Warum der Mars nicht bewohnbar ist – die Atmosphäre
Immer wieder tauchen in der Öffentlichkeit Äußerungen auf, man müsse den Mars kolonisieren. Wahlweise weil auf der Erde kein Platz wird, oder weil es einfach den Menschen dazu dringt neue Regionen zu erobern. Ich will mich gar nicht mit den Argumenten aufhalten, sondern mal in einer lockeren Reihe beleuchten, warum das nicht klappt. Fangen wir in dieser Folge mit der Atmosphäre an. Da Michael K. etwas erstaunt war wie lange ich für einen Blogeintrag brauche (hier: 6 Stunden) und auch sich jemand mal über die fehlenden Quellen beschwert hat, habe ich extra mal die gesamten Quellen für diesen Artikel mit eingebunden. Da er recht lang ist kommt er auch auf die Website und ihr habt einen Tag Pause um ihn vollständig durchzulesen.
Die Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre und ihre Probleme für die Marskolonosation
Fangen wir mal damit an, wie die Atmosphäre des Mars aussieht und wie sie aussehen sollte. Derzeit hat sie folgende Zusammensetzung:
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Bodendruck (Null-Niveau) | 6,1 hPa |
| mittlere Temperatur | -55 °C |
| Hauptgase: | Kohlendioxid: 95,32% Stickstoff: 2,70% |
| Temperaturextreme: | -143 bis +27°C |
| Tägliche Schwankungen: | 60-70 °C |
Es fallen also gleich vier Probleme auf: Die Atmosphäre ist nicht dicht genug, die Temperaturschwankungen sind zu hoch und die mittlere Temperatur zu gering und die Zusammensetzung ist nicht für Menschen geeignet. Alle Probleme hängen aber zusammen. [Nadine Barlow: Mars: An Introduction to its Interior, Surface and Atmosphere]
Diie Temperatur ist so gering, weil die Atmosphäre keinen Treibhauseffekt verursacht, was nicht an der Zusammensetzung liegt, sondern dem niedrigen Bodendruck, der mit einer niedrigen Dichte einher geht. Weil sie wegen der geringen Dichte praktisch keine Wärmespeicherkapazität hat, sind auch die täglichen Temperaturschwankungen so hoch.
Das gängige Rezept von Lieschen Müller, einfach Bakterien auf dem Mars auszusetzen um aus dem Kohlendioxid Sauerstoff zu machen muss daher leider scheitern. Denn dann hat man eine Sauerstoffatmosphäre mit 6 mb Bodendruck. Wegen der UV-Strahlung würden die Bakterien auch nicht überleben.
Erzeugen eines Treibhauseffektes
Was wir zuerst einmal brauchen, ist ein echter Treibhauseffekt. Es ist möglich, zu berechnen wie warm ein Himmelskörper mit ein bestimmter Albedo, aber ohne Atmosphäre an der Stelle der Erde und des Mars ist. Man kommt auf 270 K bei der Erde und 210 K beim Mars. Die etwas dunkleren Marsmonde haben z.B. eine Temperatur von 233 K. Demgegenüber ist die mittlere Temperatur auf dem Mars nur 218 K, also 8 K höher als die Gleichgewichtstemperatur. Auf der Erde sind es 18 K. Das liegt am Treibhauseffekt. schauen wir uns mal an, was wir so in unserer Atmosphäre haben:
| Gas | Konzentration (vorindustrielles Niveau) | anthropogene Emission pro Jahr | Konzentrationsanstieg pro Jahr | mittlere Verweilzeit in der Atmosphäre | molekulare Treibhauspotential |
|---|---|---|---|---|---|
| Kohlendioxid | 350 (280) ppm | 7 Gt Kohlenstoff | 0,5% | 5-10 Jahre | 1 |
| Methan | 1,7 (0,8) ppm | 200-500 Mt C | 0,9% | 10 Jahre | 21 |
| FCKW F11 | 0,3 (0) ppb | 4 % | 65 Jahre | 3500 | |
| FCKW F12 | 0,5 (0) ppb | 1 MT FCKW | 0,25% | 130 Jahre | 7300 |
| Lachgas | 0,31 (0,29) ppm | 1-7 Mt C | 0,25% | 100 Jahre | 290 |
| Ozon | 30 ppb | 1 GT | 1 % | 1-3 Monate | 2000 |
[Christian Dietrich Schönwiese: Das Problem menschlicher Eingriffe in das Globalklima „Treibhauseffekt“ in aktueller Übersicht]. In dieser Übersicht fehlt der Wasserdampf, da er keine anthropogene Quelle hat. Er steht aber für 62% des Treibhauseffektes. Das Kohlendioxid macht 22% aus.
Aufgrund der hohen Verweildauer der FCKW in der Atmosphäre und ihrem hohen Treibhauseffekt wurde von Zubrin [Technological requirements for terraforming Mars] schon vorgeschlagen, diese im Großmaßstab zu emittieren. Basierend auf den Daten die wir von der Erdatmosphäre haben, müssten wir um die gleiche Temperatur wie auf der Erde beim Mars zu erreichen müssen wir die Temperatur um 70 K anheben.(von -55°C auf +15°C). Basierend auf den Daten der Erde, müssten wir pro Jahr, wenn wir F12 (CCl2F2) emittieren, rund 4.500 Millionen Tonnen pro Jahr in die Luft pusten. Dann würden wir in 130 Jahren den obigen Treibhauseffekt erreichen. Das ist die 4.500 fache Menge die wir auf der Erde freisetzen und sie liegt in der Größenordnung was wir derzeit an Kohlendioxid emittieren (7000 MT Kohlenstoff). Da dies rund 7 Milliarden Menschen tun, dürfte klar sein, dass man das nicht so einfach mit ein paar Fabriken erreicht.
