火星条件下でのブラインの形成を研究するための電気伝導率の測定

このプロトコルの目的は、塩の水和と塩水形成プロセスを監視することです。測定技術として電気伝導率が使用されます。実験は、温度、相対湿度、二酸化炭素雰囲気の模擬火星環境で行われます。

この論文では、火星の条件下でのブラインの形成を研究し、電気伝導率測定でプロセスを監視するための実験を設計するためのプロトコルについて説明します。実験のセットアップには、Engineering Qualification Model(EQM) of Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022 装置を使用しましたが、シンプルで安価な電気伝導率測定セットアップの構築について簡単に説明します。このプロトコルは、シミュレートされた火星環境で塩水への塩潮解の電気伝導率測定を較正するのに役立ちます。火星の温度(-70°C〜20°C)、相対湿度(0%〜100%)、二酸化炭素雰囲気の圧力(7〜8mbar)の条件を、スウェーデンのルレオ工科大学の施設であるSpaceQ火星シミュレーションチャンバーでシミュレートしました。一対の電極の間に収容される既知の量の塩の水和物形態、したがって測定される電気伝導率は、主にその水分含有量とシステムの温度および相対湿度に依存します。電気伝導率の測定は、1 Hzで行われ、さまざまな火星の温度で塩を連続的に増加する相対湿度にさらしました(さまざまなハイドレートを強制的に移行するため)。デモンストレーションのために、火星のオクシア平原(ExoMars 2022ミッションの着陸地点)での昼夜サイクルが再現されました。

惑星探査の主な研究トピックの1つは水循環ですが、大気と地上との相互作用を監視できる一般的で堅牢でスケーラブルな手順を設計することは困難です。実験室でのシミュレーションでは、惑星の大気、表面、および内部の相互作用を再現できます。しかし、必要な機材の調達から人材育成まで、課題が伴います。この論文では、火星の温度、相対湿度、二酸化炭素雰囲気の条件下でのブラインの形成を研究するための実験を設計するためのプロトコルについて説明し、電気伝導率測定でプロセスを監視します。また、シンプルで安価な電気伝導率測定セットアップの構築についても簡単に説明します。このプロトコルは、真空または他の惑星大気での同様の実験を設計するために適合させることができます。

ブライン形成研究の重要性
吸湿性塩は、大気中の水蒸気を吸収して、潮解と呼ばれるプロセスで液体溶液を形成することができます。このプロセスにより、地球や火星の表面に有利な条件下で塩水が生成され、特定の時間と場所に存在する可能性があります。エフロレッセンスと呼ばれる逆のプロセスは、塩水が不利な条件下で脱水するときにも可能です。火星の表面または地下に塩水が存在する可能性は、現在の地球と火星の研究にいくつかの影響を及ぼします。さらに、塩は水和、保持、放出を行うことができ、これも水循環とレゴリスの特性に影響を与えます。

地球と火星の両方で、塩と塩の混合物の潮解による塩水の形成に適した温度、相対湿度、圧力条件を決定することに国際的な関心が高まっています。南極のドンファン池(DJP)流域付近の暗く急傾斜の水路の野外観測と、南極のマクマード・ドライバーズにおける湿ったパッチの形成は、塩化カルシウムが豊富な^堆積物1の塩水形成に起因するとされている。

これらの結果は、-30°Cから15°Cの低温と20%から40%の相対湿度をシミュレートする実験室実験でも検証されています²。チリのアタカマ砂漠の超乾燥コアにあるユンガイ地域の塩化物を含む蒸発岩は、水を吸収して微生物を宿すことができます³。DJPやアタカマ砂漠のような地球上で最も乾燥した場所で起こるプロセスは、現在の火星1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13でも同様のプロセスが起こっていることを示唆する火星の研究のいくつかに類似している可能性があります^{、14、15、16}。ウユニ塩湖(ボリビアのアルティプラノ)の最近のリモートセンシング観測では、火星の軌道¹⁷から観測されたものと同様のプロセスが説明されています。過酷な条件にもかかわらず、潮解による塩水形成プロセスは、バクテリアのコロニーが塩結節³の奥深くで繁殖するのに十分な量の液体水を維持することができます。これは、宇宙生物学者や惑星科学者にとって興味深いことです。

