Perseverance misst ultrafeinen Marsstaub und liefert Hinweise zur Auswahl von Schutzmaterialien

Die NASA berichtet, dass der Rover Perseverance feine und ultrafeine Marsstaubpartikel gemessen hat, die an mitgeführten Proben von Raumanzugmaterialien haften. Die Beobachtungen erstreckten sich über mehr als 1.645 Marstage. Nach Angaben der Behörde handelt es sich um die ersten In-situ-Messungen von Partikeln dieser Größenklassen auf dem Mars. Sie könnten Informationen für die Entwicklung von Raumanzügen und Habitaten, die Staubentfernung und künftige Gesundheitsstandards für bemannte Missionen liefern. Die Arbeit wurde für eine Veröffentlichung am 27. Oktober in Proceedings of the National Academy of Sciences angekündigt; der verfügbare Auszug enthält weder den vollständigen wissenschaftlichen Artikel noch dessen detaillierte Ergebnisse. NASA

Staub auf Anzugmaterialien messen

Perseverance führt fünf Proben von Raumanzugmaterialien mit, jede quadratisch und 20 Millimeter pro Seite, als Teil eines Kalibrierungsziels für das SHERLOC-Instrument. Diese Proben wurden zum Mars geschickt, um zu untersuchen, wie die Materialien der Oberfläche standhalten. Das Team untersuchte außerdem Teflon- und Vectran-Proben, die sich auf diesem Ziel befinden. Ein weiteres Instrument, PIXL, maß Staub auf Teflon- und Basaltglasproben auf seinem eigenen Kalibrierungsziel.

Die Anordnung der Materialien hilft zu verstehen, woher einige der gemessenen Signale stammen. Da PIXL die Elemente, aus denen Teflon besteht, nicht direkt nachweisen kann, stammt jedes Elementarsignal, das das Röntgenspektrometer von dieser Probe erfasst, den Angaben im NASA-Text zufolge vom darauf abgelagerten Staub. Die Instrumente analysierten jedoch Staub, der an bestimmten Oberflächen haftete: Der Auszug beschreibt weder eine Probenahme der Marsluft noch eine Messung der Exposition von Personen.

PIXL wies zwei kleinere Partikelklassen nach als frühere Messungen auf dem Mars, die Partikel mit einem Durchmesser von etwa 3 Mikrometern erfassten. Feine Partikel sind kleiner als 2,5 Mikrometer; ultrafeine Partikel sind etwa 100 Nanometer groß. Die NASA vergleicht diese Abmessungen mit der ungefähren Breite eines menschlichen Haars, die etwa 70 Mikrometer beträgt. Auf dem Teflon-Ziel von PIXL und der Vectran-Probe von SHERLOC waren die Partikel durchschnittlich etwa 2 Mikrometer groß. Beim Basaltglas von PIXL und dem Teflon von SHERLOC erreichten die Partikel Größen von etwa 100–300 Nanometern. NASA

Was die Unterschiede zwischen Materialien nahelegen

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass nicht alle Materialien dieselben Mengen oder Größen von Staub zurückhalten. Die NASA weist darauf hin, dass statische Elektrizität offenbar beeinflusst, welche Partikel an den jeweiligen Oberflächen haften: Körner laden sich auf, wenn sie mit anderen Partikeln zusammenstoßen, und unterschiedliche Materialien auf dem Ziel ziehen Partikel verschiedener Größen an. Die kleinsten Partikel blieben trotz jahrelanger Fahrten und Bohrungen des Rovers haften. Der Auszug ergänzt, dass organische Polymere wie Teflon, das in äußeren Schichten von Raumanzügen verwendet wird, feinen Staub leicht aufnehmen.

Für die Materialchemie ist diese Beobachtung wichtig, weil die Wahl einer Oberfläche oder Beschichtung beeinflussen kann, wie viel Staub haften bleibt. Die NASA geht davon aus, dass diese Daten künftige Entscheidungen über Materialien und Schutzbeschichtungen für Raumanzüge und Habitate leiten könnten. Außerdem erwähnt sie Konstruktionslösungen, die den Staubeintrag in bewohnbare Bereiche begrenzen könnten, etwa Suitports – über die man in einen außen an ein Habitat angedockten Anzug einsteigen kann – und Schleusen mit zwei Kammern. Dies sind mögliche Konstruktionsansätze, keine Lösungen, deren Wirksamkeit für Marsmissionen durch diese Messungen nachgewiesen wurde.

