Yöntem makalesi

Mars Koşullarında Tuzlu Suların Oluşumunu İncelemek için Elektriksel İletkenliğin Ölçülmesi

DOI:

10.3791/61217

⸱

28 Temmuz 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

Bu makalede

Özet

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

Protokolün amacı, tuzların hidrasyonunu ve tuzlu su oluşum sürecini izlemektir. Ölçüm tekniği olarak elektriksel iletkenlik kullanılır. Deneyler, simüle edilmiş bir Mars sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit atmosferi ortamında gerçekleştirilir.

Özet

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

Bu makale, Mars koşulları altında tuzlu su oluşumunu incelemek ve süreci elektriksel iletkenlik ölçümleriyle izlemek için deneyler tasarlamak için bir protokolü açıklamaktadır. Deney kurulumu için Yaşanabilirlik Mühendislik Yeterlilik Modelini (EQM) kullandık: Tuzlu Sular, Işınlama ve Sıcaklık (HABIT)/ExoMars 2022 aracı, ancak basit ve ucuz bir elektriksel iletkenlik ölçüm kurulumu oluşturmanın kısa bir açıklamasını sunuyoruz. Protokol, simüle edilmiş bir Mars ortamında tuzlu suya tuz sıvılaşmasının elektriksel iletkenlik ölçümlerini kalibre etmeye yarar. Mars'ın sıcaklık (-70 °C ila 20 °C), bağıl nem (%0 ila %100) ve karbondioksit atmosferi ile basınç (7 - 8 mbar) koşulları, İsveç'teki LuleşTeknoloji Üniversitesi'ndeki bir tesis olan SpaceQ Mars simülasyon odasında simüle edildi. Bir çift elektrot arasında yer alan bilinen tuz miktarının hidrat formu ve dolayısıyla ölçülen elektriksel iletkenlik, ağırlıklı olarak su içeriğine ve sistemin sıcaklığına ve bağıl nemine bağlıdır. Elektriksel iletkenlik ölçümleri, tuzları farklı Mars sıcaklıklarında sürekli artan bağıl neme (çeşitli hidratlardan geçişi zorlamak için) maruz bırakırken 1 Hz'de gerçekleştirildi. Gösteri için, Mars'taki Oxia Planum'da (ExoMars 2022 misyonunun iniş alanı) bir gündüz-gece döngüsü yeniden oluşturuldu.

Giriş

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

Gezegen araştırmalarının ana araştırma konularından biri su döngüsüdür, ancak atmosferin yer ile etkileşimini izlemeye izin veren genel, sağlam ve ölçeklenebilir bir prosedür tasarlamak zordur. Laboratuvar simülasyonları, gezegen atmosferlerini, yüzeylerini ve içindeki etkileşimleri yeniden yaratabilir. Ancak, gerekli ekipmanın temin edilmesinden personelin eğitimine kadar bir zorlukla birlikte gelir. Bu makale, Mars'ın sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit atmosferi koşulları altında tuzlu su oluşumunu incelemek için deneyler tasarlamak için bir protokol açıklamakta ve süreci elektriksel iletkenlik ölçümleriyle izlemektedir. Ayrıca, basit ve ucuz bir elektriksel iletkenlik ölçüm düzeneği oluşturmanın kısa bir açıklamasını da sunuyoruz. Protokol, vakum veya diğer gezegen atmosferlerinde benzer deneyler tasarlamak için uyarlanabilir.

Salamura oluşumu çalışmalarının önemi
Higroskopik tuzlar, sıvılaştırma adı verilen bir işlemde sıvı çözeltiler oluşturmak için atmosferik su buharını emebilir. Bu süreç, Dünya ve Mars yüzeyinde belirli zaman ve yerlerde var olması muhtemel olan uygun koşullar altında tuzlu su oluşturur. Çiçeklenme adı verilen ters işlem, tuzlu sular elverişsiz koşullar altında susuz kaldığında da mümkündür. Mars'ın yüzeyinde veya altında tuzlu suların makul varlığı, mevcut karasal ve Mars çalışmaları üzerinde çeşitli etkilere sahiptir. Ek olarak, tuzlar su moleküllerini hidratlayabilir, tutabilir ve serbest bırakabilir, bu da su döngüsünü ve regolitin özelliklerini etkiler.

Hem Dünya hem de Mars için tuzların ve tuz karışımlarının sıvılaşması nedeniyle tuzlu su oluşumu için elverişli olan sıcaklık, bağıl nem ve basınç koşullarının belirlenmesine yönelik artan bir uluslararası ilgi vardır. Don Juan Göleti (DJP) havzası yakınındaki koyu dik eğimli su yollarının saha gözlemleri ve Antarktika'daki McMurdo Kuru Vadileri'nde ıslak yamaların oluşumu, kalsiyum klorür bakımından zengin çökeltilerdeki tuzlu su oluşumuna bağlanmıştır1.

