Измерение электропроводности для изучения образования рассолов в марсианских условиях

Краткое содержание

Целью протокола является мониторинг гидратации солей и процесса образования рассола. В качестве метода измерения используется электропроводность. Эксперименты проводятся в смоделированной марсианской среде с температурой, относительной влажностью и атмосферой углекислого газа.

Аннотация

В этой статье описывается протокол разработки экспериментов по изучению образования рассолов в марсианских условиях и мониторингу процесса с помощью измерений электропроводности. Для постановки эксперимента мы использовали инструмент Engineering Qualification Model (EQM) of Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT) / ExoMars 2022, но мы кратко расскажем о создании простой и недорогой установки для измерения электропроводности. Протокол служит для калибровки измерений электропроводности разжижения соли в рассол в моделируемой марсианской среде. Марсианские условия температуры (от -70 °C до 20 °C), относительной влажности (от 0% до 100%) и давления (от 7 до 8 мбар) с атмосферой углекислого газа были смоделированы в камере моделирования Марса SpaceQ, расположенной в Технологическом университете Лулео, Швеция. Гидратная форма известного количества соли, размещенной между парой электродов, и, таким образом, измеряемая электропроводность зависит преимущественно от содержания в ней воды, а также от температуры и относительной влажности системы. Измерения электропроводности проводились с частотой 1 Гц при воздействии на соли постоянно возрастающей относительной влажности (для принудительного перехода через различные гидраты) при различных марсианских температурах. Для демонстрации был воссоздан цикл дня и ночи на Oxia Planum на Марсе (посадочной площадке миссии ExoMars 2022).

Введение

Одной из основных тем исследований планетарных исследований является круговорот воды, но трудно разработать общую, надежную и масштабируемую процедуру, позволяющую контролировать взаимодействие атмосферы с землей. Лабораторное моделирование может воссоздать планетарные атмосферы, поверхности и взаимодействия внутри. Однако это сопряжено с непростыми задачами, начиная от закупки необходимого оборудования и заканчивая обучением персонала. В данной статье описывается протокол разработки экспериментов по изучению образования рассолов в марсианских условиях температуры, относительной влажности и атмосферы с углекислым газом, а также осуществляется мониторинг процесса с помощью измерений электропроводности. Мы также кратко расскажем о создании простой и недорогой установки для измерения электропроводности. Протокол может быть адаптирован для разработки подобных экспериментов в вакууме или других планетарных атмосферах.

Важность исследований образования соляного раствора
Гигроскопичные соли могут поглощать атмосферный водяной пар с образованием жидких растворов в процессе, называемом разжижением. Этот процесс создает соляной раствор при благоприятных условиях на поверхности Земли и Марса, который, вероятно, будет существовать в определенное время и в определенных местах. Обратный процесс, называемый высолами, также возможен, когда рассолы обезвоживаются при неблагоприятных условиях. Вероятное существование рассолов на поверхности или под поверхностью Марса имеет несколько последствий для текущих наземных и марсианских исследований. Кроме того, соли могут гидратировать, удерживать и высвобождать молекулы воды, что также влияет на круговорот воды и свойства реголита.

В мире растет интерес к определению температурных, относительных условий влажности и давления, благоприятных для образования рассолов из-за разжижения солей и соляных смесей, как для Земли, так и для Марса. Полевые наблюдения темных крутых водных путей вблизи водораздела пруда Дон Хуан (DJP) и образование влажных участков в сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде были отнесены к образованию соляного раствора в богатых кальцием^{отложениях.}

Эти результаты также были подтверждены лабораторными экспериментами, имитирующими низкие температуры от -30 °C до 15 °C и относительную влажность от 20% до 40^%. Хлоридсодержащие эвапориты в регионе Юнгай в гиперзасушливом ядре пустыни Атакама в Чили могут поглощать воду и служить убежищем для микробной жизни³. Процессы, происходящие в DJP и самых сухих местах на Земле, таких как пустыня Атакама, могут быть аналогичны некоторым марсианским исследованиям, предполагающим, что подобные процессы могут происходить на современном Марсе 1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16. Недавние наблюдения дистанционного зондирования Салар-де-Уюни (боливийское альтиплано) описали процесс, аналогичный тому, который наблюдается на Марсе с орбиты¹⁷. Несмотря на суровые условия, процесс образования рассола, вызванный разжижением, может поддерживать жидкую воду в количествах, достаточных для того, чтобы колонии бактерий могли процветать глубоко в соляных конкрециях^. Это представляет интерес для астробиологов и планетологов.

^{Сообщалось о} суточном поглощении и десорбции атмосферной влаги растворяющимися солями в марсианском реголите ^4,5. Процесс образования соляного раствора из перхлоратов, существующих на Марсе, уже изучали, наблюдая за изменениями фазы или гидратационного состояния отдельных частиц соли ^1,9,18. Различные исследования, связанные с соляным раствором, также были проведены в условиях, относящихся к Марсу, чтобы определить значения относительной влажности, при которых марсианские соли и солевые смеси будут подвергаться разжижению и высолу 19,20,21. Другие использовали эти условия эксперимента для изучения скорости испарения рассолов при марсианской температуре, относительной влажности^{и атмосфере с} углекислым газом.

Методы обнаружения и мониторинга образования соляного раствора
Существует несколько методов мониторинга процесса образования рассола. Визуальное наблюдение и изображения в видимом диапазоне длин волн являются самыми простыми. Взвешивание солей для наблюдения за увеличением массы вполне может быть использовано²³. Обычно параметры окружающей среды, такие как температура, относительная влажность и давление, контролируются для правильной интерпретации наблюдений. В некоторых исследованиях использовался гигрометр. Гигроскопические свойства солей также можно измерить с помощью дифференциальных анализаторов подвижности или электродинамических весов, но их работа недостаточно точна при относительной влажности 90%²⁴. В последних исследованиях широко используются просвечивающие и сканирующие электронные микроскопы (ПЭМ и СЭМ). Оба этих микроскопа имеют клетки окружающей среды, которые позволяют изучать взаимодействие воды с отдельными частицами соли²⁴. Фазовые переходы и переходы в отдельных частицах соли обычно регистрируются с помощью оптической, инфракрасной (ИК) или рамановской спектроскопии, включенной в экспериментальную установку 8,13,19,20,25. Существующие спектроскопические методы обеспечивают хорошие пределы наблюдения и четкое обнаружение фазовых переходов, но они несовместимы для мониторинга объемных проб соли и для непрерывного мониторинга процесса образования рассола на промежуточных стадиях фазовых переходов. Кроме того, лазерные микроскопические устройства, такие как «рамановский микроскоп», стоят дорого и могут потребовать сложной экспериментальной установки.

