Künstlerisches Konzept möglicher Erkundungsprogramme. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Sind Sie schon einmal an einem trockenen Wintertag in Schuhen mit Ledersohlen über einen Wollteppich gelaufen und haben dann nach einer Türklinke gegriffen? ZAP! Ein stechender Funke springt zwischen Ihren Fingern und dem Metallknauf über.
Das ist statische Entladung – Blitz klein geschrieben.
Statische Entladung ist für jeden auf der Erde, der dort lebt, wo die Winter eine außergewöhnlich niedrige Luftfeuchtigkeit haben, nur ärgerlich. Aber für Astronauten auf dem Mond oder auf dem Mars könnte statische Entladung ein echtes Problem sein.
„Wir glauben, dass der Boden auf dem Mars so trocken und isolierend ist, dass wenn ein Astronaut zu Fuß in den Lebensraum zurückkehrt und die Luftschleuse öffnet, ein kleiner Blitz kritische Elektronik zerstören könnte“, erklärt Geoffrey A Landis, Physiker in der Abteilung für Photovoltaik und Weltraum-Umwelteffekte am NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio.
Dieses Phänomen wird als triboelektrische Aufladung bezeichnet.
Das Präfix „tribo“ (ausgesprochen TRY-bo) bedeutet „reiben“. Wenn bestimmte Paare ungleicher Materialien wie Wolle und hartes Schuhsohlenleder aneinander reiben, gibt ein Material einen Teil seiner Elektronen an das andere Material ab. Durch die Ladungstrennung kann ein starkes elektrisches Feld entstehen.
Hier auf der Erde haben die Luft um uns herum und die Kleidung, die wir tragen, normalerweise genug Feuchtigkeit, um anständige elektrische Leiter zu sein, so dass alle Ladungen, die durch Gehen oder Reiben getrennt werden, einen freien Weg zur Erde haben. Elektronen fließen in den Boden, anstatt sich auf Ihrem Körper anzusammeln.
Aber wenn Luft und Materialien außergewöhnlich trocken sind, wie zum Beispiel an einem trockenen Wintertag, sind sie ausgezeichnete Isolatoren, sodass es keinen freien Weg zum Boden gibt. Ihr Körper kann negative Ladungen ansammeln, möglicherweise bis zu erstaunlichen 20.000 Volt. Wenn Sie einen Leiter berühren, beispielsweise eine Metalltürklinke, dann entladen sich – ZAP! – alle angesammelten Elektronen auf einmal.
Auf dem Mond und auf dem Mars herrschen ideale Bedingungen für triboelektrisches Laden. Der Boden ist trockener als Wüstensand auf der Erde. Das macht es zu einem hervorragenden elektrischen Isolator. Darüber hinaus unterscheiden sich der Boden und die meisten Materialien, die in Raumanzügen und Raumfahrzeugen verwendet werden (z. B. aluminisiertes Mylar, neoprenbeschichtetes Nylon, Dacron, urethanbeschichtetes Nylon, Trikot und Edelstahl), völlig voneinander. Wenn Astronauten laufen oder Rover über den Boden rollen, sammeln ihre Stiefel oder Räder Elektronen, während sie durch den Kies und Staub reiben. Da der Boden isolierend ist und keinen Weg zur Erde bietet, kann ein Raumanzug oder Rover eine enorme triboelektrische Ladung aufbauen, deren Ausmaß noch unbekannt ist. Und wenn der Astronaut oder das Fahrzeug zur Basis zurückkehrt und Metall berührt – ZAP! Die Lichter in der Basis können ausgehen oder schlimmer.
Landis und Kollegen von der NASA Glenn bemerkten dieses Problem zum ersten Mal Ende der 1990er Jahre, bevor Mars Pathfinder gestartet wurde. „Als wir ein Prototyprad des Sojourner-Rovers über simulierten Marsstaub in einer simulierten Marsatmosphäre laufen ließen, stellten wir fest, dass es auf Hunderte von Volt aufgeladen war“, erinnert er sich.