Bu sonuçlar, -30 °C ile 15 °C arasındaki düşük sıcaklıkları ve ile @ arasındaki bağıl nemi simüle eden laboratuvar deneyleriyle de doğrulanmıştır2. Şili'deki Atacama Çölü'nün aşırı kurak çekirdeğindeki Yungay bölgesindeki klorür içeren evaporitler suyu emebilir ve mikrobiyal yaşamı barındırabilir3. DJP'de ve Atacama Çölü gibi Dünya'nın en kurak yerlerinde meydana gelen süreçler, günümüz Mars'ında da benzer süreçlerin olabileceğini düşündürenMars çalışmalarının birçoğuna benzer olabilir: 1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16. Salar de Uyuni'nin (Bolivya Altiplano) son uzaktan algılama gözlemleri, Mars'tayörünge 17'den gözlemlenenlere benzer bir süreci tanımladı. Zorlu koşullara rağmen, sıvılaşmaya dayalı tuzlu su oluşum süreci, bakteri kolonilerinin tuz nodüllerininderinliklerinde gelişmesine izin verecek kadar büyük miktarlarda sıvı suyu sürdürebilir 3. Bu, astrobiyologların ve gezegen bilimcilerinin ilgisini çekiyor.

Mars regolitindeki sıvılaşan tuzlar tarafından atmosferik nemin günlük absorpsiyonu ve desorpsiyonu bildirilmiştir 4,5. Mars'ta bulunan perkloratların tuzlu su oluşum süreci, tek tek tuz parçacıklarının 1,9,18 faz veya hidrasyon durumundaki değişiklikleri gözlemleyerek zaten incelenmiştir. Mars ile ilgili tuzların ve tuz karışımlarının sıvılaşma ve çiçeklenme geçireceği bağıl nem değerlerini belirlemek için Mars ile ilgili koşullar altında tuzlu suyla ilgili farklı çalışmalar da yapılmıştır 19,20,21. Diğerleri bu deney koşullarını, Mars sıcaklığında, bağıl nemde ve karbondioksit atmosferinde tuzlu suların buharlaşma oranlarını incelemek için kullandılar22.

Tuzlu su oluşumu tespiti ve izleme yöntemleri
Tuzlu su oluşum sürecini izlemek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Görünür dalga boylarındaki görsel gözlem ve görüntüler en basit olanlardır. Kütle artışını izlemek için tuzların tartılması iyi bir şekilde kullanılabilir23