В качестве метода измерения мы используем электропроводность. Измерения для определения относительной влажности, при которой соли подвергаются разжижению, были выполнены с использованием электропроводности, где полученные значения хорошо согласуются с значениями, определенными с помощью стандартного гигрометра²⁶. Временные ряды процесса образования рассола жидких солей были ранее изучены с использованием электропроводности Heinz et ^al.27. Здесь они использовали смесь имитатора АО «Марс-1а» и перхлоратов или хлоридов. Метод электропроводности также был использован для обнаружения жидкой или замерзшей воды в почвах ^28,29. Преимущество этого метода заключается в том, что его можно применять как к небольшим, так и к средним образцам, при условии, что они содержатся в пространстве между двумя электродами.

Этот протокол может быть полезен для разработки подобных экспериментов, которые включают в себя контроль температуры и относительной влажности в вакууме или моделирование внеземных атмосфер, таких как Марс и другие.

Рисунок 1: Построение установки для эксперимента. Блок-схема, показывающая простую установку для измерения электропроводности, состоящую из основных компонентов, таких как электроды, измерительные цепи и Arduino. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Электропроводность рассолов можно измерить с помощью простой недорогой установки, как показано на рисунке 1. Конкретные продукты для создания установки приведены в Таблице материалов. Установка в основном состоит из пары металлических электродов одинаковых размеров, разделенных известным расстоянием, в пределах которого размещаются соли или солевые смеси для исследования. Для измерения температуры солей можно использовать резистивный датчик температуры PT1000. Один из плоских концов электродов может быть припаян к каждой клемме экранированного коаксиального кабеля. Аналогичным образом, два вывода датчика могут быть припаяны к другому экранированному коаксиальному кабелю. Другие концы каждого из этих коаксиальных кабелей могут быть подключены к цепям для измерения электропроводности и температуры соответственно. Для извлечения данных и их хранения можно использовать плату Arduino и простой монитор последовательных данных.

В контексте этого эксперимента мы используем инженерную квалификационную модель (EQM) прибора HABIT/ExoMars 2022, ближайшей копии летной модели (FM), которая будет отправлена на Марс в 2022 году. HABIT расшифровывается как HabitAbility: рассолы, облучение и температура. Он является одной из двух европейских полезных нагрузок в составе надводной платформы ExoMars 2022 « Казачок » и имеет целью изучение условий обитаемости на месте посадки, Oxia planum, Марс. Эксперимент по наблюдению за переходом в жидкость (BOTTLE) является одним из компонентов инструмента HABIT, целью которого является демонстрация стабильности жидкой воды на^{Марсе-31}. Описанный здесь протокол служит для калибровки измерений электропроводности в зависимости от образования рассола в марсианских условиях температуры, относительной влажности и атмосферы углекислого газа³¹. Это применяется для получения откалиброванных измерений электропроводности BOTTLE, что помогает в обнаружении процесса образования жидкого рассола на Марсе, что является одной из основных целей миссии^. Под калибровкой здесь мы подразумеваем калибровку на уровне эксперимента. Калибровка на уровне прибора выполняется с определением геометрических констант ячейки каждой пары электродов и с калибровочными эталонами известной электропроводности³¹.