火星のレゴリス中の潮解性塩による大気水分の日内吸収と日周吸収が報告されています^4,5。火星上に存在する過塩素酸塩の塩水形成過程はすでに研究されており、個々の塩粒子の相または水和状態の変化を観察しています^1,9,18。火星関連の条件下では、火星に関連する塩と塩の混合物が潮解と白華19,20,21を受ける相対湿度値を決定するために、さまざまな塩水関連の研究も行われてきました。他の研究者は、これらの実験条件を使用して、火星の温度、相対湿度、および二酸化炭素雰囲気での塩水の蒸発速度を研究しています²²。

ブライン形成の検出とモニタリングの方法
ブライン形成プロセスを監視するには、いくつかの方法があります。可視波長での目視観察と画像は最も簡単です。質量の増加を監視するために塩を秤量することは、よく使用することができます²³。通常、温度、相対湿度、圧力などの環境パラメータは、観察結果を適切に解釈するために監視されます。一部の研究では、湿度計を使用していた。塩の吸湿性は、差動移動度分析装置や電気力学的天びんでも測定できますが、相対湿度が90%²⁴を超えると、その操作は十分に正確ではありません。近年の研究では、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡(TEMやSEM)が広く利用されています。これらの顕微鏡は両方とも、水と個々の塩粒子との相互作用を研究することを可能にする環境細胞^{を有する24}。個々の塩粒子の相変化および転移は、一般に、実験装置^{8,13,19,20,25}に組み込まれた光学、赤外線(IR)またはラマン分光法によって検出される。既存の分光法は、良好な観測限界と相変化の明確な検出を提供しますが、バルク塩サンプルのモニタリングや、相転移の中間段階を通じたブライン形成プロセスの継続的なモニタリングには適していません。さらに、「ラマン顕微鏡」などのレーザーベースの顕微鏡デバイスは高価であり、複雑な実験セットアップが必要になる場合があります。

測定技術として導電性を使用します。塩が潮解を受ける相対湿度を決定するための測定は、導出された値が標準的な湿度計²⁶を使用して決定された値とよく一致していた電気伝導率を使用して行われてきた。潮解性塩の塩水形成プロセスの時系列は、Heinzらによって以前に電気伝導率を使用して研究されてきました.²⁷。ここでは、JSC Mars-1a類似石と過塩素酸塩または塩化物の混合物を使用しました。電気伝導性技術は、土壌中の液体または凍結水を検出するためにも使用されてきました^28,29。この方法の利点は、2つの電極間のスペースに含まれている限り、小型サンプルと中型サンプルの両方に適用できることです。

このプロトコルは、真空中の温度と相対湿度を制御したり、火星などの地球外大気をシミュレートしたりする同様の実験を設計するのに役立つ可能性があります。

図1:実験セットアップの構築。 電極、測定回路、Arduinoなどの主要部品で構成される簡単な電気伝導率測定セットアップを示すブロック図。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ブラインの電気伝導率は、 図1に示すように、簡単で安価なセットアップで測定できます。セットアップを構築するための特定の製品は、 材料の表に示されています。セットアップは主に、研究用の塩または塩混合物が収容される既知の距離で区切られた同じ寸法の金属電極のペアで構成されています。PT1000抵抗温度検出器を使用して、塩の温度を測定できます。電極の平坦な端の1つは、シールド付き同軸ケーブルの各端子にはんだ付けできます。同様に、センサの2つの端子は、別のシールド付き同軸ケーブルにはんだ付けできます。これらの各同軸ケーブルのもう一方の端を回路に接続して、それぞれ電気伝導率と温度を測定できます。Arduinoボードとシンプルなシリアルデータモニタを使用して、データを取得して保存できます。