figure-introduction-1

Protokol

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

1. Elektriksel iletkenliğin ölçülmesi için deney düzeneğinin oluşturulması

  1. Elektrotların boyutlarını ve elektrot çifti arasındaki mesafeyi seçin. Elektrotların boyutları, numune kabının boyutlarına ve dolayısıyla kullanılan tuz miktarına bağlıdır. Aşağıda belirtilen HABIT BOTTLE kap boyutları, numune kabı için referans olarak alınabilir ve tuz miktarına Adım 2.1'den itibaren başvurulabilir. Geometrik hücre sabiti denklem (1)'den türetilebilir.
    figure-protocol-1(1)
    nerede, d - elektrot çifti arasındaki mesafe ve
    A - Elektrotların alanı (= Uzunluk x Genişlik).
    Geometrik hücre sabiti, K, ölçüm düzeneğinin hassas olduğu elektriksel iletkenlik aralığına karar verir. Örneğin, K = 1 cm-1 5 - 200, 000 μScm-1 aralığında ölçüm yapabilirken, K = 10 cm-1 10 μScm-1 - 1 Scm-1 aralığında ölçüm yapabilir. Çeşitli seviyelerde elektrot çiftleri olabilir. Malzeme seçimi bakır, platin, altın vb. Olabilir. İsveç'te bulunan Omnisys Instrument AB'nin İsveç tesisinde, tuzlu su ortamında doğru akım (DC) geçiren altın ve platin elektrotlarla yapılan uzun süreli deneyler, bu işlem için daha iyi korozyon direnci açısından altın elektrotların tercih edildiğini göstermiştir.
    NOT: HABIT, 25 mm x 15 mm x 15 mm (U x G x Y) boyutlarında bir kap içinde ayrılmış üç seviyede (iki köşe hücresi yalnızca düşük ve orta elektrot çiftleriyle ölçülür) altı farklı tuzu inceleme imkanı olan toplam 16 elektrot çiftine sahiptir. ŞİŞE üç seviyeli elektrot çifti kullanır: Düşük: 1.6 x 0.4, Orta: 1.6 x 0.2, Yüksek: 1.6 x 0.2, 2.5 cm'de ayrılmış, 3,9062 cm-1 ve 7.8125 cm-1'lik bir hücre sabiti üretir. Ölçümler bir optik ölçüm sistemi (örneğin, Mitutoyo MF 176) kullanılarak gerçekleştirildi.
  2. Şekil 1'de gösterildiği gibi çalışmak için tuzları tutmak için düz yüzeyli bir kap hazırlayın. Kap boyutu, elektrotların geometrik boyutlarına ve tuzların yerleştirildiği elektrot çifti arasındaki mesafeye bağlı olarak seçilebilir. Birden fazla kapsayıcı yapılandırması uyarlanabilir. Kaplar PLA'da 3D olarak basılabilir veya tercihen alüminyum veya başka bir metal ile frezelenebilir, duvarlardan buhar veya sıvı sızıntısı olarak su kaybına karşı korunmalıdır.
  3. Epoksi 2216 reçine kaplamayı hazırlayın ve kap(lar)ın duvarlarına uygulayın. Kuruması için bir saat bekletin ve kaplanmış kap(lar)ı 66 °C'de 2 saat sertleştirin.
    NOT: Epoksi kaplama bir çözücü içinde çözülebilir ve en iyi sonuçlar için püskürtülebilir.
  4. Elektrot çiftini kap(lar)ın karşı duvarlarına yerleştirin ve bunları önceden uygulanmış epoksi 2216 reçinesi ile yapıştırın.
  5. Uzun blendajlı bir koaksiyel kablo kullanın ve bir taraftaki uçları bir çift halinde elektrotun her birinin temas noktasına lehimleyin.
  6. Blendajlı koaksiyel kablonun diğer ucunu elektriksel iletkenlik ölçüm devresinin iki terminaline bağlayın.
    NOT: Basit bir elektriksel iletkenlik ölçüm devresi, belirli bir frekansta elektrik darbeleri üretmek için bir AC voltaj kaynağına ve diğer terminal elektrot çifti boyunca voltaj düşüşünü okumak için bir voltaj bölücü devresine olacak şekilde inşa edilebilir. Arduino'nun dijital çıkış pinleri, gerekli AC voltajını oluşturmak için Darbe Genişliği Modülasyonlu (PWM) modunda kullanılabilir. AC voltajı, elektrotların korozyonunu önlemek için kullanılır. Elektrot çifti boyunca voltaj düşüşü, dahili 10 bit analog-dijital dönüştürücü (ADC) ile Arduino'nun analog giriş pinleri ile de ölçülebilir. Diğer ticari devreler de mevcuttur.
  7. Benzer şekilde, PT1000 Direnç Sıcaklık Dedektörünü (RTD) kap(lar)ın duvarlarından birine yapıştırmak için termal macun kullanın.
  8. Bir tarafı PT1000 sensörünün iki terminaline ve diğer tarafı bir sıcaklık ölçüm devresine bağlamak için başka bir uzun blendajlı koaksiyel kablo kullanın.
    NOT: Basit bir sıcaklık ölçüm devresi, dahili 10 bit analog-dijital dönüştürücü (ADC) ile Arduino'nun analog giriş pinleri ile ölçülebilen PT1000 sensöründeki voltaj düşüşünü okumak için bir terminali bir DC voltaj kaynağına ve diğer terminali bir voltaj bölücü devresine olacak şekilde inşa edilebilir. Diğer ticari devreler de mevcuttur.
    1. HABIT cihazını deney düzeneğine hazırlamak için, BOTTLE bileşeni ile Elektronik Ünite (AB) arasındaki kablo bağlantısını ayırın. Ardından, altı açık hücreyi ortaya çıkarmak için üst kapağı ve HEPA filtre tutucusunu çıkarmak için ŞİŞER'in 8x M3 cıvatalarını sökün. Çalışmak için tuzları beslemeden önce, herhangi bir partikül veya sıvıdan arındırmak için tercihen bir elektrot temizleme solüsyonu ve steril bir pamuklu çubuk kullanarak ŞİŞER'in hücrelerini ve elektrotlarını temizleyin.
    2. Her bir elektrot çifti için kalibrasyon fonksiyon katsayılarını belirlemek için bilinen elektriksel iletkenlik değerlerine sahip bir dizi kalibrasyon standardı kullanarak, tuzları beslemeden önce kurulumun elektriksel iletkenlik ölçümlerinin kalibrasyonunu gerçekleştirin. BOTTLE bir termal vakum odasında vakum koşullarına maruz kaldığında ve sistemin mutlak sıfır elektrik iletkenliği olarak 25 °C'de tutulduğunda 0.0364 μScm-1'lik (sıfır veya kuru nokta olarak) elektriksel iletkenlik ölçümünü kullanın. Ayrıca, denklem (2)'de gösterildiği gibi iki noktalı bir kalibrasyon fonksiyonu türetmek için iki kalibrasyon standardı kullanın: 84 μScm-1 ve 1413 μScm-2.
      figure-protocol-2(2)
      nerede, σ kalibre edilmiş - Kalibre edilmiş gerçek elektrik iletkenliği,
      σölçüldü - Ham ölçülen elektriksel iletkenlik ve
      a2,a 1,a 0 - Polinom sabitleri
    3. Gerçek bir elektriksel iletkenlik ölçümü elde etmek için kurulum tarafından ölçülen ham elektrik iletkenliğini türetilmiş kalibrasyon işlevine yerleştirin.
      NOT: İlk kalibrasyon, sistemin sıcaklığı 25 °C'de tutulurken gerçekleştirilir. Ancak deney sırasında sıcaklık değiştikçe elektriksel iletkenlik değerleri de değişmektedir. Farklı sıcaklıklarda sıcaklık ve elektriksel iletkenlik fonksiyonlarını türetmek karmaşık hale geldiğinden, sıcaklık verilerini yalnızca tuzlu suyun faz durumunu belirlemek için kullanırız. Nazarious ve ark.31 bu konuyu ayrıntılı olarak tartışmıştır.