Das löst dann zwar das Temperaturproblem, aber dafür wird es nie und nimmer eine Ozonschicht geben. Es kann also keine Dauerlösung sein, sondern nur dazu dienen erst einmal den Mars zu erwärmen. Doch auch dafür ist es keine ideale Lösung, denn die lange Verweilzeit in der Atmosphäre bewirkt, dass wir das Gas sehr lange auf dem Mars haben. Die 130 Jahre beziehen sich auf die Konzentration auf der Erde in einer Sauerstoffatmosphäre, beim Mars mit 4.500 fach höherer Emission wird sie ungleich länger sein.
Besser wäre es daher Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan und Lachgas für die dauerhafte Atmosphäre einzusetzen. Allerdings ist nur Kohlendioxid langzeitstabil. Das in obiger Tabelle 5-10 Jahre angegeben werden, liegt darin dass die Biosphäre laufend Kohlendioxid aufnimmt und es auch im Wasser gelöst wird. Die anderen Moleküle werden dagegen durch UV-Strahlen gespalten und haben auch auf dem Mars nur eine begrenzte Lebensdauer.
Kohlendioxid hat aber einen viel geringeren Treibhauseffekt. Basierend auf dem bekannten Treibhauseffekt auf dem Mars müssten wir den Kohlendioxid-Partialdruck von 5,8 auf 50,8 mb erhöhen, also um rund das neunfache. Das würde bei einer Atmosphäre mit 1000 hpa Bodendruck einem Volumenanteil von 5% entsprechen, Das ist an einer Grenze wo Menschen schädliche Wirkungen spüren. 5% Kohlendioxid führen über kurze Zeit zu Kopfschmerzen, Bluthochdruck und Kurzatmigkeit. Langezeituntersuchungen liegen nicht vor. 8% sind innerhalb 30 bis 60 Minuten tödlich. Die maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen liegen bei 0,5%. [Die Technikerkrankenkasse: Rauchvergiftungen durch Gase] [EG: Sicherheitsdatenblatt Kohlendioxid] Damit dürfte man also die Atmosphäre nicht anreichern, wenn wir darin leben wollen. Bei der Erde macht der Wasserdampf den Großteil des Treibhauseffektes aus, 62% gegenüber dem Kohlendioxid mit nur 22%. Überträgt man dies auf den Mars, so kann man die Konzentrationen senken, zumal Wasserdampf in einem anderen „Fenster“ absorbiert. Überträgt man die Situation der Erde auf den Mars, so würde es reichen den Kohlendioxidgehalt auf 9 hPa zu erhöhen, immerhin noch mehr als 20-mal höher als auf der Erde und über den Grenzwerten für die Arbeit (3-5 hPa). Doch zuest müsste es mehr sein, denn Wasserdampf als weitere Treibhausgas bildet sich erst wenn die Temperatur deutlich angestiegen ist.
Sollte es übrigens tatsächlich einmal eine Biosphäre geben, so haben wir eher das Problem den hohen Kohlendioxidgehalt aufrecht zu erhalten, denn Organismen würden es bald in Biomasse umwandeln. Die höchsten Kohlendioxidgehalte gab es bei uns im Jura und der Kreide, als 60% aller fossilen Brennstoffe gebildet wurden. Er lag damals bei 2000 ppm, was bei gleichem Druck rund 2 mb entspricht, also weitaus weniger als der Mars heute aufweist. Entsprechend kann man davon ausgehen, dass der Gehalt über geologische Zeiträume rasch abnehmen wird und wir von irgendwo her Nachschub erzeugen müssen, z.B. über das Brennen von Carbonaten (analog dem Brennen von Kalk bei dem dieser In Kalziumoxid und Kohlendioxid gespalten wird. Als positiver Nebeneffekt: Wir haben mehr als genug gebrannten Kalk für Beton und Zement.
Eine für Menschen atmenbare Atmosphäre
In jedem Falle brauchen wir eine Sauerstoffatmosphäre, wenn Menschen und Tiere auf dem Mars existieren sollen. Bei unter 18% Sauerstoffgehalt lässt schon unsere Urteilsfähigkeit nach [Linde: Kampagne gegen Ersticken] und unter 10% sind tödlich. Wenn wir also wollen, dass die Marsbewohner nicht unter eingeschränkter Urteilsfähigkeit und Kopfschmerzen leiden sollte der Sauerstoffpartialdruck mindestens 180 hPa und der Kohlendioxid Partialdruck unter 50 hPa liegen. Das sind die Grenzwerte. Doch woher soll der Sauerstoff kommen? Bei der Photosynthese passiert in Summe folgendes:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. [Stryer: Biochemie}
Pro Molekül CO2 entsteht also ein Sauerstoffmolekül. Wir würden also um einen Partialdruck von 180 hPa Sauerstoff am Ende zu erreichen, zuerst einmal den Kohlendioxidpartialdruck auf größer als 180 hPa treiben und das ist ein Problem: Es mag noch Kohlendioxid in Wasser gebunden geben, als Clathrate, wie man sie auf der Erde von Methan kennt. Doch dass dies so viel ist, kann ausgeschlossen werden. Auf der Erde werden 1000 Gt in Gashydraten vermutet, vor allem Methan, dass sich viel besser als Kohlendioxid in das Kristallgitter des Wassers einfügt. Auf dem Mars ist die Oberfläche kleiner und es gibt weniger Wasser (was an der Oberfläche beobachtbar ist reicht für einen globalen Ozean mit 29,6 m Dicke, unterirdische Vorkommen sollen bis zu 400 m ermöglichen) [Ulrike Flach: Gashydratforschung fest in die Forschungen „System Erde“ und „Neue Technologien“ integrieren., Nadine Barlow: Mars: An Introduction to its Interior, Surface and Atmosphere]. Doch selbst wenn man diese Zahl auf den Mars überträgt, so würden die 1000 GT den Atmosphärendruck nur um 2,75 hPa erhöhen.