この実験の文脈では、2022年に火星に飛行するフライトモデル(FM)の最も近いレプリカであるHABIT/ExoMars 2022機器のエンジニアリング認定モデル(EQM)を使用します。HABIT は 習慣性: 塩水、照射、温度 を表します。これは、ExoMars 2022 Surface Platform Kazachok に搭載されている2つのヨーロッパのペイロードの1つであり、火星の着陸地点であるOxia planumの居住条件を研究することを目的としています。BOTTLE(Briine Observation Transition To Liquid Experiment)は、火星³¹号の液体水の安定性を実証することを目的としたHABIT装置のコンポーネントの1つです。ここで説明するプロトコルは、火星の温度、相対湿度、および二酸化炭素雰囲気³¹の条件下での塩水形成の関数として電気伝導率測定を較正するのに役立ちます。これは、火星での液体ブライン形成プロセスの検出を支援するBOTTLEの較正された電気伝導率測定値を取得するために適用されます。これは、その主要なミッション目標^{の1つです18}。キャリブレーションとは、ここでは実験レベルのキャリブレーションを指します。機器レベルの較正は、各電極ペアの幾何学的セル定数を決定し、既知の電気伝導率の較正標準^{を用いて行われる31}。

1. 電気伝導率測定のための実験装置の構築

1. 電極の寸法と電極ペア間の距離を選択します。電極の寸法は、サンプル容器の寸法、したがって使用される塩の量によって異なります。下記のHABIT BOTTLE容器の寸法は、サンプル容器の参考とすることができ、塩の量はステップ2.1から参照することができます。幾何学的セル定数は、式 (1) から導くことができます。
   (1)
   ここで、d - 電極ペア間の距離、および
   A - 電極の面積(=長さ×幅)。
   幾何学的セル定数Kは、測定セットアップが敏感な電気伝導率範囲を決定します。例えば、K = 1 ^cm-1は5 - 200, 000 μScm-1の範囲で測定でき、K = 10 ^cm-1は10 μScm-1 - 1 ^Scm-1の範囲で測定できます。電極ペアにはさまざまなレベルがあります。材料の選択は、銅、プラチナ、金などから選択できます。スウェーデンのOmnisys Instrument AB社で金電極と白金電極を使用し、塩水媒体に直流(DC)を流すいくつかの長期実験では、この操作には耐食性に優れているという点で金電極が好ましいことが示されています。
   注:HABITには合計16の電極ペアがあり、25 mm x 15 mm x 15 mm(L x W x H)の寸法の容器内で分離された3つのレベル(2つのコーナーセルは低電極と中電極ペアでのみ測定)で6つの異なる塩を研究する可能性があります。BOTTLEは、低:1.6 x 0.4、中:1.6 x 0.2、高:1.6 x 0.2、2.5 cmで分離された3つのレベルの電極ペアを使用し、3,9062 ^cm-1と7.8125 ^cm-1のセル定数を生成します。測定は、光学測定システム(例:ミツトヨMF176)を使用して行いました。
2. 図1に示すように、調査する塩を保持するための平らな表面の容器を準備します。容器のサイズは、電極の幾何学的寸法と、塩が収容される電極ペア間の距離に応じて選択できます。複数のコンテナ構成を適応させることができます。容器はPLAで3Dプリントするか、できればアルミニウムまたは他の金属でフライス加工することができますが、壁からの蒸気や液体の漏れによる水の損失から保護する必要があります。