2. Eriyen tuz numunelerinin manipülasyonu

  1. Çalışma için düşünülen belirli bir miktarda tuz veya numuneyi tartın. Dört farklı tuzun her birini 1.5 g tarttık: kalsiyum-klorür CaCl2, ferrik-sülfat Fe2 (S04) 3, magnezyum-perklorat Mg (ClO4) 2 ve sodyum-perklorat NaClO4ayrı kaplarda.
    DİKKAT: Bazı tuzlar, özellikle perkloratlar aşındırıcıdır ve bu nedenle cilt veya göz ile herhangi bir temastan kaçınılmalıdır.
    1. Tuzları tutarken uygun kimyasal giysiler, gözlükler ve nitril eldivenler kullanın. Cilt veya göz ile teması halinde derhal bol su ile yıkayın ve bir doktora danışın.
      NOT: Tuzlara ek olarak, dört kabın her birine tuzlu 0.75 g sodyum tuzu aljinik asit (Süper Emici Polimer, SAP) ekledik ve homojen bir tuz-SAP karışımı elde etmek için iyice karıştırdık. Tuzlu suyun kılcallık ile yükselmesini ve uçuş modeli cihazından kaçmasını önlemek için bir güvenlik önlemi olarak SAP'yi katılaştırıcı bir ajan olarak kullandık. Tuzlar atmosferik ortamdan gaz halindeki suyu emerken, SAP sıvı haldeki suyu, tuzlarla temas ettiğinde sıvı tuzlu sudan emer. SAP'nin eklenmesi, yalnızca tuzları Dünya koşullarında (2022'de ExoMars'ın piyasaya sürülmesinden önce) depolamak için mühendislik sınırlamalarından kaynaklanıyordu ve deneyin kendisi için daha az anlam taşıyordu. Sonuç olarak, elektriksel iletkenlik ölçümü, beklenen tuz+SAP+su karışımından elde edilen bir sonuçtur. Bu deneyin amacı, tüm sistemdeki suyun emilimini izlemek olduğundan, tuz + SAP'nin kuru halinden hidratlı hallere kadar elektriksel iletkenlikteki değişikliklerin yorumlanması için uygun kabul edilir. Kalibrasyon prosedürü aynı tuz + SAP kombinasyonu için de gerçekleştirilmiştir.
    2. HABIT / ExoMars cihazının BOTTLE bileşeninin uçuş modeli için kullanılan aynı tuz ve SAP karışımlarını ve ağırlıklarını kullanın.