Es fehlt also an Kohlendioxid um durch photosynthetische Prozesse eine Sauerstoffatmosphäre zu generieren. Um die Photosynthese aufrecht zu erhalten, reicht das vorhandene aber aus. Der Stoff denn man auf dem Mars am einfachsten nutzen könnte, wäre Wasser. Wasser kann durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden:
H2O + 268,8 kJ/Mol → O2 + H2 [Hollemann-Wiberg: Anorganische Chemie]
Der Mensch müsste also übergehen, in großem Stil Wasser durch Elektrolyse zu spalten, wofür man Unmengen an Energie benötigt (für 1 m³ Sauerstoff mit 180 hPa Partialdruck rund 0,6 kKh, das heißt ein 1000 GW Kraftwerke müssten rund 425.000 Jahre arbeiten um das Wasser zu spalten. Immerhin, davon gibt es genügend.
Dich was würde es bringen? Das ist eine Frage die gerne vergessen wird, denn das die Atmosphäre heute so ist, hat ja einen Grund. Es gibt einen Grund, warum der Druck so niedrig ist und der Kohlendioxidanateil so hoch ist. Verantwortlich sind dafür nicht geologische Prozesse und auch nicht biologische Aktivität. Der Schlüssel zum Verständnis ist der Stickstoff. Stickstoff ist anders als Kohlendioxid oder Sauerstoff ein inertes Gas. Er reagiert nicht mit anderen Gasen, außer bei extremen Bedingungen (Blitze, sehr energiereiche UV-Strahlung wie sie aber auch beim Mars nur in der obersten Atmosphäre vorkommt). Nach den gängigen Modellen sollten alle drei erdähnlichen Planeten aus ihrer Entstehungszeit gleich viel Stickstoff erhalten haben und in der Tat haben Erde und Venus in etwa gleich viel Stickstoff (er macht bei der Venus wegen der dichten Atmosphäre eben nicht 80% sondern nur 3,5% aus) beim Mars ist es aber viel weniger. Warum?
Nun weil der Mars so klein ist, verliert er leichtere Moleküle schneller als die Erde. Das sieht man auch an dem leichten Molekül Neon. Neon, mit Atommasse 23 hat auf der Erde einen Anteil von 20 ppm an einer Atmosphäre mit 1013 hPa Druck (=0,2 hPa Partialdruck) und beim Mars nur 0,2 ppm bei 6 hPa Druck (0,000012 hPa). Auch dieses Edelgas ist inert. (Argon als schwereres Edelgas kann nicht als Vergleich herangezogen werden, da die Hauptquelle auf der Erde der Zerfall von Kalium-40 ist, durch die Aktivität des Planeten bleibt das Zerfallsprodukt Argon-39 nicht im Gestein, beim Mars ist dies nicht gegeben). [Keppler: Die Planeten, Barlow: Mars: An Introduction to its Interior, Surface and Atmosphere].
Der Mars hat sehr frühzeitig seine Atmosphäre verloren. Das sie heute vor allem aus Kohlendioxid besteht liegt darin, dass es mit Atommasse 44 erheblich schwerer als der Stickstoff mit 28 ist. Wie schnell, das ist noch offen, genauso wie diskutiert wird, wie hoch die Atmosphäre in der Frühzeit war. Hier laufen die Schätzungen auseinander zwischen 100 hPa und 3500 hPa. . [Köhler: Der Mars, William Cassata: Trapped Ar isotopes in meteorite ALH 84001 indicate Mars did not have a thick ancient atmosphere]. Die nächste US-Mission MAVEN soll hier weitere Aufschlüsse bringen. Auch Curiosity könnte durch Isotopenmessungen hier einiges beitragen: Da der Verlust abhängig von der Molekülmasse ist, ist es so, dass Moleküle die leichter sind, schneller verloren gehen als schwerere. Nun gibt es in kleiner Menge auch schwere Isotope des Kohlenstoffs (C13 anstatt dem normalen C12) und des Sauerstoffs (O17,O18 anstatt dem normalen O16) und Kohlendioxidmoleküle, die eines dieser Isotope enthalten, dürften daher angereichert sein.