3. エポキシ樹脂コーティングを準備し、容器の壁に塗布します。コーティングされた容器を66°Cで2時間硬化させるまで、1時間放置します。
   注:エポキシコーティングは、最良の結果を得るために溶剤に溶解してスプレーすることができます。
4. 電極ペアを容器の反対側の壁に収納し、すでに塗布されているエポキシ2216樹脂で接着します。
5. 長いシールド付き同軸ケーブルを使用し、片側の端を各電極の接点にペアではんだ付けします。
6. シールド付き同軸ケーブルのもう一方の端を、電気伝導率測定回路の2つの端子に接続します。
   注:単純な導電率測定回路は、一方の端子をAC電圧源に接続して指定された周波数で電気パルスを生成し、もう一方の端子を分圧器回路にして電極ペア全体の電圧降下を読み取るように構築できます。Arduinoのデジタル出力ピンは、パルス幅変調(PWM)モードで使用して、必要なAC電圧を生成できます。AC電圧は、電極の腐食を防ぐために使用されます。電極ペアの両端の電圧降下は、内蔵の10ビットA/Dコンバータ(ADC)を搭載したArduinoのアナログ入力ピンでも測定できます。他の商用回路も利用可能です。
7. 同様に、サーマルペーストを使用して、PT1000抵抗温度検出器(RTD)をコンテナの壁の1つに接着します。
8. 別の長いシールド同軸ケーブルを使用して、一方の側をPT1000センサーの2つの端子に接続し、もう一方の側を温度測定回路に接続します。
   注:単純な温度測定回路は、一方の端子をDC電圧源に、もう一方の端子を分圧回路にして、PT1000センサーの電圧降下を読み取ることができます。これは、内蔵の10ビットアナログ-デジタルコンバータ(ADC)を備えたArduinoのアナログ入力ピンで測定できます。他の商用回路も利用可能です。
   1. 実験セットアップ用にHABIT装置を準備するには、BOTTLEコンポーネントとエレクトロニクスユニット(EU)間のケーブル接続を分離します。次に、BOTTLEの8x M3ボルトを緩めて、上蓋とHEPAフィルターホルダーを取り外し、6つのオープンセルを露出させます。研究のために塩を供給する前に、できれば電極洗浄液と滅菌綿棒を使用して、粒子や液体がないように、ボトルの細胞と電極を洗浄します。
   2. 塩を投入する前に、既知の電気伝導率値を持つ一連の校正標準を使用して、セットアップの電気伝導率測定の校正を行い、各電極ペアの校正機能係数を決定します。BOTTLEを熱真空チャンバー内の真空条件にさらし、システムの絶対零度の電気伝導率として25°Cに維持した場合の0.0364μScm-1(ゼロ点または乾燥点として)の電気伝導率測定を使用します。さらに、84 ^μScm-1 と 1413 μScm-1 の 2 つのキャリブレーション標準を使用して、式 (2) に示すように 2 点キャリブレーション関数を導き出します。
      (2)
      ここで、_{σ calibrated} - 校正された実際の電気伝導率、
      _測定σ - 生で測定された電気伝導率、および
      a_{2,a 1,a 0} - 多項式定数
   3. セットアップで測定した未加工の電気伝導率を導出されたキャリブレーション機能に適合させることで、真の電気伝導率測定を実現します。
      注:初期キャリブレーションは、システムの温度を25°Cに維持しながら行われます。 ただし、実験中に温度が変化すると、電気伝導率の値が変化します。異なる温度での温度と電気伝導率の関数を導き出すのは複雑になるため、温度データはブラインの位相状態を決定するためだけに使用します。Nazarious et ^al.31 は、この側面について詳細に議論しています。