3. Tuz örneklerinin deney düzeneğinde beslenmesi

  1. 2. adımda önceden tartılan tuzun tamamını dikkatlice deney kabına/kaplarına aktarın.
    NOT: Daha önce tartılmış tuz-SAP karışımı, aşağıdaki sırayla BOTTLE'ın dört hücresine dikkatlice aktarıldı: Hücre-2: kalsiyum-klorür CaCl2, Hücre-3: ferrik-sülfat Fe2 (S04) 3, Hücre-4: magnezyum perklorat Mg (ClO4) 4, Hücre-5: sodyum-perklorat NaClO4. Hücre-1 ve Hücre-6 boş bırakıldı.
    1. BOTTLE'ın uçuş modelinde de aynı sırayı takip edin, bu nedenle bu konfigürasyon ve deney, Mars'taki operasyonunun kalibrasyonu ve yorumlanmasına yöneliktir.
  2. Tuzların üst yüzeyini elektrotları kaplayacak şekilde düzleştirin. Bu kriteri elde etmek için tuz miktarını seçin.
    NOT: ŞİŞE'nin her bir tuz-SAP karışımı toplamda 2.25 g ağırlığındaydı ve her hücredeki düşük elektrotu kaplıyordu. Bu miktar, oluşan tuzlu suyun taşmaması için seçilmiştir.
  3. Kap(lar)ın üstünü kaplamak için bir HEPA filtresi kullanın. Bu, tuzların simüle edilen ortamın ortam bağıl nemi ile etkileşimine izin verecektir.
    NOT: ŞİŞE içerisindeki tuz-SAP karışımlarını kaplamak için tutucu çerçeveli naylon esaslı HEPA filtre kullanılmış ve ŞİŞERE üst kapağı 8x M3 civata ile sabitlenmiştir.

4. Deney düzeneğinin simülasyon odasına kurulması

  1. Deney kaplarını simülasyon odasına32 yerleştirin. Odanın çalışma masası ile kap(lar) arasında iyi bir termal temas olduğundan emin olun.
  2. Elektriksel iletkenlik ve sıcaklık ölçüm devresini odanın dışına yerleştirin. Bu, devrelerde ölçümleri tehlikeye atabilecek sıcaklık kaynaklı gürültüleri önleyecektir.
  3. Simülasyon odasının bir ara konektörü aracılığıyla ölçüm devreleri ve kap(lar) arasındaki güç ve veri bağlantısını yapın.
    NOT: BOTTLE, AB'nin 2x DB-9 konektörleri için odanın iç DB-25 konektörüne özel bir bölünmüş kablo kullanır. Bölünmüş kablo, bu amaca özel özelleştirilmiş bir güç ve veri bağlantı kablosudur. Odanın DB-25 konektörünün dışından, güç bağlantılarına sahip başka bir bölünmüş kablo bir DC güç kaynağına ve 2x USB veri bağlantısı HABIT EQM LabView yazılımının kurulu olduğu bir dizüstü bilgisayara takıldı.

5. Simülasyon odasının kontrolleri

figure-protocol-3
Şekil 2: Simülasyon odasının kontrolleri32. Mars simülasyon odasının sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit basıncını kontrol etmek için çeşitli sistemleriyle temsili. Güç ve veri bağlantı çıkışları da gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

  1. Çalışma masasının sıcaklığının 20 °C ile -30 °C arasında tutulması
    NOT: Çalışma masasının sıcaklığı, Şekil 2'de gösterilen protokole göre sıvı nitrojen (LN 2) geçiş sistemi kullanılarak düzenlenir. Başlangıçta oda, laboratuvar ortam sıcaklığında tutulur.
    1. LN2 akışı için vanayı açın. Sıcaklık düşmeye başlayacaktır.
    2. Geri besleme kontrol cihazında istenen sıcaklığı ayarlayın. Çalışma masasına takılan PT100 sıcaklık sensörü, bir geri besleme döngüsü görevi görür.
    3. İstenen sıcaklığa ulaşıldığında, LN2 akışını kapatmak için vanayı kapatın.
  2. Karbondioksit basıncının korunması
    1. Hazne içindeki basınç vakum okuyana kadar vakum pompasını AÇIN.
    2. Hazne vakuma girdikten sonra, vakum pompasını KAPALI konuma getirin ve hazneye 7-8 mbar basınca ulaşana kadar CO2 gazı enjekte edin.
  3. Bağıl nemin korunması
    1. Hazneye takılan paslanmaz çelik bir Swagelok şırınga kullanarak suyu 0,5 mL'lik artışlarla enjekte edin. Bu, bağıl nemi kademeli olarak artıracaktır.
      NOT: Şırınga sırayla bir küresel vanaya bağlanır, böylece şırınga birden çok kez su enjekte etmek için kullanılabilir.
    2. Basıncın sınırlar içinde olduğundan emin olun. Aksi takdirde, valfi ayarlayarak basıncı boşaltın.