Протокол

1. Построение экспериментальной установки для измерения электропроводности

1. Выберите размеры электродов и расстояние между электродной парой. Размеры электродов зависят от размеров контейнера для образца и, следовательно, от количества используемых солей. Размеры контейнера HABIT BOTTLE, указанные ниже, могут быть взяты за основу для контейнера для образца, а количество солей может быть указано в шаге 2.1. Геометрическая константа ячейки может быть выведена из уравнения (1).
   (1)
   где, d - расстояние между электродной парой, а
   A - Площадь электродов (= Длина x Ширина).
   Постоянная геометрической ячейки K определяет диапазон электропроводности, к которому чувствительна измерительная установка. Например, K = 1 ^см-1 может измеряться в диапазоне 5 - 200 000 μScm-1, в то время как K = 10 ^cm-1 может измеряться в диапазоне 10 μScm-1 - 1 ^Scm-1. Могут быть различные уровни электродных пар. Выбор материала может быть из меди, платины, золота и т.д. Несколько длительных экспериментов на предприятии Omnisys Instrument AB (Швеция) с золотыми и платиновыми электродами, пропускающими постоянный ток (DC) в соляной среде, показали, что золотые электроды являются предпочтительными с точки зрения лучшей коррозионной стойкости для этой операции.
   ПРИМЕЧАНИЕ: HABIT имеет в общей сложности 16 электродных пар с возможностью исследования шести различных солей на трех уровнях (две угловые ячейки измеряют только парами низких и средних электродов), разделенных в контейнере размеров 25 мм x 15 мм x 15 мм (Д x Ш x В). В BOTTLE используются три уровня размеров пар электродов: Низкий: 1,6 x 0,4, Средний: 1,6 x 0,2, Высокий: 1,6 x 0,2, разделенные на 2,5 см, что дает постоянную ячейки 3,9062 ^см-1 и 7,8125 ^см-1. Измерения проводились с помощью оптической измерительной системы (например, Mitutoyo MF 176).
2. Подготовьте контейнер с плоскими поверхностями для хранения солей для исследования, как показано на рисунке 1. Размер контейнера может быть выбран в зависимости от геометрических размеров электродов и расстояния между электродной парой, где размещаются соли. Возможна адаптация конфигурации нескольких контейнеров. Контейнеры могут быть напечатаны на 3D-принтере из PLA или, желательно, фрезерованы из алюминия или другого металла, они должны быть защищены от потери воды в виде пара или утечки жидкости через стенки.
3. Приготовьте покрытие из эпоксидной смолы 2216 и нанесите его на стенки контейнера (контейнеров). Оставьте на час, чтобы он схватился, и отверждите контейнер с покрытием при температуре 66 °C в течение 2 часов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эпоксидное покрытие можно растворить в растворителе и распылить для достижения наилучших результатов.
4. Разместите электродную пару на противоположных стенках контейнера (контейнеров) и приклейте их уже нанесенной эпоксидной смолой 2216.
5. Используйте длинный экранированный коаксиальный кабель и припаяйте концы с одной стороны к точке контакта каждого из электродов в паре.
6. Подключите другой конец экранированного коаксиального кабеля к двум клеммам измерительной цепи электропроводности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Простая схема измерения электропроводности может быть построена с одним выводом к источнику переменного напряжения для генерации электрических импульсов с заданной частотой, а другим выводом к цепи делителя напряжения для считывания падения напряжения на электродной паре. Цифровые выходные контакты Arduino могут использоваться в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для генерации необходимого напряжения переменного тока. Переменное напряжение используется для предотвращения коррозии электродов. Падение напряжения на электродной паре также можно измерить с помощью аналоговых входных выводов Arduino со встроенным 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Также доступны другие коммерческие схемы.
7. Аналогичным образом используйте термопасту, чтобы приклеить резистивный датчик температуры PT1000 (RTD) на одну из стенок контейнера (контейнеров).
8. С помощью другого длинного экранированного коаксиального кабеля подключите одну сторону к двум клеммам датчика PT1000, а другую — к цепи измерения температуры.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Простая схема измерения температуры может быть построена с одной клеммой к источнику постоянного напряжения, а другой клеммой к цепи делителя напряжения для считывания падения напряжения на датчике PT1000, которое может быть измерено с помощью аналоговых входных контактов Arduino со встроенным 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Также доступны другие коммерческие схемы.
   1. Чтобы подготовить прибор HABIT к экспериментальной установке, отделите кабельное соединение между компонентом BOTTLE и электронным блоком (EU). Затем открутите 8x болтов M3 BOTTLE, чтобы снять верхнюю крышку и держатель фильтра HEPA, чтобы обнажить шесть открытых ячеек. Перед вводом солей для исследования очистите ячейки и электроды флакона, желательно с помощью раствора для чистки электродов и стерильного ватного тампона, чтобы очистить их от каких-либо частиц или жидкостей.
   2. Выполните калибровку измерений электропроводности установки перед подачей солей с использованием набора калибровочных стандартов с известными значениями электропроводности для определения коэффициентов калибровочной функции для каждой пары электродов. Используйте измерение электропроводности 0,0364 ^μScm-1 (в качестве нуля или сухой точки), когда BOTTLE подвергался воздействию вакуума в термовакуумной камере и поддерживался при температуре 25 °C, в качестве абсолютного нуля электропроводности системы. Кроме того, используйте два калибровочных стандарта: 84 ^μScm-1 и 1413 μScm-1 для получения двухточечной калибровочной функции, как показано в уравнении (2).
      (2)
      где, σ_calibrated - Калиброванная фактическая электропроводность,
      σ_{измерено} - Исходная измеренная электропроводность, и
      a_{2,a 1,a 0} - Полиномиальные константы
   3. Подгонка исходной электропроводности, измеренной с помощью установки, к производной функции калибровки для достижения истинного измерения электропроводности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Первоначальная калибровка достигается при поддержании температуры системы на уровне 25 °C. Однако по мере изменения температуры в ходе эксперимента изменяются и значения электропроводности. Поскольку получение функций зависимости температуры от электропроводности при разных температурах становится все более сложным, мы используем данные о температуре только для определения фазового состояния рассола. Nazarious et ^al.31 подробно обсуждали этот аспект.

2. Манипуляции с образцами жидких солей

1. Взвесьте определенное количество соли или образец, который рассматривается для исследования. Мы взвесили по 1,5 г каждой из четырех различных солей: хлорида кальция CaCl₂, сульфата железа_{Fe 2}(SO₄)₃, перхлората магния Mg(ClO₄)₂ и перхлората натрия NaClO₄в отдельных контейнерах.
   ВНИМАНИЕ: Некоторые соли, особенно перхлораты, вызывают коррозию, поэтому следует избегать любого контакта с кожей или глазами.
   1. Используйте подходящую химическую одежду, очки и нитриловые перчатки при работе с солями. При попадании на кожу или в глаза немедленно промойте большим количеством воды и обратитесь к врачу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В дополнение к солям, мы добавили 0,75 г натриевой соли альгиновой кислоты (Super Absorbent Polymer, SAP) в каждую из четырех емкостей с солью и тщательно перемешали, чтобы получить однородную смесь соли и SAP. Мы использовали SAP в качестве затвердевающего агента в качестве меры безопасности, чтобы избежать подъема рассола за счет капиллярности и стекания с прибора летной модели. В то время как соли поглощают газообразную воду из атмосферной среды, SAP поглощает воду из жидкого состояния, из жидкого рассола солей, когда он вступает с ней в контакт. Добавление SAP было связано исключительно с инженерными ограничениями для хранения солей в земных условиях (до запуска «ЭкзоМарса» в 2022 году) и имеет меньшее значение для самого эксперимента. Следовательно, измерение электропроводности является результатом ожидаемой смеси соль + SAP + вода. Поскольку целью данного эксперимента является мониторинг поглощения воды во всей системе, изменения электропроводности от сухого состояния соль+SAP до гидратированного состояния считаются релевантными для интерпретации. Процедура калибровки также проводилась для той же комбинации соль+SAP.
   2. Используйте те же смеси соли и SAP, что и для летной модели компонента BOTTLE прибора HABIT/ExoMars.