2. 潮解性塩サンプルの操作

1. 研究で考慮される特定の量の塩またはサンプルを計量します。塩化カルシウムCaCl₂、硫酸第二鉄Fe₂(SO₄)₃、過塩素酸マグネシウムMg(ClO₄)₂、過塩素酸ナトリウムNaClO₄の4つの異なる塩の4つの異なる塩をそれぞれ1.5 gずつ計量しました。
   注意:一部の塩、特に過塩素酸塩は腐食性であるため、皮膚や目との接触を避ける必要があります。
   1. 塩を取り扱うときは、適切な化学服、ゴーグル、ニトリル手袋を使用してください。万一、皮膚や目に入った場合は、すぐに多量の水で洗い流し、医師に相談してください。
      注:塩に加えて、4つの容器のそれぞれにアルギン酸のナトリウム塩(超吸収性ポリマー、SAP)0.75 gを加え、十分に混合して均一な塩とSAPの混合物を得ました。毛細管現象によりブラインが上昇し、フライトモデル装置から流出するブラインを避けるための安全対策として、固化剤としてSAPを使用しました。塩は大気環境から気体水を吸収しますが、SAPは液体状態、つまり接触すると塩の液体塩水から水を吸収します。SAPの追加は、純粋に地球の条件(2022年のExoMarsの打ち上げ前)で塩を保存するための工学的な制限によるものであり、実験自体にとってあまり意味がありません。したがって、電気伝導率の測定は、予想される塩+SAP+水の混合物からの結果です。この実験の目的はシステム全体の水の吸収を監視することであるため、塩+SAPの乾燥状態から水和状態への電気伝導率の変化は、解釈に関連していると考えられる。キャリブレーション手順は、同じ塩+SAPの組み合わせに対しても実行されました。
   2. HABIT/ExoMars機器のBOTTLEコンポーネントのフライトモデルに使用されたのと同じ塩とSAPの混合物と重量を使用します。

3. 実験装置で塩サンプルを供給する

1. ステップ2で以前に計量した塩分全体を実験容器に慎重に移します。
   注:以前に秤量した塩 - SAP混合物は、次の順序でボトルの4つのセルに慎重に移されました:セル-2:塩化カルシウムCaCl₂、セル-3:硫酸第二鉄Fe₂(SO₄)₃、セル-4:過塩素酸マグネシウムMg(ClO₄)₄、セル-5:過塩素酸ナトリウムNaClO₄。セル 1 とセル 6 は空のままでした。
   1. BOTTLEのフライトモデルでも同じ順序に従うため、この構成と実験は、火星での動作の較正と解釈を対象としています。
2. 塩が電極を覆うように塩の上面を平らにします。この基準を達成するための塩の量を選択します。
   注:BOTTLEの各塩-SAP混合物の重量は合計2.25 gで、各セルの低電極を覆っていました。この量は、形成された塩水があふれないように選択されました。
3. HEPAフィルターを使用して、コンテナの上部を覆います。これにより、シミュレートされた環境の周囲相対湿度と塩との相互作用が可能になります。
   注:ホルダーフレーム付きのナイロンベースのHEPAフィルターを使用して、BOTTLEの塩とSAPの混合物を覆い、BOTTLEの上蓋を8x M3ボルトで固定しました。

4. シミュレーションチャンバーへの実験装置の設置

1. 実験容器をシミュレーション^{チャンバー32}に入れる。チャンバーの作業テーブルと容器との間の良好な熱接触を確認してください。
2. 導電率と温度測定回路をチャンバーの外側に配置します。これにより、測定を損なう可能性のある回路内の温度誘導ノイズを回避できます。
3. シミュレーションチャンバーの中間コネクタを介して、測定回路とコンテナ間の電源とデータを接続します。
   注:BOTTLEは、EUの2xDB-9コネクタとチャンバーの内部DB-25コネクタに専用のスプリットケーブルを使用しています。スプリットケーブルは、この目的のために特別にカスタマイズされた電源およびデータ接続ケーブルです。チャンバーのDB-25コネクタの外側から、電源接続用の別の分割ケーブルをDC電源に接続し、2x USBデータ接続をHABIT EQM LabViewソフトウェアがインストールされたラップトップに接続しました。

