą analizatorów mobilności różnicowej lub wag elektrodynamicznych, jednak ich działanie nie jest wystarczająco dokładne przy wilgotności względnej powyżej 90%24. W nowszych badaniach szeroko wykorzystywano transmisyjne i skaningowe mikroskopy elektronowe (TEM i SEM). Oba te mikroskopy posiadają komory środowiskowe, które umożliwiają badanie oddziaływania wody z poszczególnymi cząsteczkami soli24. Zmiany fazowe i przejścia w pojedynczych cząsteczkach soli są zazwyczaj wykrywane za pomocą spektroskopii optycznej, podczerwonej (IR) lub Ramana włączonej do układu doświadczalnego8,13,19,20,25. Istniejące metody spektroskopowe oferują dobre granice obserwacji i wyraźną detekcję zmian fazowych, ale nie nadają się do monitorowania masowych próbek soli ani do ciągłego monitorowania procesu powstawania solanki poprzez pośrednie stadia przejść fazowych. Ponadto urządzenia mikroskopowe oparte na laserach, takie jak „mikroskop Ramanowski”, są kosztowne i mogą wymagać złożonego układu doświadczalnego.

Jako technikę pomiarową wykorzystujemy przewodność elektryczną. Pomiary służące do wyznaczenia wilgotności względnej, przy której sole ulegają roz HIGROSKOPICZNOŚCI (rozpuszczaniu), przeprowadzono z użyciem przewodności elektrycznej, a otrzymane wartości były zgodne z wynikami uzyskanymi za pomocą standardowego higrometru26. Szeregi czasowe procesu tworzenia solanki z soli roz HIGROSKOPICZNYCH były wcześniej badane za pomocą przewodności elektrycznej przez Heinza i współpracowników27. W ich badaniach wykorzystano mieszaninę symulantu JSC Mars-1a oraz nadchloranów lub chlorków. Technika przewodności elektrycznej była również stosowana do wykrywania wody w stanie ciekłym lub zamarzniętej w glebach28,29. Zaletą tej metody jest możliwość jej zastosowania zarówno do próbek małych, jak i średnich, pod warunkiem, że znajdują się one w przestrzeni między dwiema elektrodami.

Niniejszy protokół może być przydatny do projektowania podobnych eksperymentów, które wymagają kontrolowania temperatury i wilgotności względnej w próżni lub symulowania atmosfer pozaziemskich, takich jak atmosfera Marsa i innych.

Układ do pomiaru przewodnictwa elektrycznego z Arduino, złotymi elektrodami, schemat pomiaru rezystancji.
Rysunek 1: Konstrukcja układu eksperymentalnego.Schemat blokowy przedstawiający prosty układ do pomiaru przewodnictwa elektrycznego, składający się z głównych komponentów, takich jak elektrody, obwody pomiarowe oraz Arduino. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Przewodność elektryczną solanek można zmierzyć za pomocą prostego i niedrogiego układu, przedstawionego na Rysunku 1. Szczegółowa lista produktów niezbędnych do zbudowania układu znajduje się w Tabeli materiałów. Układ składa się przede wszystkim z pary metalowych elektrod o tych samych wymiarach, oddzielonych od siebie znaną odległością, w której umieszcza się badane sole lub mieszaniny soli. Do pomiaru temperatury soli można wykorzystać rezystancyjny czujnik temperatury PT1000. Jeden z płaskich końców elektrod można przylutować do każdego z terminali ekranowanego kabla koncentrycznego. Podobnie dwa terminale czujnika można przylutować do innego ekranowanego kabla koncentrycznego. Drugie końce tych kabli koncentrycznych można odpowiednio podłączyć do obwodów służących do pomiaru przewodności elektrycznej oraz temperatury. Do pobierania i zapisywania danych można wykorzystać płytkę Arduino oraz prosty monitor danych szeregowych.

W kontekście niniejszego eksperymentu wykorzystujemy Model Kwalifikacyjny Inżynieryjny (EQM) instrumentu HABIT/ExoMars 2022, który jest najbliższą repliką Modelu Lotnego (FM), który zostanie wysłany na Marsa w 2022 roku. HABIT to skrót od HabitAbility: Brines, Irradiation, and Temperature. Jest to jeden z dwóch europejskich instrumentów na pokładzie Platformy Powierzchniowej Kazachok misji ExoMars 2022, a jego celem jest badanie warunków zamieszkiwalności w miejscu lądowania, Oxia planum na Marsie. Eksperyment Brine Observation Transition To Liquid (BOTTLE) jest jednym z komponentów instrumentu HABIT, którego celem jest wykazanie stabilności ciekłej wody na Marsie31. Opisany tutaj protokół służy do kalibracji pomiarów przewodnictwa elektrycznego w funkcji tworzenia się solanki w marsjańskich warunkach temperatury, wilgotności względnej oraz atmosfery dwutlenku węgla31. Zostaje on zastosowany w celu uzyskania skalibrowanych pomiarów przewodnictwa elektrycznego BOTTLE, co wspomaga wykrywanie procesu tworzenia się ciekłej solanki na Marsie, co stanowi jeden z głównych celów misji18. Przez kalibrację rozumiemy tutaj kalibrację na poziomie eksperymentu. Kalibracja na poziomie instrumentu jest przeprowadzana poprzez wyznaczenie geometrycznych stałych celi każdej pary elektrod oraz przy użyciu wzorców kalibracyjnych o znanej przewodności elektrycznej31.