In jedem Falle wird man sich bei einer Zeit von 425.000 Jahren für den Aufbau der Atmosphäre einem Zeitrahmen bewegen, bei dem man diesen Effekt berücksichtigen muss, das bedeutet, man wird die Kraftwerke dauernd weiter betrieben müssen, bis irgendwann mal das Wasser alle ist – doch das führt uns zum nächsten Problem im nächsten Artikel
Zusammenfassung
Eine Roadmap, ungeachtet der bestehenden Probleme, und diese wohlwissend ignorierend, wäre diese:
Zuerst erzeugt man durch die massive Produktion des FCKW F12 einen massiven Triebhauseffekt, der die Temperatur soweit anhebt, dass Wasser flüssig wird (globale Mitteltemperatur um 55°C anzuheben). Dies ist noch in relativ kleinen Zeiträumen, spricht Hunderten von Jahren möglich. Dann kann man daran gehen, das Wasser elektrolytisch zu spalten. Tausende Kernkraftwerke werden dazu benötigt und wir reden von geologischen Zeiträumen (würde man sämtliche Atomkraftwerke der Erde auf den Mars transplantieren, man benötigte 2.000.000 Jahre, das heißt, auf der Erde müsste der Homo erectus diese Aufgabe angegangen haben). Ob es so viel Uran auf dem Mars gibt wäre noch zu klären. Auf der Erde würden die Vorräte auf jeden Fall nicht ausreichen. Schnelle Brüter mögen die Vorräte strecken, doch da bei uns sie maximal einige Hundert Jahre reichen ist es unwahrscheinlich, dass dieser Plan aufgeht. alternativ kann man natürlich Solarenergie einsetzen. Bei 20% Wirkungsgrad und 500 Watt/m² Sonneneinstrahlung am Boden (im Weltall: 618 Watt/m²) braucht man eine Fläche von 20 km² um ein Kernkraftwerk zu ersetzen. (Nacht mit berücksichtigt).
Bedingt durch das teilweise im Wasser gelöste Kohlendioxid würde auch der Kohlendioxidgehalt ansteigen. Das würde zusammen mit dem entstehenden Wasserdampf dann einen stabilen Treibhauseffekt ergeben. Die Wassermenge die so gespaltet wird entspricht einer Schicht von 2,2 m Dicke auf dem Mars. Über diese lange Zeit würde sich auch das FCKW abbauen, sodass sich eine Ozonschicht ausbilden könnte. Allerdings wäre ohne Magnetfeld und bei einer dünneren Atmosphäre, die Strahlenbelastung immer noch deutlich höher als auf der Erde.
Weiterhin gibt es noch ein ungelöstes Problem: Die Atmosphäre wäre eine reine Sauerstoffatmosphäre, ohne Stickstoff. Dieser fehlt auf dem Mars und wir kennen keine unterirdischen Vorkommen. Eine reine Sauerstoffatmosphäre ist aber gefährlich. Brände breiten sich viel schneller aus, wie wir spätestens nach dem Brand bei Apollo 1 wissen.
Offen ist weiterhin, wie lange die Atmosphäre Bestand haben wird. Die Verlustrate der heutigen Atmosphäre ist leider nicht auf eine frühere, dichte, übertragbar. Für eine dichte Atmosphäre gibt es nur Modelle, die differieren. Kass, Yang [Loss of atmosphere from Mars due to solar wind-induced sputtering] kamen zu dem Schluss, dass der Planet 3 Bar Kohlendioxid über 3,5 Milliarden Jahre verloren hat, was wenn dies linear ist, bedeuten würde, dass wir nach dem Aufbau der Atmosphäre nur noch ein Fünfhundertstell der Kraftwerke weiter betrieben müssen, um die Atmosphäre konstant zu halten. Dagegen prognostizieren Cassata et Al einen Verlust von 1,1 Bar in nur 400 Millionen Jahren [William Cassata: Trapped Ar isotopes in meteorite ALH 84001 indicate Mars did not have a thick ancient atmosphere]. Das ist rund dreimal mehr als im oberen Modell.
In jedem Falle ist der Mars keine Wohnstatt für ewig. Wir verbrauchen dauernd Wasser um Sauerstoff zu gewinnen. Nimmt man die bekannten Wasservorräte und die höhere Verlustrate, so sollte es aber für rund 1 Milliarde Jahre ausreichen.
Was klar ist: Wir reden hier von einer hohen Industrialisierung ohne das die Oberfläche für die Allgemeinheit bewohnbar wäre. Alleine die für die Bildung der Atmosphäre nötigen Kernkraftwerke würden den gesamten irdischen Strombedarf decken können. Trotzdem würden alle Personen die dort arbeiten über Hunderttausende von Jahren nur in Raumanzügen die Oberfläche betreten können. Wahrscheinlich würden die kleinen Kolonien mit Glas überdacht sein, auch um Pflanzen und Tiere zu halten. Bei einer kleinen Kolonie mit isolierter Atmosphäre wäre auch Stickstoff als Füllgas einsetzbar. Auf dem Mars selbst würde es fehlen, was ausgeklügelte Strategien zur Vermeidung der Ausbreitung von Feuern, die ja auch durch Gewitter im Freien entstehen können voraussetzt (wie Wassergräben oder Wüstenstreifen, die Gebiete mit Vegetation in kleine Quadrate unterteilen und eine zu starke Ausbreitung von Feuern verhindern
Ich glaube ist einfacher den Mars einfach in ein riesiges Treibhaus mit Glasdach zu verwandeln, als die Atmosphäre zu verändern.
Das könnte wenigstens Stück für Stück geschehen und nicht alles auf einmal wie bei der Atmospährenumwandlung. Zusätzlich löst man so das Problem, dass das Gas in den Weltraum entweichen kann. Vermutlich ist ein automtische Glasfabrik leichter zubauen.
