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Mars Terraforming: 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. Der Artikel ergänzt den allgemeineren Artikel über die Probleme den Mars bewohnbar zu machen, geht aber noch mehr ins Detail und hat auch Hinweise woher ich die Daten habe und wo man weiter recherchieren kann.

Die Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre und ihre Probleme für die Marskolonisation

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 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

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV Jules Verne wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV.

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© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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