Protokół

1. Budowa układu doświadczalnego do pomiaru przewodnictwa elektrycznego

  1. Wybierz wymiary elektrod oraz odległość między parą elektrod. Wymiary elektrod zależą od wymiarów pojemnika na próbkę, a tym samym od ilości zastosowanych soli. Jako odniesienie dla pojemnika na próbkę można przyjąć wymiary pojemnika HABIT BOTTLE opisane poniżej, a ilość soli można sprawdzić w kroku 2.1. Geometryczną stałą ogniwa można wyznaczyć z równania (1).
    Wzór na przenikalność, K=d/A, równanie stosowane w badaniach z zakresu inżynierii materiałowej. (1)
    gdzie d - odległość między parą elektrod, a
    A - pole powierzchni elektrod (= długość x szerokość).
    Geometryczna stała ogniwa, K, określa zakres przewodnictości elektrycznej, dla którego układ pomiarowy jest czuły. Na przykład, K = 1 cm-1  pozwala na pomiary w zakresie 5 – 200 000 µScm-1 , podczas gdy K = 10 cm-1 pozwala na pomiary w zakresie 10 µScm-1  – 1 Scm-1 . Można zastosować różne poziomy par elektrod. Materiał wykonania może być miedzią, platyną, złotem itp. Kilka długoterminowych eksperymentów przeprowadzonych w placówce Omnisys Instrument AB w Szwecji z użyciem elektrod złotych i platynowych przy przepływie prądu stałego (DC) w solance wykazało, że elektrody złote są preferowane ze względu na lepszą odporność na korozję w tych warunkach.
    UWAGA: HABIT posiada łącznie 16 par elektrod, co umożliwia badanie sześciu różnych soli na trzech poziomach (dwie komórki narożne mierzą tylko za pomocą dolnych i środkowych par elektrod) oddzielonych w pojemniku o wymiarach 25 mm x 15 mm x 15 mm (D x Sz x W). BOTTLE wykorzystuje trzy poziomy par elektrod o wymiarach: dolny: 1,6 x 0,4, środkowy: 1,6 x 0,2, górny: 1,6 x 0,2, oddzielonych w odstępach 2,5 cm, co daje stałą ogniwa wynoszącą 3,9062 cm-1  oraz 7,8125 cm-1. Pomiary wykonano przy użyciu optycznego systemu pomiarowego (np. Mitutoyo MF 176).
  2. Przygotuj pojemnik z płaskimi powierzchniami do przechowywania badanych soli, jak pokazano na Rysunku 1. Rozmiar pojemnika można dobrać w zależności od wymiarów geometrycznych elektrod oraz odległości między parą elektrod, w której umieszczone są sole. Można zastosować konfigurację z wieloma pojemnikami. Pojemniki mogą być wydrukowane w 3D z PLA lub preferencyjnie frezowane z aluminium lub innego metalu; powinny być one zabezpieczone przed utratą wody w postaci pary lub wyciekiem cieczy przez ścianki.
  3. Przygotuj powłokę z żywicy epoksydowej 2216 i nałóż ją na ścianki pojemnika(ów). Pozostaw na godzinę do zastygnięcia, a następnie utwardzaj powlekony pojemnik(i) w temperaturze 66 °C przez 2 godziny.
    UWAGA: Dla uzyskania najlepszych rezultatów powłoka epoksydowa może zostać rozpuszczona w rozpuszczalniku i naniesiona metodą natryskową.
  4. Umieść parę elektrod na przeciwległych ściankach pojemnika(ów) i przyklej je za pomocą wcześniej nałożonej żywicy epoksydowej 2216.
  5. Użyj długiego ekranowanego kabla koncentrycznego i przylutuj końce z jednej strony do punktów styku każdej z elektrod w parze.
  6. Podłącz drugi koniec ekranowanego kabla koncentrycznego do dwóch zacisków obwodu pomiarowego przewodności elektrycznej.
    UWAGA: Prosty obwód pomiarowy przewodności elektrycznej można zbudować, łącząc jeden zacisk z źródłem napięcia AC w celu generowania impulsów elektrycznych o określonej częstotliwości, a drugi zacisk z obwodem dzielnika napięcia, aby odczytać spadek napięcia na parze elektrod. Cyfrowe piny wyjściowe Arduino można wykorzystać w trybie modulacji szerokości impulsu (PWM) do generowania wymaganego napięcia AC. Napięcie AC stosuje się w celu zapobiegania korozji elektrod. Spadek napięcia na parze elektrod można również zmierzyć za pomocą analogowych pinów wejściowych Arduino z wbudowanym 10-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Dostępne są również inne komercyjne układy.
  7. Analogicznie, użyj pasty termoprzewodzącej, aby przykleić rezystancyjny czujnik temperatury (RTD) PT1000 do jednej ze ścianek pojemnika(ów).
  8. Użyj innego długiego ekranowanego kabla koncentrycznego, aby połączyć jedną stronę z dwoma zaciskami czujnika PT1000, a drugą stronę z obwodem pomiarowym temperatury.
    ​UWAGA: Prosty obwód pomiarowy temperatury można zbudować, łącząc jeden zacisk ze źródłem napięcia DC, a drugi zacisk z obwodem dzielnika napięcia, aby odczytać spadek napięcia na czujniku PT1000, co można zmierzyć za pomocą analogowych pinów wejściowych Arduino z wbudowanym 10-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Dostępne są również inne komercyjne układy.
    1. Aby przygotować instrument HABIT do układu eksperymentalnego, rozłącz połączenie kablowe między komponentem BOTTLE a jednostką elektroniczną (EU). Następnie odkręć 8 śrub M3 w BOTTLE, aby zdjąć górną pokrywę i uchwyt filtra HEPA w celu odsłonięcia sześciu otwartych komórek. Przed wprowadzeniem badanych soli oczyść komórki i elektrody BOTTLE, najlepiej używając roztworu do czyszczenia elektrod i sterylnego patyczka bawełnianego, aby usunąć wszelkie cząstki lub ciecze.
    2. Przed wprowadzeniem soli przeprowadź kalibrację pomiarów przewodności elektrycznej układu, korzystając z zestawu wzorców kalibracyjnych o znanych wartościach przewodności elektrycznej, aby wyznaczyć współczynniki funkcji kalibracyjnej dla każdej pary elektrod. Jako absolutne zero przewodności elektrycznej systemu przyjmij pomiar przewodności elektrycznej wynoszący 0,0364 µScm-1  (jako punkt zerowy lub suchy), gdy BOTTLE był poddany warunkom próżni w komorze termopróżniowej i utrzymywany w temperaturze 25 °C. Następnie użyj dwóch wzorców kalibracyjnych: 84 µScm-1 oraz 1413 µScm-1 , aby wyprowadzić dwupunktową funkcję kalibracyjną zgodnie z równaniem (2).
      Równanie kalibrowanej przewodności, wzór: σ_calibrated = a2σ_raw² + a1σ_raw + a0 (µS/cm).(2)
      gdzie σcalibrated - rzeczywista skalibrowana przewodność elektryczna,
      σmeasured - surowa zmierzona przewodność elektryczna, oraz
      a2,a1,a0 - stałe wielomianowe
    3. Podstaw surową przewodność elektryczną zmierzoną przez układ do wyprowadzonej funkcji kalibracyjnej, aby uzyskać prawdziwy pomiar przewodności elektrycznej.
      ​UWAGA: Wstępna kalibracja jest przeprowadzana przy zachowaniu temperatury systemu 25 °C. Jednak w miarę zmiany temperatury podczas eksperymentu zmieniają się wartości przewodności elektrycznej. Ponieważ wyprowadzenie funkcji zależności temperatury od przewodności elektrycznej w różnych temperaturach jest złożone, dane o temperaturze wykorzystujemy wyłącznie do określenia stanu fazowego solanki. Kwestia ta została szczegółowo omówiona przez Nazariusa i współpracowników31.