Na ja eine Farbik die 145 Millionen km² Glas herstellt ist auch nicht gerade einfach und das Glas braucht auch viel Energie für die Herstellung. Vor allem aber wird es daurend durchlöchert. Ohne Atmosphäre reichen schon Meteoriten von 1 cm Größe um es zu durchschlagen, wahrscheinlich eher weniger. Ich habe nicht die Zahl parat was so an kleinem Material auf die Erde regnet (dort wird es so schnell abgebremst dass es gar nicht dn Erdboden ganz erreicht), aber das dürfte schnell eine Dauerbaustelle werden
Man müsste ja nicht ganze Oberfläche aufs Mal bedachen, am Anfang vielleicht ein paar hundert Quadratmeter, dann können sich die Kolonisten mal ohne Raumanzug bewegen. Und man kann auch Pflanzen anbauen. Und wenn’s zu klein wird, dann überdacht man zusätzliche Fläche usw.
Und es gibt sicher einen besseren Werkstoff als Glas. Nur vom Konzept her.
Interessant. Man baue also sowas wie Biosphäre 2 auf dem Mars nach. Wäre als Basis auf jeden Fall interessanter, als eine „Containersiedlung“. Würde allerdings trotzdem einige Jahre Bauzeit beanspruchen, weil man ja erst mal einiges an Ausrüstung zum Mars bringen muss…
@Brandgefahr:
Die Bemerkung bzgl Apollo1 Feuer verschweigt, das die Materialien und Überschlagsstrecken für Funken ursprünglich nur auf den operativen Druck von ca. 200 mbar ausgelegt wurden. Der besagte Unfall fand jedoch bei einem Test mit reiner Sauerstoffatmosphäre bei rund 1,2 bar Druck statt – auch um die Leckrate und mechanische Stabilität zu testen (der Differenzdruck, und damit die mechanische Belastung, sind bei 1,2 zu 1,0 bar sowie 0,2 zu 0 bar ident). Reiner Sauerstoff unter Überdruck in einer Umgebung die nicht darauf ausgelegt ist, war nachweislich ein gewisses Problem…
Zum anderen sind die Zeitskalen um einen Faktor 10^3 bis 10^4 daneben, sofern man nicht harmlose FCKWs emittieren will, sondern ein deutlich potenteres Gemisch (vor allem SF5CH3 und SF6, sowie einige (4-6) weitere hochmolekulare FKWs. Vor einigen Tagen wurde das Paper auf Centauri Dreams verlinkt, in dem ein optimales Gasgemisch für Mars Terraforming untersucht wurde. Dieses Gemisch absorbiert effektiv im kompletten NIR und FIR Bereich (inkl. H2O Bande), und liefert massiv stärkere Druckgradienten in der Atmosphäre wegen der hohen Dichte der massiveren Moleküle. Eine Atembare Umgebung bekommt man so jedoch nicht, allerdings gibt es dann keine Druck- oder Temperaturdifferenz, sodas sehr einfache Konstruktionen ausreichend lange Atemluft halten können. Im Freien kann man sich mit einem einfachen Sauerstoff-Inhalator (Flugzeugkabine) bewegen. Gleichzeitig bliebe der CO2 Partialdruck am Boden, trotz geringer Schichtungseffekte, hoch genug für höheres Pflanzliches Leben…
Noch ein Gedanke zur Brandgefahr: Bis vor wenige Jahrzehnte (vor dem Montreal Abkommen), war es durchaus üblich, problematische Bereiche konstant mit niedrigen Mengen FCKW zu fluten (Rechenzentren, U-Boote, in den späten 1960igern dann auch Raumkapseln) CKWs und FCKWs sind extrem potente Radikalfänger, d.h. selbst mit wenig dutzend bis hundert ppm gibt es in einer solchen Umgebung keine offenen Feuer (bei konstanter Energiezufuhr bestenfalls Schmorbrände). Bei weniger als 140 mbar gibt es ähnliche Effekte – Sauerstoffabreicherung wird heute benutzt, um in Rechenzentren kritische Infrastruktur zu schützen. (Da darf man nur gesund hinein, maximal 20 min drinnen bleiben, und keine schweren Arbeiten wie zB Server in Racks einbauen ohne mechanische Hilfe durchführen. Der Zentrifugen zur Stickstoffanreicherung und Überdruckhaltung brauchen aber ein paar hundert kW…
Daher sorgen mich Feuer da viel weniger.
Bei den angegebenen Zeitskalen im Artikel ist tatsächlich die UV Disassiation bzw Verlust durch Sonnenwind der aufgebauten Atmosphäre das echte Problem.
@Rscheff: Für SF6 habe ich einen Faktor 22.800 gegenüber CO2 gefunden. Das ist dreimal höher als F12, (6.500-7.200 je nach Literaturquelle), das reduziert dann aber nicht die Zeit um den Faktor 1000 oder 10.000 sondern um den Faktor 3. Es geht hier schließlich um die Erwärmung um 70 K, die ganze Erdatmosphäre bringt nur 18 K zustande. Zudem ist SF6 nur oberhalb -64°C gasförmig, dürfte also in der Marsnacht und an den Polen ausregnen. SF5CH3 dürfte aufgrund des höheren Molekulargewichts noch niedrigere Siedepunkte haben, über das fand ich keine Daten.
Unbestritten ist das die Brandgefahr in einer reinen Sauerstoffatmosphäre höher ist. Den Vergleich mit Apollo hast Du gezogen, von mir steht da kein Wort drin, da ich die Problematik kenne. Wer den Artikel liest, der weis es geht um den Planeten und nicht eine abgeschlossene Siedlung die man „fluten“ kann, da sind FCKW keine Lösung gegen Brände durch Blitze.