3. Подача образцов соли в установку для эксперимента

1. Осторожно переложите всю предварительно взвешенную соль на шаге 2 в контейнер (контейнеры) для эксперимента.
   Примечание: Предварительно взвешенную смесь соли и SAP осторожно переносили в четыре ячейки BOTTLE в следующем порядке: Ячейка-2: хлорид кальция_{CaCl 2}, Ячейка-3: сульфат железа_{Fe 2}(SO₄)₃, Ячейка-4: перхлорат магния Mg(ClO₄)₄, Ячейка-5: перхлорат натрия NaClO₄. Камера-1 и камера-6 остались пустыми.
   1. Следуйте тому же порядку в летной модели BOTTLE, поэтому эта конфигурация и эксперимент направлены на калибровку и интерпретацию его работы на Марсе.
2. Выровняйте верхнюю поверхность солей так, чтобы они покрывали электроды. Выбирайте количество солей для достижения этого критерия.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая смесь соли и сока ФЛАКОНА весила в общей сложности 2,25 г и покрывала нижний электрод в каждой ячейке. Такое количество было выбрано для того, чтобы образовавшийся рассол не перелился.
3. Используйте HEPA-фильтр, чтобы покрыть верхнюю часть контейнера (контейнеров). Это позволит взаимодействовать солей с относительной влажностью окружающей среды моделируемой среды.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для покрытия солевых смесей в BOTTLE использовался HEPA-фильтр на нейлоновой основе с держательной рамой, а верхняя крышка BOTTLE была закреплена 8 болтами M3.

4. Установка установки для эксперимента в камеру моделирования

1. Поместите контейнер (контейнеры) для эксперимента в камеру³² для моделирования. Убедитесь в хорошем тепловом контакте между рабочим столом камеры и контейнером (контейнерами).
2. Поместите контур измерения электропроводности и температуры за пределы камеры. Это позволит избежать любых шумов, вызванных температурой, в цепях, которые могут нарушить результаты измерений.
3. Установите соединение питания и передачи данных между измерительными цепями и контейнером (контейнерами) через промежуточный разъем камеры моделирования.
   ПРИМЕЧАНИЕ: BOTTLE использует специальный разъемный кабель для своих 2x разъемов DB-9 EU к внутреннему разъему DB-25 камеры. Разъемный кабель представляет собой специализированный кабель для подключения питания и передачи данных, специально предназначенный для этой цели. С внешней стороны разъема DB-25 камеры еще один разъемный кабель с разъемами питания был подключен к источнику питания постоянного тока и 2x USB-соединения для передачи данных к ноутбуку с установленным программным обеспечением HABIT EQM LabView.

5. Органы управления камерой моделирования

Рисунок 2: Органы управления камерой моделирования³². Изображение камеры моделирования Марса с различными системами контроля температуры, относительной влажности и давления углекислого газа. Также отображаются розетки для подключения питания и передачи данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Поддержание температуры рабочего стола в диапазоне от 20 °C до -30 °C
   ПРИМЕЧАНИЕ: Температура рабочего стола регулируется с помощью системы подачи жидкого азота (LN₂) в соответствии с протоколом, показанным на рисунке 2. Первоначально камера поддерживается при лабораторной температуре окружающей среды.
   1. Откройте клапан для подачи LN₂. Температура начнет снижаться.
   2. Установите нужную температуру на контроллере обратной связи. Датчик температуры PT100, установленный на рабочем столе, действует как контур обратной связи.
   3. Как только желаемая температура будет достигнута, закройте клапан, чтобы перекрыть поток LN₂.
2. Поддержание давления углекислого газа
   1. Включайте вакуумный насос до тех пор, пока давление внутри камеры не достигнет уровня вакуума.
   2. Как только камера окажется в вакууме, выключите вакуумный насос и впрыскивайте в камеру газ_CO2 до тех пор, пока он не достигнет давления 7-8 мбар.
3. Поддержание относительной влажности воздуха
   1. Впрыскивайте воду с шагом 0,5 мл с помощью шприца Swagelok из нержавеющей стали, установленного на камере. Это позволит постепенно повышать относительную влажность воздуха.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Шприц, в свою очередь, соединен с шаровым краном, поэтому шприц можно использовать для многократного впрыскивания воды.
   2. Убедитесь, что давление находится в пределах допустимых значений. В противном случае сбросьте давление, отрегулировав клапан.

6. Эксперимент по зависимости электропроводности от относительной влажности

Рисунок 3: Эксперимент по соотношению электропроводности и относительной влажности. Этапы протокола эксперимента по проведению калибровочного эксперимента для определения зависимости электропроводности от относительной влажности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Включите роторный вакуумный насос, чтобы выкачать весь воздух из камеры. Давление внутри камеры снизится на порядок до ^10-3 мбар.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Относительная влажность будет близка к нулю. Температура окружающей среды рабочего стола камеры составляет около 20 °C. По мере снижения давления может наблюдаться увеличение электропроводности и температуры бутылки (разжижение является экзотермической реакцией).
2. Осторожно впрыскивайте атмосферу углекислого газа из газового баллона, чтобы поддерживать давление в диапазоне от 7 до 8 мбар.
3. Установите температуру рабочего стола на определенное значение, чтобы PT1000, измеряющий температуру контейнера, регистрировал 20 °C.
4. Подождите около 5 минут при температуре 20 °C, чтобы достичь равновесия, и начните сбор данных после шага 7.
5. Медленно вводите воду внутрь камеры с помощью шприцевой системы, поддерживайте относительную влажность на уровне 10% и подождите 5 минут для достижения равновесия. Если при повышении относительной влажности давление повышается, отрегулируйте клапан роторного вакуумного насоса, чтобы удалить лишнюю атмосферу.
6. Замедление увеличивают относительную влажность воздуха до 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% и 100%. При каждом значении относительной влажности поддерживайте его в течение примерно 5 минут, чтобы достичь равновесия, и начните сбор данных после шага 7.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом мы завершаем одну серию калибровочных экспериментов в соответствии с протоколом, показанным на рисунке 3.
7. Образец соли, возможно, уже образовал рассол. Выбросьте образцы соли из контейнера (контейнеров).
8. Обновите образцы соли для следующего эксперимента, следующего за шагом 8.
9. Аналогичным образом уменьшите температуру рабочего стола, чтобы поддерживать температуру контейнера на уровне 15 °C, 10 °C, 5 °C, 0 °C, -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C и -30 °C. На каждой остановке повторяйте шаги с 6.5 по 6.8 для измерения электропроводности образцов соли.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В целях безопасности при температуре ниже -33 °C нагреватель BOTTLE включится для поддержания температуры от -30 °C до -33 °C. Поэтому мы проводили эксперименты до -30 °C. Но можно выбрать более низкие температуры.
10. Повышение температуры окружающей среды с самой низкой температуры -30 °C может быть достигнуто путем остановки эксперимента, высвобождения вакуума и открытия передней дверцы камеры, что позволяет лабораторному окружающему воздуху смешиваться и естественным образом повышать температуру контейнера. Для получения дополнительных данных можно выбрать возможность естественного повышения температуры внутри камеры. Однако это будет очень медленный процесс и может занять 7-10 часов.