Der allgemeine Kontext der Materialwissenschaft hilft zu verstehen, warum die Zusammensetzung und Struktur einer Oberfläche relevant sein können, bestätigt aber die Ergebnisse von Perseverance nicht unabhängig. Das Energieministerium beschreibt, wie nanoskalige Muster in Titandioxidfilmen den Elektronen- und Ionentransport in diesem Material veränderten. Es handelt sich um ein anderes Beispiel, bei dem elektronische Eigenschaften im Mittelpunkt stehen, nicht um einen Nachweis für die Haftung von Marsstaub oder für Raumanzugmaterialien. Energieministerium: Nanoskalige Muster und Materialeigenschaften

Von der Partikelgröße zum Gesundheitsrisiko

Die Größe ist für die Bewertung möglicher Auswirkungen auf die Atemwege relevant, doch die Messungen des Rovers belegen für sich allein nicht, welchen Schaden Staub einer Besatzung zufügen könnte. Die NASA erklärt, dass in der Erdatmosphäre schwebende Partikel mit einer Größe von weniger als 2,5 Mikrometern mit verschiedenen gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht werden, weil sie tief in die Lunge eindringen und in den Blutkreislauf gelangen können. Der Auszug weist außerdem darauf hin, dass Studien gezeigt haben, dass ultrafeine Partikel von 100 Nanometern oder weniger von der Nasenhöhle über den Riechnerv bis ins Gehirn gelangen können. Diese Beobachtungen auf der Erde bieten Kontext, sind aber keine Messung klinischer Auswirkungen auf dem Mars.

Marsstaub besteht überwiegend aus Silikatmineralen und enthält chemisch reaktive Verbindungen, darunter Perchlorate, die die Schilddrüsenfunktion beeinträchtigen können, sowie reaktives Eisen, das Zellschäden verursacht, so die Beschreibung der NASA. Die Behörde weist darauf hin, dass die Risiken von der Staubmenge und der Dauer der Exposition abhängen. Der Auszug enthält weder eine Messung der Exposition einer Person noch einen spezifischen Gesundheitsgrenzwert für den Mars oder Ergebnisse von Versuchen, die diese an einer Oberfläche haftenden Partikel mit einer Erkrankung in Verbindung bringen.

Die beobachtete Chemie stimmt laut NASA mit der bei früheren Missionen gemessenen Zusammensetzung überein, die reich an Eisen und Schwefel ist; PIXL fand außerdem eine Anreicherung an Phosphor und Signale von Calciumsulfat. Der Text beschreibt zudem, dass Marsstaub mehr Siliziumdioxid als Mondstaub enthält und dass Stürme die Körner in der Atmosphäre in Umlauf halten können. Diese Eigenschaften liefern Kontext für die Konstruktionsaufgabe, beseitigen aber nicht die Unsicherheit hinsichtlich der Exposition von Menschen.

Reichweite der Ergebnisse

Die Messungen von Perseverance können helfen, konkrete technische Fragen aufzuwerfen: Welche Materialien halten kleine Partikel zurück, wie lassen sich Oberflächen schützen und wie kann der Staubtransport in bewohnbare Räume verringert werden? Die NASA ordnet diese Arbeit auch in die umfassendere Vorbereitung auf die bemannte Erforschung ein. Die Ankündigung entspricht jedoch weder einer vollständigen Sicherheitsbewertung noch belegt sie, dass ein Material oder eine Habitatarchitektur bereits für den Mars geeignet ist.

Eine Referenz des Energieministeriums erklärt, dass die Nanowissenschaft Materie in Abmessungen von ungefähr 1 bis 100 Nanometern untersucht, in denen Phänomene auftreten können, die für kleine Skalen typisch sind. Sie hilft dabei, die Größenordnung der mitgeteilten ultrafeinen Partikel einzuordnen, bestätigt aber weder die Messungen noch erlaubt sie Schlussfolgerungen darüber, wie diese Partikel mit dem menschlichen Körper wechselwirken. Energieministerium: Nanowissenschaft

Der praktische Wert dieser Daten besteht derzeit darin, dass sie direkte Messungen von Staub liefern, der an Materialproben auf der Marsoberfläche haftet. Um daraus Schutzkriterien abzuleiten, werden Daten benötigt, die Partikel, Materialien, Expositionsbedingungen und die Gesundheit der Besatzungen miteinander in Beziehung setzen; der NASA-Auszug nennt oder bestätigt solche Kriterien nicht.