Servus,
„Eine reine Sauerstoffatmosphäre ist aber gefährlich. Brände breiten sich viel schneller aus, wie wir spätestens nach dem Brand bei Apollo 1 wissen.“
Bei dieser Bemerkung wollte ich nur klar stellen, das dies korrekt ist für eine Umgebung mit 1,2 bar Druck, 100% O2; wahrscheinlich hätte auch beim Auslegungsdruck von 0,2 bar 100% O2 ein Brand entstehen können, jedoch mit deutlich weniger fatalem Resultat. Purer Sauerstoff unter Überdruck in Kontakt mit Materialien die dafür nicht ausgelegt sind, ist definitiv eine schlechte Idee..
Referenzen: „Keeping Mars warm with new super greenhouse gases“,
M. F. Gerstell, J. S. Francisco, Y. L. Yung, C. Boxe, and E. T. Aaltonee
http://www.pnas.org/content/98/5/2154.long
(Ich hatte mich vertan, es handelt sich um SF5CF5, nicht SF5CH5; das Gasgemisch insgesamt sind jedoch 5 komplettflourierte C (S, N) Verbindungen:
CF3CF2CF3 (lifetime: >10^8)
CF3SCF2CF3 (8950)
SF6 (3200)
SF5CF3 (4050)
SF4(CF3)2 (3070)
Zur Aufrechterhaltung der relevanten Partialrücke sind lt Paper nur noch ca. 0,17 Mt/a notwendig – sofern die Atmosphäre bereits Erdähnlich ist (ohne O2, H2O, O3 sollte noch etwas weniger notwendig sein). Als Vergleich, lt. Wikipedia produziert nur die BASF rund 0,8-0,9 MT/a an Ammoniak (global rund 150 MT/a), ist also eine großtechnisch verhältnismäßig leicht erreichbare Menge (zumal ja auch mehr Flour im Mars-Regolith enthalten sein soll, als in der Erdkruste).
Lt. CRC 71, Dampfdruck von SF6 (sublimiert):
133 Pa (1 torr) …. -132,7 °C
1333 Pa (10 torr) … -114,7 °C
5332 Pa (40 torr) … -101,5 °C
13 kPa (100 torr) … -90,9 °C
53 kPa (400 torr) … -72,6 °C
101 kPa (760 torr) … -63,5 °C
Zumindest für SF6 besteht das Problem mit der Kondensation wohl nur in der Polarnacht, für die anderen Gase hat mein 1991iger CRC leider keine Daten, aber da stimmt es wohl, das man anfangs auch kleinere FKWs (NF3, CF4) nutzen muß… Wobei auch noch zu bemerken ist, das der GWP nicht linear mit dem Absolut- und Partialdruck, sowie der Gesamtzusammensetzung der Atmosphäre zusammenhängt.
Ein initiales „Auftauen“ (ohne Druckerhöhung auf 100 kPa, oder O2) sollte jedoch innerhalb eines Menschenlebens realisierbar sein. Wobei ab einer Temperaturerhöhung von 30-35 K an den Polen auch das dort gebundene CO2 sublimiert und durch den steigenden Druck auch der Treibhauseffekt der Fluorverbindungen erhöht wird. Das sollte folglich das komplette CO2 freisetzen…
„We considered 21 fluorine compounds, some of which were not previously synthesized, observed, or documented“
Die Verfasser nehmen Gase die niemals synthetisiert wurden, extrapolieren ihre eventuellen Fähigkeiten und postulieren dann ihre Wirkung. Jeder der von Chemie eine Ahnung hat schüttelt da nur den Kopf. Wenn es die Substanzen nicht gibt ist nicht mal gesagt dass man sie synthetisieren kann, geschweige denn dass sie so wirken, ob sie stabil sind und nicht photolytisch gespalten werden und ob sie nicht eine lebensfeindliche Schicht auf dem Boden ausbilden SF4(CF3)2 hat eine Atommasse von 246, achtmal mehr als Sauerstoff und dürfte sich nicht mit ihm mischen. Schon heute kennt man Kohlendioxidvergiftungen weil das Gas schwerer als Luft ist und in Kellern diese verdrängt. Wenn man bedenkt welche Unsicherheiten man bei den bekannten Treibhausgasen auf die Erdatmosphäre hat halte ich das für nicht seriös.
Ich habe mir die Mühe gemacht nach Publikationen zu suchen, die diese zitieren und sich mit demslben Thwma beschäftigen. Die kommen zu durchaus andere Schlüssen. Nach einer wäre 1 Pa Druck nötig um einen Treibhauseffekt von 33,5 K zu erzeugen und die Gefahr sei sehr groß bei der Langlebigkeit der Verbindungen einen galoppierenen Effekt (sich durch Ausgasung von Kohlendioxid schnell verstärkenden Effekt) zu erhalten.
1 Pa Druck entspricht bei den Molmassen dieser Gase mindestens 13,6 Billionen Tonnen (für SF6), also bei den 0,17 MT pro Jahr müsste man die Fabriken nicht 100 Jahre, sondern 80 Millionen Jahre lang betreiben.
Zum Sauerstoff: unabhängig von Apollo 1 ist reine reine Sauerstoffatmosphäre brandfördernd nicht umsonst heißt der Stickstoff Stickstoff. Die NASA hat das nach Apollo 1 untersucht und deswegen bei Skylab kleine Mengen an Stickstoff hinzugemischt welche die Brandgefahr deutlich senkten
@Bernd: Teil 4 (falls es einen geben wird) wird denke ich mal die niedrige Gravitation des Mars behandeln, oder?
Daß der Mars Schwierigkeiten haben würde eine Sauerstoff Atmnosphäre zu halten wird leider nur zu oft von Terraforming Ethusiasten „vergessen“.