7. Логирование и сохранение данных

1. Используйте встроенный последовательный монитор Arduino или программное обеспечение стороннего программного обеспечения для последовательного монитора (например, m Teraterm, Realterm и т. д.).
2. Настройте Arduino на считывание показаний с измерительных цепей с частотой 1 Гц в течение одного непрерывного часа, а затем в течение первых 5 минут каждого часа. Это может быть применимо для симуляции дня и ночи Мариан, описанной в шаге 9.
3. Установите напряжение источника питания постоянного тока, указанное для измерительных цепей.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Кабель питания HABIT подключен к источнику питания постоянного тока 28 В, а 2x USB-соединения для передачи данных — к ноутбуку с установленным программным обеспечением HABIT EQM LabView. Программное обеспечение имеет поддержку только Windows 10.
4. Введите последовательный COM-порт для подключения к данным и запустите программу Arduino.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обратитесь к диспетчеру устройств , чтобы определить правильные COM-порты.
5. Соберите данные за первые 100 секунд и остановите сбор данных, закрыв последовательный монитор. Не забудьте скопировать данные из окна последовательного монитора Arduino.
6. Откройте текстовый редактор и вставьте скопированные данные для сохранения в формате файла .txt или .csv для упрощения постобработки с помощью MATLAB или Python.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Стороннее программное обеспечение может иметь функцию автоматического сохранения.
7. Присвойте файлу данных имя в соответствии с описанием эксперимента.
8. Для следующего набора данных сначала выключите и выключите настройку эксперимента, выключив и включив источник питания постоянного тока, и повторите шаги с 7.3 по 7.7.
   1. Для программного обеспечения HABIT EQM LabView: На вкладке «Основные » введите два COM-порта COM Port 1 и COM Port 2, каждый из которых соответствует одному из USB-соединений для передачи данных. Нажмите кнопку Подключить , а затем Запустить для сбора данных с частотой 1 Гц. Запишите данные за первые 100 секунд.
   2. Просмотрите полученные данные, перейдя на вкладку « Отладка » и «Открыть в режиме реального времени». Откроется новое окно с несколькими вкладками, каждая из которых соответствует различным измерениям прибора HABIT. Для этого эксперимента нас интересуют вкладки: "Ячейка 2", "Ячейка 3", "Ячейка 4", "Ячейка 5", "Температура ЕС" и "Температура CU". Данные будут сохранены как "Log.txt" в формате HEX в папке "C:\LABVIEW\Data" ноутбука. Повторный запуск программного обеспечения заменит существующие данные в файле "Log.txt".

8. Обновление образцов соли

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг выполняется для введения сухих образцов соли для каждого нового эксперимента.

1. Остановите эксперимент, осторожно отсоедините кабели и выгрузите контейнер (контейнеры) для эксперимента из камеры моделирования.
2. Осторожно извлеките фильтр HEPA и образцы соли из контейнера (контейнеров) и поместите их в отдельные герметичные пакеты, представляющие биологическую опасность.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Перхлораты и другие соли небезопасны для сброса в раковину вместе с проточной водой или при общем захоронении отходов. Необходимо тщательно упаковывать их в герметичные пакеты с биологически опасными свойствами и утилизировать в соответствии с нормами утилизации химических отходов. Если изучаются другие образцы, такие как образцы реголита, полимеры и т. д., то с отходами можно обращаться в соответствии с рекомендациями Паспорта безопасности (SDS) этих продуктов.
3. Аккуратно очистите и установите контейнер (контейнеры) на место для следующего эксперимента.
4. Выполните шаги со 2 по 4, чтобы наполнить образцы соли в контейнер (контейнеры) и поместить его обратно в камеру для моделирования.