2. Manipulacja próbkami soli higroskopijnych

  1. Odważ określoną ilość soli lub próbki przeznaczonej do badania. Odważyliśmy po 1,5 g czterech różnych soli: chlorku wapnia CaCl2, siarczanu żelaza(III) Fe2(SO4)3, nadchloranu magnezu Mg(ClO4)2 oraz nadchloranu sodu NaClO4 w oddzielnych pojemnikach.
    ​OSTRZEŻENIE: Niektóre sole, w szczególności nadchlorany, są żrące, dlatego należy unikać wszelkiego kontaktu ze skórą lub oczami.
    1. Podczas pracy z solami należy stosować odpowiednią odzież ochronną, gogle i rękawice nitrylowe. W przypadku kontaktu ze skórą lub oczami natychmiast przemyć obfitą ilością wody i skonsultować się z lekarzem.
      ​UWAGA: Oprócz soli dodaliśmy 0,75 g sodowej soli kwasu alginowego (superabsorbent, SAP) do każdego z czterech pojemników z solą i wymieszaliśmy dokładnie, aby uzyskać jednorodną mieszaninę sól-SAP. SAP zastosowano jako środek krzepnący w ramach środków bezpieczeństwa, aby zapobiec podsiąkaniu solanki przez kapilarność i jej wyciekaniu z instrumentu modelu lotnego. Podczas gdy sole absorbują wodę w stanie gazowym z otoczenia atmosferycznego, SAP absorbuje wodę w stanie ciekłym z ciekłej solanki soli w momencie kontaktu z nią. Dodanie SAP wynikało wyłącznie z ograniczeń inżynieryjnych dotyczących przechowywania soli w warunkach ziemskich (przed startem misji ExoMars w 2022 roku) i ma mniejsze znaczenie dla samego eksperymentu. W konsekwencji pomiar przewodności elektrycznej jest wynikiem mieszaniny sól+SAP+woda, co jest spodziewane. Ponieważ celem tego eksperymentu jest monitorowanie absorpcji wody w całym systemie, zmiany przewodności elektrycznej od stanu suchego mieszaniny sól+SAP do stanów nawodnionych uznaje się za istotne dla interpretacji. Procedura kalibracji została przeprowadzona dla tej samej kombinacji sól+SAP.
    2. Należy użyć tych samych mieszanin soli i SAP oraz tych samych mas, które zostały zastosowane w modelu lotnym komponentu BOTTLE instrumentu HABIT/ExoMars.

3. Podawanie próbek soli w układzie eksperymentalnym

  1. Ostrożnie przenieś całą ilość soli odważoną w kroku 2 do pojemnika (pojemników) eksperymentalnych.
    UWAGA: Wcześniej odważoną mieszaninę soli i SAP ostrożnie przeniesiono do czterech komórek BOTTLE w następującej kolejności: Komórka-2: chlorek wapnia CaCl2, Komórka-3: siarczan żelaza(III) Fe2(SO4)3, Komórka-4: nadchloran magnezu Mg(ClO4)4, Komórka-5: nadchloran sodu NaClO4. Komórka-1 i Komórka-6 pozostały puste.
    1. Zachowaj tę samą kolejność co w modelu lotnym BOTTLE, aby ta konfiguracja i eksperyment były ukierunkowane na kalibrację i interpretację jego działania na Marsie.
  2. Wyrównaj górną powierzchnię soli tak, aby zakryły elektrody. Dobierz ilość soli w celu spełnienia tego kryterium.
    UWAGA: Każda mieszanina soli i SAP w BOTTLE ważyła łącznie 2,25 g i zakrywała dolną elektrodę w każdej komórce. Ilość ta została dobrana tak, aby powstała solanka nie przelewała się.
  3. Użyj filtra HEPA, aby przykryć górną część pojemnika (pojemników). Pozwoli to na interakcję soli z względną wilgotnością otoczenia w symulowanym środowisku.
    UWAGA: Do przykrycia mieszanin soli i SAP w BOTTLE użyto nylonowego filtra HEPA z ramką mocującą, a górną pokrywę BOTTLE zabezpieczono 8 śrubami M3.

4. Instalacja układu eksperymentalnego w komorze symulacyjnej

  1. Umieść pojemnik(i) eksperymentalny(e) w komorze symulacyjnej32. Upewnij się, że istnieje dobry kontakt termiczny pomiędzy stołem roboczym komory a pojemnikiem(ami).
  2. Umieść układ pomiarowy przewodności elektrycznej i temperatury na zewnątrz komory. Pozwoli to uniknąć zakłóceń wywołanych temperaturą w obwodach, które mogłyby wpłynąć na dokładność pomiarów.
  3. Wykonaj połączenia zasilania i danych pomiędzy układami pomiarowymi a pojemnikiem(ami) poprzez złącze pośrednie komory symulacyjnej.
    UWAGA: BOTTLE wykorzystuje dedykowany kabel rozdzielający dla swoich 2x złączy DB-9 od strony EU do wewnętrznego złącza DB-25 komory. Kabel rozdzielający jest specjalistycznym kablem połączeń zasilania i danych przeznaczonym do tego celu. Z zewnętrznej strony złącza DB-25 komory podłączono kolejny kabel rozdzielający z połączeniami zasilania do zasilacza DC oraz 2x połączenia danych USB do laptopa z zainstalowanym oprogramowaniem HABIT EQM LabView.

5. Elementy sterujące komorą symulacyjną

Schemat systemu kriogenicznego z pompą rotacyjną, butlą CO₂ i naczyniem Dewar z LN₂, do badania kontroli ciśnienia.
Rycina 2: Układy sterowania komory symulacyjnej32. Przedstawienie komory symulującej warunki na Marsie wraz z poszczególnymi układami sterowania temperaturą, wilgotnością względną oraz ciśnieniem dwutlenku węgla. Pokazano również gniazda przyłączy zasilania i danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Utrzymywanie temperatury stołu roboczego w przedziale od 20 °C do -30 °C
    UWAGA: Temperatura stołu roboczego jest regulowana za pomocą systemu dopływu ciekłego azotu (LN2) zgodnie z protokołem przedstawionym na Rysunku 2. Początkowo w komorze utrzymywana jest temperatura otoczenia laboratorium.
    1. Otwórz zawór przepływu LN2. Temperatura zacznie spadać.
    2. Ustaw pożądaną temperaturę na kontrolerze sprzężenia zwrotnego. Czujnik temperatury PT100 zamontowany na stole roboczym pełni funkcję pętli sprzężenia zwrotnego.
    3. Po osiągnięciu pożądanej temperatury zamknij zawór, aby zatrzymać przepływ LN2.
  2. Utrzymywanie ciśnienia dwutlenku węgla
    1. Włącz pompę próżniową, aż wskaźnik ciśnienia wewnątrz komory wykaże próżnię.
    2. Gdy w komorze powstanie próżnia, wyłącz pompę próżniową i wtryskuj do komory gaz CO2 aż do osiągnięcia ciśnienia 7-8 mbar.
  3. Utrzymywanie wilgotności względnej
    1. Wtryskuj wodę w ilościach 0,5 mL za pomocą stalowej strzykawki Swagelok zamontowanej w komorze. Spowoduje to stopniowy wzrost wilgotności względnej.
      ​UWAGA: Strzykawka jest połączona z zaworem kulowym, co umożliwia wielokrotne wstrzykiwanie wody.
    2. Upewnij się, że ciśnienie mieści się w dopuszczalnych granicach. W przeciwnym razie zwolnij ciśnienie, regulując zawór.