6. Elektriksel iletkenlik ve bağıl nem deneyi

figure-protocol-4
Şekil 3: Elektriksel iletkenlik ve bağıl nem deneyi. Bağıl nemin bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik ilişkisini türetmek için kalibrasyon deneyini gerçekleştirmek için deney protokolünün adımları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

  1. Haznenin içindeki tüm havayı boşaltmak için döner vakum pompasını AÇIN. Hazne içindeki basınç 10-3 mbar mertebesine düşecektir.
    NOT: Bağıl nem sıfıra yakın olacaktır. Odanın çalışma masasının ortam sıcaklığı yaklaşık 20 °C'dir. Basınç azaldıkça elektriksel iletkenlikte ve ŞİŞE sıcaklığında (sıvılaşma ekzotermik bir reaksiyondur) bir artış olabilir.
  2. 7 ila 8 mbar arasında bir basıncı korumak için karbondioksit atmosferini gaz silindirinden dikkatlice enjekte edin.
  3. Çalışma tablası sıcaklığını, kap sıcaklığını ölçen PT1000'in 20 °C kaydedeceği şekilde belirli bir değere ayarlayın.
  4. Dengeyi sağlamak için 5 °C'de yaklaşık 20 dakika bekleyin ve 7. adımı izleyerek veri toplamaya başlayın.
  5. Şırınga sistemini kullanarak haznenin içine yavaşça su enjekte edin ve bağıl nemi% 10'da tutun ve dengeyi sağlamak için 5 dakika bekleyin. Bağıl nem artarken basınç yükselirse, ekstra atmosferi gidermek için döner vakum pompası valfini ayarlayın.






figure-protocol-5








Sonuçlar

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

HABIT'te elde edilen veriler HEX formatındadır ve analiz edilmeden önce ASCII formatına dönüştürülür. Kalibrasyon deneyleri, çeşitli Mars sıcaklıklarında dört farklı tuz-SAP karışımının hidrat formlarına karşılık gelen elektriksel iletkenlik değerleri ile bağıl nem koşulları arasında bir ilişki kurmuştur. 25 ° C'deki ilişki, hava için Şekil 5A'da ve dört farklı tuz-SAP karışımı, kalsiyum-klorür CaCl2- SAP, ferrik-sülfat Fe2 (S04) 3 - SAP, magnezyum perklorat Mg (ClO4) 2 - SAP ve sodyum perklorat NaClO4 için Şekil 5B-5 E'de gösterilmiştir.- Sırasıyla, SAP. Gözlemledik ve katalogladık: i) sıcaklığın bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik ölçümlerindeki değişkenlik ve ii) bağıl nemin bir fonksiyonu olarak havanın ve tuz-SAP karışımlarının elektriksel iletkenlik aralıkları. Bu bilgi, elde edilen elektriksel iletkenlik, sıcaklık ve bağıl nem koşulları göz önüne alındığında, Mars'taki BOTTLE operasyonundan elde edilen tuz-SAP karışımlarının hidrasyon seviyesinin yorumlanmasında çok önemli olacaktır.

Şekil 5A'da, hava için elektriksel iletkenlik ve bağıl nem arasında doğrudan bir ilişki gözlemledik. Oda içindeki bağıl nem, 0,5 mL'lik artışlarla su enjekte edilerek arttırıldığından, hava, Mars koşullarında olduğu gibi bağıl nemini artırdı. Elektriksel iletkenlik önemli ölçüde arttı. Alt elektrot, soğutulmuş masaya yakınlığı nedeniyle muhtemelen daha soğuktur, bu da daha yüksek RH ve daha yüksek EC'ye yol açar. Bu deney sırasında Mars basınçlarında verilen sıcaklık ve bağıl nem kombinasyonu için, ayrıca Y'luk bir bağıl nemde havanın maksimum elektriksel iletkenliğini (sıcaklığa göre telafi edilmemiş) kaydettik. Şekil 5B-5 E

figure-results-1

figure-results-2

figure-results-3

Tartışma

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

Bu, vakum veya Mars basıncı koşullarında tuzlu su oluşum sürecinin elektriksel iletkenliğini karakterize etmeye yönelik ilk girişimdir. Bu deneyin temel unsuru, tuzları incelemek için Mars simülasyon odası ile Mars'ın gündüz-gece döngüsünü simüle etmektir. Tuz sıvılaşmasının sonuçları temsili bir sonuç olarak gösterilirken, Mars ortamını simüle etmek için gerekli koşulların elde edilmesine daha fazla odaklanılır. Bu ilk deneyle, el yazmasının tartışma bölümünde belirtildiği gibi odanın sürecini ve sınırlamalarını şimdi anlıyoruz. Gelecekteki deneylerde, Mars'taki işlemle ilgili çeşitli bilim deneyleri için bu protokolü takip edeceğiz. Daha önceki çalışmalarda, ortam laboratuvar basınçlarında elektriksel iletkenlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir 27,28,29. Daha düşük basınçlarda ölçüm yapmak bir zorluk teşkil eder ve bu nedenle Toprak basıncı koşulları için kullanılan protokolde bir değişiklik yapılmasını gerektirmiştir. Ortam basınçları altında bir iklim odasında önceki bir kalibrasyon kampanyası sırasında, farklı Mars sıcaklıklarında elektriksel iletkenlik ile tuz hidrat formu arasındaki ilişkiyi türetmek için her bir deney setinden önce, belirli miktarlarda tuz ve su eklenerek farklı hidratlar hazırlandı31. Ancak, Mars basınçlarıyla, hidrat oluşturmak için kullanılan ilave su, basıncı düşürürken sonunda gazdan çıkacaktır, bu nedenle her deneye kuru bir tuz-SAP karışımı ile başladık ve çeşitli hidrat formlarından geçiş yapmak için bağıl nemi düzenledik.