9. Моделирование цикла день-ночь на Марсе

Рисунок 4: Моделирование цикла дня и ночи на Марсе. Этапы протокола эксперимента для выполнения моделирования Mars Sol. Обратите внимание, что шаги 6 и 7 поменялись местами с рисунка 3, так как для моделирования дня и ночи на Марсе относительная влажность изначально устанавливается выше 80% до снижения температуры (переход день-ночь). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Выполните шаги 2–4, чтобы настроить демонстрационный эксперимент.
2. Выполните шаг 7, чтобы настроить ведение журнала данных эксперимента и получать непрерывные данные за первый час и за первые 5 минут каждый час с частотой 1 Гц.
   ПРИМЕЧАНИЕ: HABIT использует такой график для контроля на хорошей частоте и предотвращения чрезмерного воздействия переменного тока на электроды.
3. Моделирование условий окружающей среды на Oxia Planum, Марс в камере
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для этой демонстрации мы использовали камеру для моделирования Марса SpaceQ, установку в Технологическом университете Лулео, Швеция, как показано на рисунке 4.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Oxia Planum является запланированным местом посадки ExoMars 2022 на Марс.
   1. Включите роторный вакуумный насос, чтобы выкачать весь воздух из камеры. Давление внутри снизится на порядок до ^10-3 мбар.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Относительная влажность будет близка к нулю. Температура окружающей среды рабочего стола камеры составляет около 20 °C. По мере снижения давления может наблюдаться увеличение электропроводности и температуры контейнера (разжижение является экзотермической реакцией).
   2. Осторожно впрыскивайте атмосферу углекислого газа из газового баллона, чтобы поддерживать давление в диапазоне от 7 до 8 мбар.
   3. Медленно вводите воду внутрь камеры с помощью шприца Swagelok, чтобы постепенно повышать относительную влажность. Будьте осторожны при регулировке клапана роторного вакуумного насоса, чтобы удалить лишнюю атмосферу, если давление выходит за требуемые пределы.
   4. Поддерживайте атмосферное давление углекислого газа около 7-8 мбар при относительной влажности около 80%.
   5. Медленно откройте значение системы ввода LN₂ , чтобы снизить температуру рабочего стола и смоделировать переход марсианского дня в ночь. Обратите внимание на возможную разницу между температурой рабочего стола и температурой контейнера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость снижения температуры можно контролировать, регулируя расход LN₂ .
   6. Дайте температуре упасть до тех пор, пока температура контейнера не достигнет -30 °C (температура рабочего стола -70 °C), а затем перекройте поток LN₂ .
      ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве меры безопасности, при температуре ниже -33 °C, нагреватель BOTTLE сработает, чтобы поддерживать температуру от -30 °C до -33 °C. Поэтому мы проводили эксперимент до -30 °C. Но можно выбрать более низкие температуры.
   7. Рабочий стол и контейнер (контейнеры) будут медленно нагреваться до температуры окружающей лабораторной среды (переход от ночи к дню). Относительная влажность также, вероятно, увеличится, как и давление. Не забывайте использовать клапан роторного вакуумного насоса для удаления избыточного давления.
      Примечание: Здесь мы имеем в виду соотнести с относительной влажностью количество водяного пара в воздухе. Поскольку датчик относительной влажности измеряет воздух, разумно сказать, что чем выше содержание влаги, тем выше относительная влажность. Первоначально, когда рабочий стол замерзает до -30 °C, водяной пар конденсируется и замораживается на столе, а при повышении температуры эта конденсированная вода испаряется при марсианском давлении и воспринимается датчиком относительной влажности как влага в воздухе. Таким образом, изменение относительной влажности окружающего воздуха обусловлено изменением состояния воды и выходом инея с рабочего стола в воздух в виде пара при повышении температуры.
   8. Когда температура контейнера достигнет 20 °C (аналогично температуре рабочего стола), выключите эксперимент, выпустив вакуум и открыв переднюю дверцу камеры, чтобы снять экспериментальную установку.

Результаты

Данные, полученные в HABIT, имеют формат HEX и преобразуются в формат ASCII перед анализом. В ходе калибровочных экспериментов была установлена взаимосвязь между значениями электропроводности, соответствующими гидратным формам четырех различных солево-SAP-смесей при различных марсианских температурах и условиях относительной влажности. Соотношение при 25 °C показано на рисунке 5А для воздуха и на рисунке 5B-5 E для четырех различных смесей соли и SAP: хлорид кальция CaCl_2-SAP, сульфат железа Fe₂(SO₄)₃ - SAP, перхлорат магния Mg(ClO₄)₂ - SAP, и перхлорат натрия NaClO₄- SAP, соответственно. Мы наблюдали и каталогизировали: 1) изменчивость измерений электропроводности в зависимости от температуры, и 2) диапазоны электропроводности воздуха и смесей соли и SAP в зависимости от относительной влажности. Эта информация будет иметь решающее значение для интерпретации уровня гидратации смесей соли и SAP, полученной в ходе операции BOTTLE на Марсе, с учетом полученной электропроводности, температуры и относительной влажности.

На рисунке 5А мы наблюдали прямую корреляцию электропроводности и относительной влажности воздуха. Поскольку относительная влажность внутри камеры увеличивалась путем впрыска воды с шагом 0,5 мл, воздух увеличивал свою относительную влажность, как это происходит в условиях Марса. Электропроводность значительно увеличилась. Нижний электрод, по-видимому, холоднее из-за его близости к охлаждаемому столу, что, в свою очередь, приводит к более высокой относительной влажности и более высокому EC. Для данной комбинации температуры и относительной влажности при марсианском давлении во время этого эксперимента мы также зафиксировали максимальную электропроводность (не с температурной компенсацией) воздуха при относительной влажности 59%. На рисунках 5В-5 Е показано, что все четыре смеси соли и SAP улавливали воду в разной степени. Для хлорида кальция и перхлората натрия наблюдалось постепенное увеличение электропроводности от RH=0%, а для сульфата железа и перхлората магния – от RH=40-50%. Все соляно-смоляные смеси имели максимальное значение в 85%, максимума мы достигали внутри камеры.

Рисунок 5: Электропроводность в зависимости от относительной влажности (1% - 85%) при 25 °C. (А) электропроводность воздуха, (В) хлорида кальция, (В) сульфата железа, (D) перхлората магния, (Е) перхлората натрия показана в логарифмической шкале с основанием 10. Блок электроники (ЕС) зафиксировал среднюю температуру 25,27 °C (мин.: 24,12 °C, макс.: 25,95 °C), контейнерный блок (CU) зафиксировал повышение температуры с 19,6 °C до 32,91 °C в результате экзотермичности захвата воды. Средняя температура рабочего стола составила 19,11 °C, а средняя температура воздуха — 19,16 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Электропроводность соли зависит от множества факторов. В конце эксперимента мы заметили, что сульфат железа был наименее гидратированным (см. рис. 7), показывая значения электропроводности ниже, чем в воздухе. Электропроводность между электродами также чувствительна к площади контакта со смесью соль+SAP. Некоторые гранулированные материалы, включая SAP, могут быть лучшим изолятором, чем увлажненный воздух. Воздух в пустом контейнере имел достаточное содержание влаги, которое свободно перемещалось, что приводило к более высокой электропроводности (см. рисунок 5А), чем сульфат железа, который не вносил достаточного количества поглощенной воды, чтобы показать значительный сигнал электропроводности (см. рисунок 5В). Мы также наблюдали капли воды в пустых контейнерах в конце экспериментов, показывая, что воздух между электродами в какой-то момент был насыщен и способствовал образованию тумана, а часть его конденсировалась по бокам, как видно на рисунке 5А. Отсутствие низкой электродной проводимости может означать, что частицы соли при контакте с нижним электродом были полностью заморожены (холоднее всего в нижней части прибора из-за его прямого контакта с рабочим столом камеры) и не проявляли электропроводности.