6. Eksperyment dotyczący przewodnictwa elektrycznego w zależności od wilgotności względnej

Konfiguracja komory symulacyjnej dla eksperymentu atmosfery marsjańskiej; monitorowanie ciśnienia i temperatury.
Rycina 3: Eksperyment zależności przewodności elektrycznej od wilgotności względnej. Kroki protokołu eksperymentalnego służące do przeprowadzenia eksperymentu kalibracyjnego w celu wyznaczenia zależności przewodności elektrycznej jako funkcji wilgotności względnej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Włącz pompę próżniową obrotową, aby usunąć całe powietrze z wnętrza komory. Ciśnienie wewnątrz komory spadnie do rzędu 10-3 mbar.
    UWAGA: Wilgotność względna będzie bliska zeru. Temperatura otoczenia stołu roboczego komory wynosi około 20 °C. W miarę obniżania ciśnienia może dojść do wzrostu przewodnictwa elektrycznego oraz temperatury BUTELKI (higroskopijność jest reakcją egzotermiczną).
  2. Ostrożnie wpuść atmosferę dwutlenku węgla z butli gazowej, aby utrzymać ciśnienie między 7 a 8 mbar.
  3. Ustaw temperaturę stołu roboczego na taką wartość, aby czujnik PT1000 mierzący temperaturę pojemnika zarejestrował 20 °C.
  4. Odczekaj około 5 minut w temperaturze 20 °C do osiągnięcia stanu równowagi i rozpocznij akwizycję danych zgodnie z krokiem 7.
  5. Powoli wstrzykuj wodę do wnętrza komory za pomocą systemu strzykawkowego, utrzymując wilgotność względną na poziomie 10%, i odczekaj 5 minut do osiągnięcia stanu równowagi. Jeśli ciśnienie wzrośnie podczas zwiększania wilgotności względnej, wyreguluj zawór pompy próżniowej obrotowej, aby usunąć nadmiar atmosfery.
  6. Powoli zwiększaj wilgotność względną do 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% i 100%. Przy każdej wartości wilgotności względnej utrzymuj ją przez około 5 minut do osiągnięcia stanu równowagi i rozpocznij akwizycję danych zgodnie z krokiem 7.
    UWAGA: To kończy jeden zestaw eksperymentów kalibracyjnych zgodnie z protokołem przedstawionym na Rysunku 3.
  7. Próbka soli mogła już utworzyć solankę. Usuń próbki soli z pojemnika(ów).
  8. Wymień próbki soli dla kolejnego eksperymentu zgodnie z krokiem 8.
  9. Analogicznie obniżaj temperaturę stołu roboczego, aby utrzymać temperaturę pojemnika na poziomie 15 °C, 10 °C, 5 °C, 0°C, -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C oraz -30 °C. Przy każdym przystanku powtórz kroki od 6.5 do 6.8, aby dokonać pomiaru przewodnictwa elektrycznego próbek soli.
    UWAGA: Jako zabezpieczenie, poniżej -33 °C uruchomi się grzałka BUTELKI, aby utrzymać temperaturę między -30 °C a -33 °C. Dlatego przeprowadziliśmy eksperymenty do temperatury -30 °C. Można jednak zdecydować się na niższe temperatury.
  10. Powrót do temperatury otoczenia z najniższej temperatury -30 °C można osiągnąć poprzez przerwanie eksperymentu, zwolnienie próżni i otwarcie przednich drzwi komory, co pozwoli na wymieszanie się powietrza laboratoryjnego i naturalny wzrost temperatury pojemnika. W celu uzyskania dodatkowych danych można zdecydować się na naturalny wzrost temperatury wewnątrz komory. Będzie to jednak bardzo powolny proces, który może zająć od 7 do 10 godzin.

7. Rejestrowanie i zapisywanie danych

  1. Użyj wbudowanego monitora szeregowego Arduino lub zewnętrznego oprogramowania do monitorowania portów szeregowych (np. Teraterm, Realterm itp.).
  2. Skonfiguruj Arduino tak, aby odczytywało dane z obwodów pomiarowych z częstotliwością 1 Hz przez jedną ciągłą godzinę, a następnie przez pierwsze 5 minut każdej kolejnej godziny. Może to mieć zastosowanie w przypadku symulacji cyklu dnia i nocy dla misji Marian opisanej w kroku 9.
  3. Ustaw napięcie zasilacza DC zgodnie ze specyfikacją dla obwodów pomiarowych.
    UWAGA: Kabel zasilający HABIT jest podłączony do zasilacza DC o napięciu 28 V, a dwa połączenia danych USB do laptopa z zainstalowanym oprogramowaniem HABIT EQM LabView. Oprogramowanie obsługuje wyłącznie system Windows 10.
  4. Wprowadź port szeregowy COM dla połączenia danych i uruchom program Arduino.
    UWAGA: Skorzystaj z Menedżera urządzeń, aby zidentyfikować poprawne porty COM.
  5. Zbierz dane przez pierwsze 100 sekund i zatrzymaj akwizycję danych, zamykając monitor szeregowy. Pamiętaj o skopiowaniu danych z okna monitora szeregowego Arduino.
  6. Otwórz edytor tekstu i wklej skopiowane dane, a następnie zapisz je w formacie pliku .txt lub .csv, aby ułatwić późniejszą obróbkę za pomocą MATLAB lub Python.
    ​UWAGA: Zewnętrzne oprogramowanie może posiadać funkcję automatycznego zapisywania.
  7. Nazwij plik z danymi zgodnie z opisem eksperymentu.
  8. Przed następnym zestawem akwizycji danych wykonaj cykl zasilania układu eksperymentalnego, wyłączając i włączając zasilacz DC, a następnie powtórz kroki od 7.3 do 7.7.
    1. W przypadku oprogramowania HABIT EQM LabView: w zakładce Main wprowadź dwa porty COM, COM Port 1 oraz COM Port 2, z których każdy odpowiada jednemu z połączeń danych USB. Kliknij Connect, a następnie Start, aby rozpocząć akwizycję danych z częstotliwością 1 Hz. Rejestruj dane przez pierwsze 100 sekund.
    2. Przejrzyj zebrane dane, klikając zakładkę Debug oraz Open w sekcji Real-time data view. Otworzy to nowe okno z wieloma zakładkami, z których każda odpowiada innym pomiarom instrumentu HABIT. W tym eksperymencie interesują nas zakładki: „Cell 2”, „Cell 3”, „Cell 4”, „Cell 5”, „EU Temperature” oraz „CU Temperature”. Dane zostaną zapisane jako „Log.txt” w formacie HEX w folderze „C:\LABVIEW\Data” na laptopie. Ponowne uruchomienie oprogramowania zastąpi istniejące dane w pliku „Log.txt”.