Auf jeden Fall danke für die Mühe diese Artikelreihe zu verfassen.
Ein Terraforming der Atmosphäre wird nix, da gebe ich dem Bernd recht.
Aber schauen wir uns doch mal diesen schönen Krater an: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/20/Victoria_Crater,_Cape_Verde-Mars.jpg
Das ist doch eine prima Vorlage für eine Biosphäre. Am Rand des Kraters wird eine kreisförmige Betonarmierung errichtet. Daran anschließend die kreisförmige Plane für eine riesige Traglufthalle in Form einer domartigen Kuppel, welche später den Krater überspannen wird.
Gefüllt wird der Krater und aufgeblasen wird die Halle mit SF6. Warum SF6? Das ist ein äußerst schweres Gas. Durch das schiere Eigengewicht wird der SF6-See am Grund des Kraters bei 100m Tiefe schon den Bodendruck deutlich steigern. Wenn die Traglufthalle aufgeblasen wird, kommt noch das Gewicht der Gassäule bis zur Spitze des Doms hinzu, und das Eigengewicht der „Plane“. Die restliche Drucksteigerung wird dann durch einen Überdruck erledigt, mit dieser Druckdifferenz wird der Dom zusätzlich belastet. Ich bin mir sicher, daß das nur noch Größenordnungen von 0,3bar sind. Vielleicht gibt es hier jemand, der die physikalischen Druckverhältnisse im Krater und in der Traglufthalle mit SF6-Füllung mal durchrechnen kann.Der Krater hat einen Durchmesser von 730m und momentan eine Tiefe von 70m, welche jedoch bei dem Bauvorhaben problemlos steigerbar sein sollte.
In der SF6-Atmosphäre haben wir nun ein Problem. Zwar können Menschen ohne Druckanzüge herumlaufen, und wir könnten die Atmosphäre auch mit Sauerstoff anreichern, aber SF6 behindert in der Lunge die Abatmung von CO2.
Daher sollte man den Kompromiß eingehen, daß Menschen „im Freien“ mit einfachen Atemluft-Inhalatoren herumlaufen. Für das wirklich freie Herumlaufen müßten sie sich in drucklose Habitate zurückziehen, welche dann eine irdische Atmosphäre enthielten und Bestandteil der Landschaft unter der Kuppel sind.
Für Pflanzen sollte die SF6-Atmosphäre, welche selbstverständlich auch ein wenig CO2 und N2 enthalten kann, kein Problem darstellen.
Die „Plane“ des Doms muß ein Hightech-Material sein, welches bei kleinen Meteoriteneinschlägen selbstheilend ist. Zudem muß es Sonnenlich durchlassen, UV blocken.
Ich habe Teil 3 um einen weiteren Absatz erweitert, der auf die Oberflächenschwerkraft eingeht.
http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2012/09/11/terraforming-mars-teil-3-nur-noch-ein-paar-kleinere-probleme/
Terraforming ist ein Aufwand, der sich angesichts der realistisch zu erreichenden Resultate schlicht nicht lohnt. Deshalb denke ich, dass man vielleicht auf dem Mars einmal grosse, vom internen Luftdruck getragene Kuppeln sehen wird (v.a. Forschungsstationen und vielleicht ein paar Enthusiastensiedlungen & Hotels), aber kein grossflächiges Terraforming. Da würde es sich eher noch lohnen, einen kleinen Asteroiden in ein O’Neill-Habitat umzuwandeln: immerhin hat man da innerhalb nützlicher Frist eine erdähnliche Umgebung mit erdähnlicher Gravitation.
Kleine Korrektur: Neon hat Atommasse 20 und das Zerfallsprodukt von K-40 ist Ar-40 (das häufigsts Ar-Isotop in der Erdatmosphäre).
Wenn ich bedenke was man alles an Material von der Erde auf den Mars transportieren müsste nur um die nötigen Anlagen zum Terraforming auf den Mars zu bringen stellt sich mir die Frage ob es nicht einfacher wäre mittels entsprechender Ionenantriebe mehrere grössere Asteroiden von jenseits der Eisline auf Kollionskurs (mit möglichst geringer Relativgeschwindigkeit) mit Mars zu bringen. Der Zeitaufwand wäre ähnlich der eines Technischen Terraformings und es böte einige bestechende Vorteile:
– besagte Asteroiden bringen erhebliche Mengen an Wasser mit, Ceres als Beispielkörper besteht zu
17-27% aus Wasser das durch die Kollision direkt gasförmig in die Athmosphäre gelangt
– gleichzeitig bringen wir damit erhebliche Mengen N2, CO2 und CH4 in die Marsatmospähre
– die Kollisionsenergien führen zu einer starken initialen Erwärmung der oberen Marskruste wodurch
weiteres Wasser, CO2 und evtl gebundenes CH4 freigesetzt wird. Mars würde sich also relativ
schnell erwärmen, wobei auch eine dichtere Atmosphäre entstehen würde durch die Massezufuhr
– als wenn auch kleiner Nebeneffekt steigt die Masse des Mars und damit seine Gravitation, ich
bezweifle aber das dieser Effekt grösser als der 1-stellige % Bereich ist.