Raman spektroskopik yöntemleri kullanılarak tuzlu su oluşum sürecini izleyen geçmiş çalışmalar, genellikle bir çevresel hücredeki tuz partikülünün ayrı bir granülü ile gerçekleştirilmiş ve Raman spektrumlarının OH gerilme bölgesindeki faz geçişlerini gözlemlemiştir 1,9,18. Tuzlu su oluşum prosesinin elektriksel iletkenlik karakterizasyonunun, ara faz geçişlerine mevcut Raman spektroskopisinden daha hassas olduğu kabul edildi ve tuzlu su oluşum prosesinin sürekli bir zaman serisini sağladı27. Deneylerimizden, elektriksel iletkenliği iyi bir hassasiyetle dökme tuz numuneleri için uygun bir ölçüm seçeneği olarak da gösterdik.

HABIT cihazı için elektriksel iletkenlik ölçüm sisteminin tasarımı sırasında çözmemiz gereken zorluklarla karşılaştık. Elektrot malzemesinin seçimi, elektriksel iletkenlik ölçümlerinde ara sıra aksaklıkları önlemek için korozyona karşı direncine ve yüzey düzgünlüğüne dayanıyordu. Higroskopik tuzlar bazen kılcallık ile kabın duvarları boyunca tırmanır ve bu nedenle bir hidrofobik kaplama seçimi gereklidir. Tuzlu suyun kılcal yükselmesini önleyen bir epoksi reçine bileşimine dayalı bir kaplama kullandık. Ayrıca, elektrik darbesinin voltajı, frekansı ve akım algılama referans direnci gibi elektriksel özellikler tasarım için çok önemliydi. BOTTLE, düşük ve yüksek iletkenlik modları için ±70 mV ve ±700 V elektrik darbeli ±2.048 V önyargı voltajı kullanır. 1 kHz'deki elektrik darbeleri, bir altın elektrottan ve incelenecek tuz örneklerinden geçer ve diğer tarafta, düşük ve yüksek iletkenlik modları için sırasıyla 10 k-ohm ve 100 ohm referans dirençleri olan bir altın elektrotta okunur.

Elektriksel iletkenliği bağıl nemin bir fonksiyonu olarak karakterize etmek için yapılan deneylerin her biri sabit ve kararlı bir sıcaklık gerektirdiğinden, protokol Mars simülasyon odasının sıcaklık kararlılığı sınırları içinde kalacak şekilde tasarlanmıştır. Termal izolasyon nedeniyle çalışma tablası sıcaklığında (odanın LN2 geçiş sistemi tarafından düzenlenir) ve ŞİŞE sıcaklığında gözlemlenebilir bir fark vardır. Bu, çalışma tablası sıcaklığının her zaman ŞİŞE sıcaklığı ile aynı olmadığı ve optimum bir deney koşulu için farkın dikkate alınması gerektiği anlamına gelir.

Mars simülasyon odasında gelecekteki deneyler, havanın elektriksel iletkenliği ile farklı sıcaklıklarda bağıl nem arasında bir ilişki türetmeyi içerecektir. Mars Sol simülasyonu sırasında, havanın bağıl nemi ile elektriksel iletkenliği arasında olası bir ilişki gözlemledik. Bu, BOTTLE'ın iki ucundaki iki boş hücreyi kalibre etmek ve hidrasyon seviyelerinin daha kesin bir şekilde yorumlanması için tuz-SAP karışımlarının kalibrasyonu ile birleştirilmesi için uygun olabilir. Bu deneyi gerçekleştirmek için, boş deney kap(lar)ı, aynı deney protokolü izlenerek herhangi bir tuz numunesi olmadan uyarlanabilir.