Diese Entdeckung beunruhigte die Wissenschaftler so sehr, dass sie das Rover-Design von Pathfinder modifizierten und Nadeln mit einer Länge von einem halben Zoll aus ultradünnem (0,0001 Zoll Durchmesser) zu einem Punkt geschärftem Wolframdraht an der Basis der Antennen hinzufügten. Die Nadeln würden jede elektrische Ladung, die sich auf dem Rover aufgebaut hat, in die dünne Marsatmosphäre abfließen lassen, „wie ein Miniatur-Blitzableiter, der umgekehrt arbeitet“, erklärt Carlos Calle, leitender Wissenschaftler am Electrostatics and Surface Physics Laboratory der NASA am Kennedy Space Center , Florida. Ähnliche Schutznadeln wurden auch auf den Rovern Spirit und Opportunity installiert.
Auf dem Mond haben „Apollo-Astronauten nie berichtet, dass sie durch elektrostatische Entladungen zerstört wurden“, bemerkt Calle. „Zukünftige Mondmissionen, bei denen große Ausgrabungsgeräte verwendet werden, um viel trockenen Schmutz und Staub zu bewegen, könnten jedoch elektrostatische Felder erzeugen. Da es auf dem Mond keine Atmosphäre gibt, könnten die Felder ziemlich stark werden. Irgendwann könnten Entladungen im Vakuum auftreten.“
„Auf dem Mars“, fährt er fort, „können Entladungen bei nicht mehr als einigen hundert Volt erfolgen. Es ist wahrscheinlich, dass diese eher die Form von koronalem Glühen als von Blitzen annehmen werden. Als solche sind sie für die Astronauten möglicherweise nicht lebensgefährlich, aber sie könnten für elektronische Geräte schädlich sein.“
Was ist also die Lösung für dieses Problem?
Hier auf der Erde ist es einfach: Wir minimieren die statische Entladung, indem wir elektrische Systeme erden. Sie zu erden bedeutet, sie buchstäblich mit der Erde zu verbinden, die Kupferstäbe tief in den Boden schlägt. Erdungsstäbe funktionieren an den meisten Orten der Erde gut, weil der Boden mehrere Meter tief ist, feucht und daher ein guter Leiter ist. Die Erde selbst bietet ein „Meer aus Elektronen“, das alles, was mit ihr verbunden ist, neutralisiert, erklärt Calle.
Es gibt jedoch keine Feuchtigkeit im Boden des Mondes oder des Mars. Selbst das Eis, von dem angenommen wird, dass es den Marsboden durchdringt, würde nicht helfen, da „gefrorenes Wasser kein besonders guter Leiter ist“, sagt Landis. Erdstäbe wären also unwirksam, um einen neutralen „gemeinsamen Boden“ für eine Mond- oder Marskolonie zu schaffen.
Auf dem Mars könnte ironischerweise die Luft der beste Boden sein. Eine winzige radioaktive Quelle, „wie sie in Rauchmeldern verwendet wird“, könnte an jedem Raumanzug und am Lebensraum angebracht werden, schlägt Landis vor. Niedrigenergetische Alphateilchen würden in die verdünnte Atmosphäre fliegen, auf Moleküle treffen und sie ionisieren (Elektronen entfernen). Auf diese Weise würde die Atmosphäre direkt um das Habitat oder den Astronauten leitfähig und würde jede überschüssige Ladung neutralisieren.
Auf dem Mond eine gemeinsame Basis zu finden, wäre schwieriger, wenn es nicht einmal eine verdünnte Atmosphäre gibt, um die Ladung abzuleiten. Stattdessen könnte ein gemeinsamer Boden geschaffen werden, indem eine riesige Folie oder ein Netz aus feinen Drähten, möglicherweise aus Aluminium (das hochleitfähig ist und aus Mondboden gewonnen werden könnte) unter dem gesamten Arbeitsbereich vergraben wird. Dann wären alle Wände und Geräte des Habitats elektrisch mit dem Aluminium verbunden.
Die Forschung ist noch vorläufig. Die Ideen der Physiker, die nach einer gemeinsamen Basis suchen, gehen also auseinander.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