Aber auch Nachteile gibt es
Es dauert sehr lange mit vertretbaren Energieaufwand Umlaufbahnen von Körpern der Größenordnung dutzende bis ein paar Hundert Kilometer so weit zu verändern das sie die Marsbahn berühren. Der Abstand der Orbits von Ceres und Mars beträgt z.B etwa 1,3 AE. Anders ausgedrückt Ceres zieht seinen Orbit so weit von Mars entfernt wie dieser von der Sonne. SEHR viel Energie die man da Abbauen muss. Und man darf nicht vergessen das nur kleine Beschleunigungen machbar sein dürften und Jupiters Gravitationseinfluss bei diesen auch mitspielt. Es hat seinen Grund weshalb es regelrecht verbotene Zonen gibt in denen sich kein Asteroid des Hauptgürtels aufhält. Jupiter könnte jeden Versuch einer Bahnänderung in Richtung Mars mit seinem gravitativen Einfluss auf den benötigten Zeitskalen wieder zunichte machen bzw diese Erheblich verlängern. Daneben verlangt diese Idee das man Teile der Flüchtigen Bestandteile der Körper die man zu Mars senden will als Antriebsmasse verwenden muss. Und zwar einen erheblichen Teil. Daneben wo will man die benötogten Energiemengen her bekommen ?? Solarenergie fällt flach (nicht genug Fläche für Solarzellen und erheblich weniger Lichtintensität) und Energie aus Kernspaltung fällt auch flach, man kann aus diesen Körpern wenn überhaupt nur sehr wenig Uran gewinnen und die gesamten Uranvorräte der Erde würden nicht reichen. Übrigens auch nicht für ein Terraforming des Mars mittels Fabriken. Wenn überhaupt bietet die Kernfusion die Möglichkeit die benötigten Energiemengen zu generieren. Für diese gäbe es auch in Form von Deuterium und Helium-3 genug Rohstoffe, aber selbst nach gut 60 Jahren Forschung in der Richtung ist überhaupt noch nicht klar ob eine kontrollierte Kernfusion zur Energiegewinnung technisch machbar ist oder doch nur eine Utopie bleibt. Und selbst wenn das alles lösbar wäre…die von Bernd angesprochenen systematischen Probleme bleiben.
Die Idee mit dem „Materialimport“ ist nicht schlecht. Die beim Aufprall freiwerdende Energie trägt noch zusätzlich zur Erwärmung bei. Allerdings gibt es dabei ein Problem: Beim Einschlag größerer Massen ist die Explosionsenergie beim Aufprall so hoch, daß Material den Planeten verläßt. Bei größeren Brocken möglicherweise mehr als die ankommende Masse. Also sind nur kleinere Brocken geeignet, und da hält sich der Energiebedarf noch in Grenzen.
Statt Asteroiden wäre es praktischer Kometen zu nehmen. Wird die Bahn in der Nähe des sonnenfernsten Punktes geändert, ist der Energiebedarf relativ gering. Möglicherweise kann man auch Vorbeiflüge an den großen Planeten nutzen, um Antriebsenergie zu sparen.
Daß es bei der Kernfussion so langsam vorangeht, hat mehr finanzielle als technische Gründe. Und das ITER-Projekt wurde durch politische Zänkereien um mehr als ein Jahrzehnt verzögert.
Wenn du Ceres mit dem Mars kollidieren lässt ergibt das keine bewohnbare Welt, sondern ein Katastrophe, nicht zuletzt mit Konsequenzen für die Erde. Kollisionen dieser Grössenordnung gibt es zum Glück im Sonnensystem schon lange nicht mehr. Ein solcher Impakt würde einen Krater von 10’000 km Durchmesser reissen, wesentlich grösser als Hellas Planitia und ähnlich gross wie die Vasititas Borealis (die tatsächlich ein Impaktkrater sein könnte). Trümmer würden ins ganze Sonnensystem verteilt, gewisse auch in Richtung Erde. Möglich, dass Ceres bei seiner Annäherung auch noch Phobos und/oder Deimos aus der Bahn wirft. Du würdest einen beträchtlichen Teil der Marsoberfläche aufschmelzen und den Rest vollständig mit Trümmern bedecken. Der viele Wasserdampf der Kollision sowie aus den geschmolzenen Beständen des Mars würde erst die Atmosphäre erreichen, dort von der Sonne in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden, wobei der Wasserstoff sich sehr schnell ins All verflüchtigen würde. Am Ende (nach ein paar 1000 Jahren der Erholung) wäre der Mars weniger lebensfreundlich als heute.
Wie Elendsoft gesagt hat, würde es sich eher lohnen, jenseits des Kuipergürtels kleine Kometenkern in Richtung Mars abzulenken. Anderseits gibt es auf dem Mars durchaus genügend Wasser(eis) und andere Rohstoffe für eine menschliche Kolonie. Es ist alles vorhanden, was man so braucht, bloss keine atembare und schützende Atmosphäre. Da die Gravitation und der Atmosphärendruck geringer als auf der Erde sind, sind grosse Kuppel-Konstruktionen für Farmen und Pärke selbsttragend, ja man müsste sie wohl sogar am Boden verankern, damit sie nicht abheben. Gebäude kann man in den Boden hinein bauen, da kann man auch die verbleibende geothermale Energie (Heizung) und allenfalls vorhandene Grundwasserspeicher (Wasserversorgung, Atemluft) direkt nutzen. Ich kann mir gut vorstellen, dass eine Erhöhung des Atmosphärendruckes aus diesem Grund auf dem Mars gar nie erwünscht sein wird, selbst wenn es dort eine Kolonie gibt. Der Mensch ist viel besser im „Technoforming“ als im „Terraforming“, also in der technologischen Anpassung an die Umstände. Ich vermute, dass wir diese Stärke auch auf dem Mars zu unseren Gunsten ausspielen werden.