В качестве демонстрационной практики работы HABIT на Марсе после успешной посадки в начале 2021 года мы смоделировали один Sol условий окружающей среды в Oxia Planum, запланированном месте посадки миссии ExoMars 2022. Полученные результаты имитируют цикл дня и ночи работы BOTTLE на Марсе и предоставляют данные из первых рук в соответствующих условиях. На рисунке 6 показано, что во время моделирования марсианского цикла дня и ночи во всех солевых смесях наблюдалось разжижение. На рисунках 6C-6 F показаны значения электропроводности четырех различных смесей соли и SAP: хлорида кальция CaCl_2-SAP, сульфата железа_{Fe 2}(SO₄)₃ - SAP, перхлората магния Mg(ClO₄)₂ - SAP, и перхлората натрия NaClO_4-SAP, соответственно.

Рисунок 6: Калиброванные измерения электропроводности при моделировании Mars Sol. (A) давление и относительная влажность, (B) температура земли и воздуха, (C) хлорид кальция, (D) сульфат железа, (E) перхлорат магния, (F) перхлорат натрия (в логарифмической шкале с основанием 10), и (G) температура блока электроники (EU) и контейнерного блока (CU) или BOTTLE. Вертикальные линии с обведенными цифрами обозначают различные фазы моделирования. 0-1: откачка воздуха для достижения вакуума и впрыск углекислого газа для поддержания давления 7-8 мбар при постоянной температуре, 1-2: впрыск воды для повышения относительной влажности при постоянной температуре, 2-3: включение охлаждения рабочего стола для снижения температуры (переход день-ночь), сопровождающееся снижением относительной влажности, и 3-4: выключение охлаждения рабочего стола для повышения температуры (переход ночи-дня), сопровождается повышением относительной влажности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Начальное нарастание электропроводности может быть связано с быстрым снижением давления при сохранении высокой относительной влажности, что ускоряет процесс улавливания воды с последующим выделением оставшейся воды в смеси. Это также согласуется с экзотермичностью процесса захвата воды солями. Повышение температуры в блоке электроники (ЭУ) и BOTTLE может быть комбинацией быстрого сброса давления (при постоянном объеме) и экзотермического взаимодействия соленой и воды. Падение давления, наблюдаемое около 13:00, может быть связано с достижением самой низкой температуры на рабочем столе, что также совпадает с небольшим повышением относительной влажности. При более низких температурах рабочий стол вел себя как поглотитель воды, замораживая капли воды, и, следовательно, относительная влажность воздуха была низкой. Во время этой фазы перехода марсианского дня к ночи на кривых электропроводности наблюдались менее значимые знаки. Но во время перехода от ночи к дню, когда температура повысилась, а вместе с ней и относительная влажность, смесь соли и SAP начала неуклонно захватывать воду, о чем свидетельствует увеличение электропроводности в более поздней части эксперимента, также отраженное внезапным повышением температуры бутылки. Окончательные значения электропроводности указывают на степень поглощения воды каждой из четырех солево-солевых смесей, как показано на рисунке 7. Из всех солево-СОП смесей улавливается вода, и в частности, из кальциево-хлоридной соляно-СОП образуется жидкий рассол. Максимальное значение электропроводности рассола CaCl₂ в концентрации ̴100 μScm-1 согласуется с литературными данными³¹.

Рисунок 7: Изображения смесей соли и СОП. (А) до и (В) после моделирования Марсианского Солнца. Слева направо: начальные условия по 1,5 г хлорида кальция, сульфата железа, перхлората магния, перхлората натрия по 0,75 г SAP в каждой соли. Хлорид кальция в левом углу получал жидкий рассол с соответствующими значениями электропроводности ̴100 μScm-1. Все другие солевые смеси также захватывали значительное количество воды, которая выглядит влажной на изображениях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

Это первая попытка охарактеризовать электропроводность процесса образования рассола в условиях вакуума или марсианского давления. Ключевым элементом этого эксперимента является моделирование марсианского цикла дня и ночи с помощью камеры моделирования Марса для изучения солей. Результаты разжижения солей показаны как репрезентативный результат, в то время как основное внимание уделяется достижению необходимых условий для моделирования марсианской среды. С помощью этого первого эксперимента мы теперь понимаем процесс и ограничения камеры, как упоминалось в разделе рукописи, посвященном обсуждению. В будущих экспериментах мы будем следовать этому протоколу для различных научных экспериментов, которые имеют отношение к процессу на Марсе. В более ранних исследованиях проводились измерения электропроводности при атмосферных лабораторных давлениях 27,28,29. Измерение при более низких давлениях представляет собой сложную задачу и, следовательно, требует модификации протокола, используемого для условий давления на Земле. Во время предыдущей калибровочной кампании в климатической камере при давлении окружающей среды различные гидраты готовились путем добавления определенного количества соли и воды, перед каждым набором экспериментов для определения взаимосвязи между электропроводностью и формой гидрата соли при различных марсианских^{температурах.} Но при марсианском давлении добавленная вода, используемая для образования гидратов, в конечном итоге будет выделять газ при снижении давления, поэтому мы начинали каждый эксперимент с сухой смесью соли и SAP и регулировали относительную влажность для перехода через различные формы гидратов.