8. Odnawianie próbek soli

UWAGA: Krok ten wykonuje się w celu wprowadzenia suchych próbek soli dla każdego nowego eksperymentu.

  1. Zatrzymaj eksperyment, ostrożnie odłącz kable i wyjmij pojemnik(i) eksperymentalne z komory symulacyjnej.
  2. Ostrożnie wyjmij filtr HEPA oraz próbki soli z pojemnika(ów) i umieść je w oddzielnych szczelnych workach na odpady biologiczne.
    UWAGA: Nadchlorany i inne sole nie nadają się do utylizacji w zlewie pod bieżącą wodą ani do wyrzucania wraz z odpadami ogólnymi. Należy zadbać o ich zapakowanie do szczelnych worków na odpady biologiczne i utylizację zgodnie z normami usuwania odpadów chemicznych. W przypadku badania innych próbek, takich jak próbki regolitu, polimery itp., produkty odpadowe należy traktować zgodnie z zaleceniami zawartymi w karcie charakterystyki (SDS) tych produktów.
  3. Delikatnie oczyść i przygotuj pojemnik(i) do następnego eksperymentu.
  4. Wykonaj kroki od 2 do 4, aby napełnić pojemnik(i) próbkami soli i umieścić go z powrotem w komorze symulacyjnej.

9. Symulacja cyklu dnia i nocy na Marsie

Konfiguracja komory symulacyjnej dla eksperymentu ciśnienia i wilgotności na Marsie; pokazano wyniki rejestrowania danych.
Rysunek 4: Symulacja cyklu dnia i nocy na Marsie. Kroki protokołu eksperymentalnego służącego do przeprowadzenia symulacji marsjańskiego sola. Należy zauważyć, że kroki 6 i 7 zostały zamienione w stosunku do rysunku 3, ponieważ w przypadku symulacji marsjańskiego cyklu dnia i nocy wilgotność względna jest początkowo ustawiana powyżej 80% przed obniżeniem temperatury (przejście dzień-noc). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Wykonaj kroki od 2 do 4, aby przygotować eksperyment demonstracyjny.
  2. Wykonaj krok 7, aby skonfigurować rejestrację danych eksperymentu i pozyskuj dane w sposób ciągły przez pierwszą godzinę oraz przez pierwsze 5 minut każdej kolejnej godziny, z częstotliwością 1 Hz.
    UWAGA: HABIT wykorzystuje ten rodzaj harmonogramu, aby zapewnić odpowiednią częstotliwość monitorowania i zapobiec nadmiernej ekspozycji elektrod na prąd przemienny.
  3. Symulowanie warunków środowiskowych panujących w Oxia Planum na Marsie w komorze
    UWAGA: Do tej demonstracji wykorzystaliśmy komorę symulacyjną SpaceQ Mars, znajdującą się na Uniwersytecie Technologicznym w Luleå w Szwecji, jak pokazano na Rysunku 4.
    UWAGA: Oxia Planum to planowane miejsce lądowania misji ExoMars 2022 na Marsie.
    1. Włącz pompę próżniową obrotową, aby usunąć całe powietrze z wnętrza komory. Ciśnienie wewnątrz spadnie do rzędu 10-3 mbar.
      UWAGA: Wilgotność względna będzie bliska zeru. Temperatura otoczenia stołu roboczego komory wynosi około 20 °C. W miarę obniżania ciśnienia może nastąpić wzrost przewodnictwa elektrycznego i temperatury pojemnika (delikwescencja jest reakcją egzotermiczną).
    2. Ostrożnie wprowadź atmosferę dwutlenku węgla z butli gazowej, aby utrzymać ciśnienie między 7 a 8 mbar.
    3. Powoli wstrzykuj wodę do wnętrza komory za pomocą strzykawki Swagelok, aby stopniowo zwiększać wilgotność względną. Pamiętaj o regulacji zaworu pompy próżniowej obrotowej w celu usunięcia nadmiaru atmosfery, jeśli ciśnienie przekroczy wymagane limity.
    4. Utrzymuj ciśnienie atmosferyczne dwutlenku węgla na poziomie około 7-8 mbar przy wilgotności względnej około 80%.
    5. Powoli otwórz zawór systemu zasilającego LN2 , aby obniżyć temperaturę stołu roboczego w celu symulacji przejścia dzień-noc na Marsie. Obserwuj ewentualną różnicę między temperaturą stołu roboczego a temperaturą pojemnika.
      UWAGA: Szybkość spadku temperatury można kontrolować, regulując natężenie przepływu LN2 .
    6. Pozostaw układ do czasu spadku temperatury, aż termometr w pojemniku wskaże -30 °C (temperatura stołu roboczego -70 °C), a następnie odetnij dopływ LN2 .
      UWAGA: Jako zabezpieczenie poniżej -33 °C uruchomi się grzałka BOTTLE, aby utrzymać temperaturę między -30°C a -33 °C. Dlatego eksperyment prowadziliśmy do -30 °C. Można jednak zdecydować się na niższe temperatury.
    7. Stół roboczy i pojemnik(i) będą powoli ogrzewać się do temperatury otoczenia laboratorium (przejście noc-dzień). Prawdopodobnie wzrośnie również wilgotność względna, a tym samym ciśnienie. Pamiętaj o obsłudze zaworu pompy próżniowej obrotowej w celu usunięcia nadmiaru ciśnienia.
      ​UWAGA: W tym przypadku przez wilgotność względną rozumiemy korelację z ilością pary wodnej w powietrzu. Ponieważ czujnik wilgotności względnej mierzy powietrze, można uznać, że im wyższa zawartość wilgoci, tym wyższa wilgotność względna. Początkowo, gdy stół roboczy jest zamrożony do -30 °C, para wodna skrapla się i zamarza na stole, a gdy temperatura rośnie, ta skroplona woda odparowuje przy ciśnieniach marsjańskich i jest wykrywana jako wilgoć w powietrzu przez czujnik wilgotności względnej. Zmiany wilgotności względnej powietrza otaczającego wynikają zatem ze zmiany stanu skupienia wody i uwalniania szronu ze stołu roboczego do powietrza w postaci pary podczas wzrostu temperatury.
    8. Gdy temperatura pojemnika osiągnie 20 °C (podobnie jak temperatura stołu roboczego), zakończ eksperyment, znosząc próżnię i otwierając przednie drzwi komory, aby wyjąć zestaw eksperymentalny.