Açıklanan deney protokolü, atmosferik nem ile etkileşime girebilecek diğer numunelere de uygulanabilen tuzlu su oluşum sürecini izlemek için daha basit, kolayca uyarlanabilir bir alternatif yol sağlar. Tuzlu suların genellikle nükleer yakıt ve nükleer atıkları depolamak için kullanılan teneke kutu yüzeylerle reaksiyona girebileceği koşulları tanımlamak için geçerli olacak deniz tuzu karışımlarının oluşturduğu tuzlu suların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin anlaşılmasına yönelik çalışmalar için tamamlayıcı olabilir33,34. Farklı malzemeler için tuzlu suların aşındırıcı özellikleri, protokolün uyarlanmasıyla farklı ortam koşulları altında incelenebilir. Bu protokolü, HABIT cihazıyla Mars'a taşıdığımız dört tuz ve SAP karışımının sıvılaşma özelliklerini incelemek için uyguladık. Bununla birlikte, herhangi bir formdaki tuz veya tuz karışımlarının higroskopik özellikleri, örneğin duman parçacıkları, bulut çekirdeği oluşturma potansiyelleri24 için analiz edilebilir. Deney protokolü, Mars'ta ve bir laboratuvarın başka yerlerinde atmosfer yüzeyi ile ilgili çeşitli fenomenleri simüle etmek için de uygulanabilir.

Açıklamalar

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

Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

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

Deneyler için kullanılan HABIT Mühendislik Yeterlilik Modeli (EQM), İsveç Ulusal Uzay Ajansı (SNSA) tarafından finanse edilen ve MPZ ve JMT'nin gözetiminde HABIT proje geliştirmenin bir parçası olarak İsveç'teki Omnisys tarafından üretildi. HABIT ve BOTTLE, MPZ ve JMT'nin orijinal fikirleridir. SpaceQ Mars simülasyon odası, İsveç'in Luleşkentinde bulunan bir LuleşTeknoloji Üniversitesi tesisidir. Kempe Vakfı, SpaceQ odasının tasarımını ve imalatını finanse etti. SpaceQ odası, MPZ'nin gözetimi altında İngiltere'deki Kurt J. Lesker Company tarafından üretildi. MPZ, kısmen İspanyol Devlet Araştırma Ajansı (AEI) Proje No. tarafından finanse edilmiştir. MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) ve İspanya Bilim ve Yenilik Bakanlığı (PID2019-104205GB-C21) tarafından. AVR ve JMT, Wallenberg Vakfı'nın desteğini kabul eder.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
84 ve mikro; S/cm ve 1413 &mikro; S/cm iletkenlik kalibrasyon standardıAtlas Scienific CHEM-EC-0.1
Arduino UnoArduino8058333490090
Kalsiyum KlorürSigma AldrichCAS Numarası: 10043-52-4Susuz, serbest akışlı, vb; % 96
Karbondioksit gaz silindiriAGA Gaz 
Deney kabı3D PLA'da basılmış veya alüminyum / diğer metallerde öğütülmüş 
EZO İletkenlik DevresiAtlas Scienific EZO-EC
EZO RTD devresiAtlas Bilimi EZO-RTD
Ferrik SülfatSigma AldrichCAS Numarası: 15244-10-7%97
Altın elektrotlarÖzel tasarlanmış
HEPA filtreNittoNTF9317-H02
Sıvı Azot tankıAGA Gazı 
Magnezyum PerkloratSigma AldrichCAS Numarası: 10034-81-8Serbest akışlı, > 99.0% 
Basınç göstergesiPiraniCCPG ve eksi; H2 ve eksi; 11x10-9  1000 mbar'a kadar
PT100 sensörü
PT1000 sensörü
Scotch-Weld Epoksi Yapıştırıcı3MEC-2216 B/A
Sodyum PerkloratSigma AldrichCAS Numarası: 7601-89-0Serbest akışlı, > Aljinik asidin% 98.0
sodyum tuzu (SAP)Sigma AldrichCAS Numarası: 9005-38-3Toz
Steril suVWR Kimyasalları BDHCAS Numarası: 7732-18-5 VWR: 75881-014Su ASTM Tip II, Reaktif Sınıfı
Swagelok şırıngaFischer scientific & nbsp;KD Scientific 780812
T / RH probuVaisalaHMT 334(-70 ila + 180C) ve (% 0 ila 100 RH)
Teraterm
Whitebox Labs Tentacle ShieldAtlas Scienific ON YAŞ

Kaynaklar

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

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Salamura Olu umuTuz DeliquesansBa l NemS cakl k KontrolBas n Sim lasyonuKarbondioksit AtmosferiSpaceQ Mars OdasG nd z Gece D ng s
Video yakında

İlgili makaleler