Прошлые исследования по мониторингу процесса образования рассола с использованием спектроскопических методов комбинационного рассеяния света, как правило, проводились с отдельной гранулой частицы соли в ячейке окружающей среды и наблюдением за фазовыми переходами в области растяжения O-H спектров комбинационного рассеяния^{света 1,9,18}. Определение характеристик электропроводности процесса образования рассола считается более чувствительным к промежуточным фазовым переходам, чем существующая спектроскопия комбинационного рассеяния, и обеспечивает непрерывный временной ряд процесса образования рассола²⁷. В ходе наших экспериментов мы также продемонстрировали, что электропроводность является жизнеспособным вариантом измерения для образцов соли в больших объемах с хорошей точностью.

При проектировании системы измерения электропроводности для прибора HABIT перед нами стояла сложная задача. При выборе материала электрода учитывались его коррозионная стойкость и гладкость поверхности, что позволяет избежать спорадических сбоев при измерениях электропроводности. Гигроскопичные соли иногда поднимаются вверх по стенкам контейнера за счет капиллярности, поэтому выбор гидрофобного покрытия имеет важное значение. Мы использовали покрытие на основе эпоксидной смолы, которое предотвращало подъем капилляров в рассоле. Кроме того, электрические характеристики, такие как напряжение электрического импульса, его частота и опорный резистор измерения тока, имели решающее значение для проектирования. BOTTLE использует напряжение смещения ±2,048 В с электрическим импульсом ±70 мВ и ±700 В для режимов низкой и высокой проводимости. Электрические импульсы на частоте 1 кГц проходят через золотой электрод и через образцы соли для исследования, а также считываются на золотом электроде с другой стороны с помощью опорных резисторов 10 кОм и 100 Ом для режимов с низкой и высокой проводимостью соответственно.

Поскольку каждый из экспериментов по характеристике электропроводности в зависимости от относительной влажности требовал постоянной и стабильной температуры, протокол разработан таким образом, чтобы учесть в пределах температурной стабильности камеру моделирования Марса. Наблюдается заметная разница между температурой рабочего стола (регулируется системой подачи LN₂ камеры) и температурой BOTTLE из-за теплоизоляции. Это означает, что температура рабочего стола не всегда идентична температуре ФЛАКОНА, и разница должна быть учтена для оптимальных условий эксперимента.

Будущие эксперименты в камере моделирования Марса будут включать в себя определение взаимосвязи между электропроводностью воздуха и относительной влажностью при различных температурах. Во время моделирования Mars Sol мы наблюдали возможную корреляцию между относительной влажностью воздуха и его электропроводностью. Это может быть актуально для калибровки двух пустых ячеек на двух концах BOTTLE и объединения его с калибровкой смесей соли и SAP для более точной интерпретации уровня их гидратации. Для проведения этого эксперимента можно адаптировать пустой контейнер (контейнеры) для эксперимента без каких-либо образцов соли в соответствии с тем же протоколом эксперимента.

Описанный протокол эксперимента обеспечивает более простой, легко адаптируемый альтернативный способ мониторинга процесса образования рассола, который также может быть применен к другим образцам, которые могут взаимодействовать с атмосферной влагой. Это может быть полезным для исследований по пониманию физических и химических свойств рассолов, образованных смесями морской соли, которые будут применимы для определения условий, при которых рассолы могут реагировать с поверхностями канистры, обычно используемыми для хранения ядерного топлива и ядерных отходов^33,34. Коррозионные свойства рассолов для различных материалов можно изучать в различных условиях окружающей среды путем адаптации протокола. Мы применили этот протокол для изучения разжижающих свойств четырех смесей соли и SAP, которые мы доставляем на Марс на борту прибора HABIT. Тем не менее, гигроскопичные свойства соли или соляных смесей в любой форме, например, частиц дыма, могут быть проанализированы на предмет их потенциала зарождения^{облаков24}. Протокол эксперимента также может быть применен для моделирования различных явлений, связанных с атмосферой и поверхностью, на Марсе и в других местах внутри лаборатории.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
84 &микро; S/cm и 1413 µ Стандарт калибровки S/см проводимости	Atlas Scienific	CHEM-EC-0.1
Arduino uno Arduino		8058333490090
Кальция хлорид	Sigma Aldrich	CAS Номер: 10043-52-4	Безводный, сыпучий, ≥ 96%
Баллон с углекислым газом	AGA Gas
		для экспериментов	, напечатанный на 3D-принтере из PLA или фрезерованный в алюминии/другом металле
Контур электропроводности EZO	Atlas Scienific	Схема EZO-EC
EZO RTD Atlas	Scienific	EZO-RTD
Сульфат железа	Sigma Aldrich	CAS Номер: 15244-10-7	97%
Золотые электроды			Специально разработанный
фильтр HEPA	Nitto	NTF9317-H02
Бак для жидкого азота	AGA Gas
Перхлорат магния	Sigma Aldrich	CAS Номер: 10034-81-8	Сыпучий, ≥ 99,0%
Манометр	Пирани	CCPG− Н2&минус; 1	1x10-9  к 1000 мбар
PT100 датчик
датчик
Scotch-Weld Эпоксидный клей	3M	EC-2216 B/A
Перхлорат натрия	Sigma Aldrich	CAS Номер: 7601-89-0	Сыпучий, ≥ 98,0%
Натриевая соль альгиновой кислоты (SAP)	Sigma Aldrich	CAS Номер: 9005-38-3	Порошок
Стерильная вода	VWR Химикаты BDH	CAS Номер: 7732-18-5 VWR: 75881-014	Вода ASTM Тип II, реагент класса
Swagelok шприц	Fischer научный	Зонд KD Scientific 780812
T/RH зонд	Vaisala	HMT 334	(от -70 до + 180C) и (от 0 до 100 % относительной влажности)
Teraterm
Whitebox Labs Щупальца Shield	Atlas Scienific	ТЕН-Ш