Wyniki

Dane pozyskane w HABIT są zapisane w formacie HEX i przed analizą zostają przekonwertowane na format ASCII. Eksperymenty kalibracyjne pozwoliły ustalić zależność między wartościami przewodnictwa elektrycznego odpowiadającymi formom uwodnionym czterech różnych mieszanin soli i SAP w różnych temperaturach marsjańskich oraz warunkach wilgotności względnej. Zależność w temperaturze 25 °C przedstawiono na Rysunku 5A dla powietrza oraz na Rysunkach 5B-5E dla czterech różnych mieszanin soli i SAP: odpowiednio chlorku wapnia CaCl2- SAP, siarczanu żelaza(III) Fe2(SO4)3 - SAP, nadchloranu magnezu Mg(ClO4)2 - SAP oraz nadchloranu sodu NaClO4- SAP. Zaobserwowano i skatalogowano: i) zmienność pomiarów przewodnictwa elektrycznego w funkcji temperatury oraz ii) zakresy przewodnictwa elektrycznego powietrza i mieszanin soli-SAP w funkcji wilgotności względnej. Informacje te będą kluczowe dla interpretacji stopnia uwodnienia mieszanin soli-SAP podczas operacji BOTTLE na Marsie, z uwzględnieniem odczytanego przewodnictwa elektrycznego, temperatury oraz wilgotności względnej.

Na rysunku 5A zaobserwowano bezpośrednią korelację między przewodnictwem elektrycznym a wilgotnością względną powietrza. Wraz ze wzrostem wilgotności względnej wewnątrz komory, uzyskanym poprzez wstrzykiwanie wody w przyrostach 0,5 mL, wilgotność względna powietrza rosła, co odzwierciedla warunki panujące na Marsie. Przewodnictwo elektryczne wzrosło znacząco. Dolna elektroda jest prawdopodobnie chłodniejsza ze względu na bliskość chłodzonego stołu, co z kolei prowadzi do wyższej RH i wyższego EC. Dla danej kombinacji temperatury i wilgotności względnej przy ciśnieniu marsjańskim podczas tego eksperymentu, zarejestrowano również maksymalne przewodnictwo elektryczne (nieskorygowane temperaturowo) powietrza przy wilgotności względnej 59%. Rysunki 5B-5E pokazują, że wszystkie cztery mieszaniny soli z SAP wiązały wodę w różnym stopniu. Stopniowy wzrost przewodnictwa elektrycznego od RH=0% zaobserwowano dla chlorku wapnia i nadchloranu sodu, natomiast wzrost w okolicach RH=40-50% w przypadku siarczanu żelaza i nadchloranu magnezu. Wszystkie mieszaniny soli z SAP osiągnęły wartość maksymalną przy 85%, co było maksimum uzyskanym wewnątrz komory.

Wykres przewodności elektrycznej w zależności od wilgotności; porównanie elektrod; analiza danych eksperymentalnych.
Rysunek 5: Przewodność elektryczna w funkcji wilgotności względnej (1% - 85%) przy 25 °C. (A) Przewodności elektryczne powietrza, (B) chlorku wapnia, (C) siarczanu żelaza, (D) nadchloranu magnezu oraz (E) nadchloranu sodu przedstawiono w skali logarytmicznej o podstawie 10. Jednostka Elektroniczna (EU) odnotowała średnią temperaturę 25,27 °C (Min: 24,12 °C, Max: 25,95 °C), Jednostka Pojemnika (CU) odnotowała wzrost temperatury od 19,6 °C do 32,91 °C w wyniku egzotermiczności pochłaniania wody. Średnia temperatura stołu roboczego wynosiła 19,11 °C, a średnia temperatura powietrza 19,16 °C. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Przewodność elektryczna soli zależy od wielu czynników. Na koniec eksperymentu zauważyliśmy, że siarczan żelaza(III) był najmniej uwodniony (patrz Rycina 7), wykazując wartości przewodności elektrycznej niższe niż powietrze. Przewodność elektryczna między elektrodami jest również wrażliwa na powierzchnię kontaktu z mieszaniną soli i SAP. Niektóre materiały ziarniste, w tym SAP, mogą być lepszym izolatorem niż wilgotne powietrze. Powietrze w pustym pojemniku miało wystarczającą zawartość wilgoci, która swobodnie się przemieszczała, co skutkowało wyższą przewodnością elektryczną (patrz Rycina 5A) niż w przypadku siarczanu żelaza(III), który nie dostarczył wystarczającej ilości zaabsorbowanej wody, aby wykazać znaczący sygnał przewodności elektrycznej (patrz Rycina 5C). Zaobserwowaliśmy również krople wody w pustych pojemnikach na koniec eksperymentów, co wskazuje, że powietrze między elektrodami było w pewnym momencie nasycone, co doprowadziło do powstania mgły i kondensacji części z niej na ściankach, jak pokazano na Rycynie 5A). Brak niskiej przewodności dolnej elektrody mógł oznaczać, że cząsteczki soli w kontakcie z dolną elektrodą były całkowicie zamrożone (najniższa temperatura panowała na dnie urządzenia ze względu na bezpośredni kontakt z blatem roboczym komory), co objawiało się brakiem przewodności elektrycznej.

W ramach praktycznej demonstracji działania HABIT na Marsie po udanym lądowaniu na początku 2021 roku, przeprowadziliśmy symulację jednego sola warunków środowiskowych w Oxia Planum, planowanym miejscu lądowania misji ExoMars 2022. Uzyskane wyniki odwzorowują cykl dzień-noc operacji BOTTLE na Marsie i dostarczają bezpośrednich danych w odpowiednich warunkach. Rysunek 6 pokazuje, że podczas symulacji marsjańskiego cyklu dzień-noc zaobserwowano delikwescencję we wszystkich mieszaninach soli i SAP. Rysunki 6C-6F przedstawiają wartości przewodności elektrycznej czterech różnych mieszanin soli i SAP: odpowiednio chlorku wapnia CaCl2- SAP, siarczanu żelaza(III) Fe2(SO4)3 - SAP, nadchloranu magnezu Mg(ClO4)2 - SAP oraz nadchloranu sodu NaClO4- SAP.

Wykres szeregów czasowych danych środowiskowych; zmiany ciśnienia, temperatury i przewodności; wiele czujników.
Rycina 6: Skalibrowane pomiary przewodności elektrycznej w symulacji marsjańskiego sola. (A) Ciśnienie i wilgotność względna, (B) temperatura gruntu i powietrza, (C) przewodności elektryczne chlorku wapnia, (D) siarczanu żelaza(III), (E) nadchloranu magnezu, (F) nadchloranu sodu (w skali logarytmicznej o podstawie 10), oraz (G) temperatury jednostki elektronicznej (EU) i jednostki pojemnika (CU) lub BUTELKI. Linie pionowe z zakreślonymi numerami wskazują poszczególne fazy symulacji. 0-1: Pompowanie powietrza w celu uzyskania próżni i wtryskiwanie dwutlenku węgla w celu utrzymania ciśnienia 7-8 mbar przy stałej temperaturze, 1-2: wtryskiwanie wody w celu zwiększenia wilgotności względnej przy stałej temperaturze, 2-3: włączenie chłodzenia stołu roboczego w celu obniżenia temperatury (przejście dzień-noc), któremu towarzyszy spadek wilgotności względnej, oraz 3-4: wyłączenie chłodzenia stołu roboczego w celu podwyższenia temperatury (przejście noc-dzień), któremu towarzyszy wzrost wilgotności względnej. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wstępny wzrost przewodnictwa elektrycznego można przypisać gwałtownemu spadkowi ciśnienia przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wilgotności względnej, co przyspieszyło proces wychwytywania wody, a następnie odgazowanie pozostałej wody w mieszaninie. Było to zgodne również z egzotermicznością procesu wychwytywania wody przez sole. Wzrost temperatury w jednostce elektronicznej (Electronics Unit, EU) oraz butli (BOTTLE) może wynikać z połączenia szybkiej depresuryzacji (przy stałej objętości) oraz egzotermicznego charakteru oddziaływania soli z wodą. Spadek ciśnienia zaobserwowany około godziny 13:00 może być powiązany z osiągnięciem najniższej temperatury na stole roboczym, co zbiega się w czasie z niewielkim wzrostem wilgotności względnej (RH). W niższych temperaturach stół roboczy działał jak pochłaniacz wody, zamrażając kropelki wody, w związku z czym wilgotność względna powietrza była niska. W tej fazie przejścia z dnia w noc w warunkach marsjańskich w krzywych przewodnictwa elektrycznego nie odnotowano znaczących zmian. Jednak podczas przejścia z nocy w dzień, gdy temperatura oraz wilgotność względna wzrosły, mieszanina soli i polimeru superabsorpcyjnego (SAP) zaczęła systematycznie wychwytywać wodę, co wskazuje wzrost przewodnictwa elektrycznego w późniejszej części eksperymentu, odzwierciedlony również przez nagły wzrost temperatury w butli (BOTTLE). Końcowe wartości przewodnictwa elektrycznego wskazują stopień wychwytywania wody przez każdą z czterech mieszanin soli-SAP, co przedstawiono na Rysunku 7. Wszystkie mieszaniny soli-SAP pochłonęły wodę, a w szczególności mieszanina soli chlorku wapnia i SAP doprowadziła do powstania ciekłej solanki. Maksymalna wartość przewodnictwa elektrycznego solanki CaCl2 wynosząca ̴100 µScm-1 jest zgodna z literaturą31.

Właściwości higroskopijne soli: CaCl2, Fe2(SO4)3, Mg(ClO4)2, NaClO4 w eksperymencie w komorze klimatycznej.
Rysunek 7: Zdjęcia mieszanin soli z SAP. (A) przed i (B) po symulacji marsjańskiego sola. Od lewej do prawej: warunki początkowe dla 1,5 g każdego z następujących związków: chlorku wapnia, siarczanu żelaza(III), nadchloranu magnezu i nadchloranu sodu, z dodatkiem 0,75 g SAP do każdej soli. Chlorek wapnia w lewym rogu wytworzył płynną solankę, wykazując również istotne wartości przewodnictwa elektrycznego wynoszące ̴100 µScm-1. Wszystkie pozostałe mieszaniny soli z SAP również pochłonęły znaczne ilości wody, co objawia się ich wilgotnym wyglądem na zdjęciach. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Jest to pierwsza próba scharakteryzowania przewodnictwa elektrycznego procesu powstawania solanki w warunkach próżni lub ciśnienia marsjańskiego. Kluczowym elementem tego eksperymentu jest symulacja marsjańskiego cyklu dnia i nocy za pomocą komory symulacyjnej Marsa w celu zbadania soli. Wyniki rozpływania się soli są pokazane jako wynik reprezentatywny, podczas gdy nacisk kładziony jest bardziej na osiągnięcie wymaganych warunków do symulacji środowiska marsjańskiego. Dzięki temu pierwszemu eksperymentowi rozumiemy teraz proces i ograniczenia komory, jak wspomniano w części omawiającej manuskrypt. W przyszłych eksperymentach będziemy postępować zgodnie z tym protokołem dla różnych eksperymentów naukowych, które są istotne dla procesów na Marsie. We wcześniejszych badaniach przeprowadzono pomiary przewodności elektrycznej w środowiskowych ciśnieniach laboratoryjnych 27,28,29. Pomiar w warunkach niższych ciśnień stanowi wyzwanie i dlatego wymagał modyfikacji protokołu stosowanego w warunkach ciśnienia gruntu. Podczas poprzedniej kampanii kalibracyjnej w komorze klimatycznej pod ciśnieniem otoczenia, różne hydraty zostały przygotowane przez dodanie określonych ilości soli i wody, przed każdym zestawem eksperymentów, aby określić związek między przewodnością elektryczną a formą hydratu soli w różnych temperaturach Marsa31. Jednak przy ciśnieniu marsjańskim dodana woda używana do tworzenia hydratów w końcu odgazowuje się podczas zmniejszania ciśnienia, dlatego rozpoczynaliśmy każdy eksperyment od suchej mieszaniny soli i SAP i regulowaliśmy wilgotność względną, aby przejść przez różne formy hydratów.

Wcześniejsze badania monitorujące proces powstawania solanki przy użyciu metod spektroskopii Ramana na ogół prowadzono z pojedynczym granulem cząstki soli w komórce środowiskowej i obserwowano przejścia fazowe w obszarze rozciągania O-H widm Ramana 1,9,18. Charakterystyka przewodnictwa elektrycznego procesu powstawania solanki uznała za bardziej czułą na pośrednie przemiany fazowe niż istniejąca spektroskopia Ramana i zapewniła ciągły szereg czasowy procesu powstawania solanki27. Na podstawie naszych eksperymentów wykazaliśmy również, że przewodność elektryczna jest realną opcją pomiaru próbek soli luzem z dobrą precyzją.

Podczas projektowania systemu pomiaru przewodności elektrycznej dla instrumentu HABIT stanęliśmy przed wyzwaniami, z którymi musieliśmy się zmierzyć. Wybór materiału elektrody opierał się na jej odporności na korozję i gładkości powierzchni, aby uniknąć sporadycznych zakłóceń w pomiarach przewodności elektrycznej. Sole higroskopijne czasami wspinają się po ściankach pojemnika poprzez kapilarność, dlatego wybór powłoki hydrofobowej jest niezbędny. Zastosowaliśmy powłokę na bazie kompozycji żywicy epoksydowej, która zapobiegała podciąganiu się kapilar solanki. Również charakterystyki elektryczne, takie jak napięcie impulsu elektrycznego, jego częstotliwość i rezystor odniesienia wykrywający prąd, miały kluczowe znaczenie dla projektu. BOTTLE wykorzystuje napięcie polaryzacji ±2,048 V z impulsem elektrycznym ±70 mV i ±700 V dla trybów niskiej i wysokiej przewodności. Impulsy elektryczne o częstotliwości 1 kHz przechodzą przez złotą elektrodę i przez próbki soli do badania, a następnie są odczytywane na złotej elektrodzie po drugiej stronie za pomocą rezystorów odniesienia 10 k-omów i 100 omów odpowiednio dla modów niskiej i wysokiej przewodności.

Ponieważ każdy z eksperymentów mających na celu scharakteryzowanie przewodności elektrycznej w funkcji wilgotności względnej wymagał stałej i stabilnej temperatury, protokół został zaprojektowany tak, aby mieścił się w granicach stabilności temperatury komory symulacyjnej Marsa. Zauważalna jest różnica w temperaturze stołu roboczego (regulowanej przez system przepustowy LN2 komory) a temperaturą BUTELKI ze względu na izolację termiczną. Oznacza to, że temperatura stołu roboczego nie zawsze jest identyczna z temperaturą BUTELKI i różnica ta musi być uwzględniona w celu uzyskania optymalnych warunków eksperymentu.

Przyszłe eksperymenty w komorze symulacyjnej Marsa będą obejmowały wyprowadzenie zależności między przewodnością elektryczną powietrza a wilgotnością względną w różnych temperaturach. Podczas symulacji Mars Sol zaobserwowaliśmy możliwą korelację między wilgotnością względną powietrza a jego przewodnością elektryczną. Może to być istotne dla kalibracji dwóch pustych komórek na dwóch końcach BUTELKI i włączenia jej do kalibracji mieszanin sól-SAP w celu dokładniejszej interpretacji ich poziomu uwodnienia. Aby przeprowadzić ten eksperyment, puste pojemniki eksperymentalne można dostosować bez żadnych próbek soli zgodnie z tym samym protokołem eksperymentu.

Opisany protokół eksperymentu zapewnia prostszy, łatwy do dostosowania alternatywny sposób monitorowania procesu tworzenia się solanki, który można również zastosować do innych próbek, które mogą wchodzić w interakcje z wilgocią atmosferyczną. Może to być uzupełnienie badań nad zrozumieniem właściwości fizycznych i chemicznych solanek tworzonych przez mieszaniny soli morskiej, które będą miały zastosowanie do określenia warunków, w których solanki mogą reagować z powierzchniami kanistrów powszechnie używanymi do przechowywania paliwa jądrowego i odpadów promieniotwórczych33,34. Właściwości korozyjne solanek dla różnych materiałów można badać w różnych warunkach środowiskowych poprzez dostosowanie protokołu. Zastosowaliśmy ten protokół do zbadania właściwości rozpływających się czterech mieszanin soli i SAP, które przewozimy na Marsa na pokładzie instrumentu HABIT. Jednak właściwości higroskopijne soli lub mieszanin soli w dowolnej postaci, na przykład cząstek dymu, mogą być analizowane pod kątem ich potencjału zarodkowania chmur24. Protokół eksperymentu może być również zastosowany do symulacji różnych zjawisk związanych z atmosferą i powierzchnią Marsa oraz w innych miejscach w laboratorium.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Model Kwalifikacji Inżynierskiej HABIT (EQM), który został użyty do eksperymentów, został wyprodukowany przez Omnisys, Szwecja, jako część rozwoju projektu HABIT, pod nadzorem MPZ i JMT, i finansowany przez Szwedzką Narodową Agencję Kosmiczną (SNSA). HABIT i BUTELKA to autorskie pomysły MPZ i JMT. Komora symulacyjna Marsa SpaceQ to placówka Uniwersytetu Technologicznego Luleå znajdująca się w Luleå w Szwecji. Fundacja Kempe sfinansowała projekt i wyprodukowanie komory SpaceQ. Komora SpaceQ została wyprodukowana przez Kurt J. Lesker Company z Wielkiej Brytanii, pod nadzorem MPZ. MPZ został częściowo sfinansowany przez Hiszpańską Państwową Agencję Badawczą (AEI) Projekt nr. MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) oraz przez hiszpańskie Ministerstwo Nauki i Innowacji (PID2019-104205GB-C21). AVR i JMT dziękują za wsparcie ze strony Fundacji Wallenberga.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
84 &mikro; S/cm oraz 1413 &mikro; Wzorzec wzorca przewodności S/cmAtlas Sicific CHEM-EC-0.1
Arduino UnoArduino8058333490090
Chlorek wapniaSigma AldrichNumer CAS: 10043-52-4Bezwodny, sypki, ≥ 96%
Butla z dwutlenkiem węglaAGA Gas 
Pojemnikeksperymentalny wydrukowany w 3D w PLA lub frezowany w aluminium/innym metalu 
Obwód kondensacyjny EZOAtlas Sicific Obwód RTD EZO-EC
EZO AtlasScienific EZO-RTD
Siarczan żelazaSigma AldrichNumer CAS: 15244-10-797%
złote elektrodySpecjalnie zaprojektowany
filtr HEPANittoNTF9317-H02
Zbiornik ciekłego azotuAGA Gas 
Nadchloran magnezuSigma AldrichNumer CAS: 10034-81-8Sypkie, ≥ 99.0% 
ManometrPiraniCCPG− H2− 11x10-9  do 1000 mbar
PT100
PT1000
Klej epoksydowy Scotch-Weld3MEC-2216 B/A
Nadchloran soduSigma AldrichNumer CAS: 7601-89-0Sypkie, ≥ 98,0%
Sól sodowa kwasu alginowego (SAP)Sigma AldrichNumer CAS: 9005-38-3Proszek
Sterylna wodaVWR Chemicals BDHNumer CAS: 7732-18-5 VWR: 75881-014Woda ASTM Typ II, Odczynnik
Strzykawka SwagelokFischer scientific Sonda KD Scientific 780812
T/RHVaisalaHMT 334(-70 do + 180C) i (0 do 100% RH)
Teraterm
Whitebox Labs Tentacle ShieldAtlas Scienific TEN-SH
Czujnik Czujnik

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Tworzenie solankirozwilgotnienie soliwilgotno wzgl dnakontrola temperaturysymulacja ci nieniaatmosfera dwutlenku w glakomora marsja ska SpaceQcykl dzie noc
Film wkrótce dostępny
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.