5. シミュレーションチャンバーの制御

図2:シミュレーションチャンバー32の制御。 火星シミュレーションチャンバーと、温度、相対湿度、二酸化炭素圧力を制御するためのさまざまなシステムの表現。電源とデータ接続のコンセントも表示されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1. 作業台の温度を20°Cから-30°Cに維持
   注:作業台の温度は、図2に示すプロトコルに従って、液体窒素(_{LN 2})フィードスルーシステムを使用して調整されます。最初に、チャンバーは実験室の周囲温度に維持されます。
   1. LN₂の流れのためにバルブを開きます。温度が下がり始めます。
   2. フィードバックコントローラーで希望の温度を設定します。作業テーブルに取り付けられたPT100温度センサーは、フィードバックループとして機能します。
   3. 希望の温度に達したら、バルブを閉じて_LN2の流れを閉じます。
2. 二酸化炭素圧力の維持
   1. チャンバー内の圧力が真空を読み取るまで、真空ポンプをオンにします。
   2. チャンバーが真空になったら、真空ポンプをオフにし、チャンバーに_CO2ガスを注入して、7〜8 mbarの圧力に達するまで注入します。
3. 相対湿度の維持
   1. チャンバーに取り付けられたステンレス製のSwagelokシリンジを使用して、0.5 mL刻みで水を注入します。これにより、相対湿度が徐々に上昇します。
      注意: シリンジはボールバルブに接続されているため、シリンジを使用して水を複数回注入できます。
   2. 圧力が制限内にあることを確認してください。それ以外の場合は、バルブを調整して圧力を解放します。

6. 電気伝導率 vs 相対湿度の実験

図3:電気伝導率と相対湿度の実験。 相対湿度の関数としての電気伝導率の関係を導出するためのキャリブレーション実験を実施するための実験プロトコルのステップ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1. ロータリー真空ポンプをONにして、チャンバー内の空気をすべて洗い流します。チャンバー内の圧力は^10-3 mbarのオーダーに低下します。
   注意: 相対湿度はゼロに近くなります。チャンバーの作業台の周囲温度は約20°Cです。 圧力が下がると、電気伝導率とBOTTLE温度(潮解は発熱反応)が増加する可能性があります。
2. ガスボンベから二酸化炭素雰囲気を慎重に注入して、圧力を7〜8 mbarに保ちます。
3. コンテナの温度を測定するPT1000が20°Cを記録するように、作業台の温度を特定の値に設定します。
4. 20°Cで約5分間待って平衡状態になり、手順7に続いてデータ集録を開始します。
5. シリンジシステムを使用してチャンバー内にゆっくりと水を注入し、相対湿度を10%に保ち、5分間待って平衡状態になります。相対湿度を上げると圧力が上昇する場合は、回転式真空ポンプバルブを調整して余分な雰囲気を取り除いてください。
6. ゆっくりとすると、相対湿度が20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%に増加します。すべての相対湿度値で、約5分間維持して平衡状態を達成し、ステップ7に従ってデータ取得を開始します。
   注:これで、 図3に示すプロトコルに従って、1セットのキャリブレーション実験が終了します。
7. 塩のサンプルは、今では塩水を形成している可能性があります。塩のサンプルを容器から捨てます。
8. 手順 8 に続く次の実験のために、塩のサンプルを更新します。
9. 同様に、作業台の温度を下げて、コンテナの温度を15°C、10°C、5°C、0°C、-5°C、-10°C、-15°C、-20°C、-25°C、および-30°Cに維持します。 各停留所で、手順6.5から6.8を繰り返して、塩サンプルの電気伝導率を測定します。
   注意: 安全機能として、-33°C未満では、ボトルヒーターが作動して-30°Cから-33°Cの間の温度を維持します。 そのため、-30°Cまで実験を行いました。 しかし、より低い温度を選ぶこともできます。
10. -30°Cの最も低い温度から周囲温度まで上昇するには、実験をシャットダウンし、真空を解放し、チャンバーの正面ドアを開けて、実験室の周囲空気が混合し、容器の温度を自然に上昇させることができます。追加のデータについては、チャンバー内の温度が自然に上昇するのを待つことを選択できます。ただし、非常に遅いプロセスであり、7〜10時間の注文が必要になる場合があります。

7. データのログ記録と保存

1. Arduinoの内蔵シリアルモニターまたはサードパーティのシリアルモニターソフトウェア(例:m Teraterm、Realtermなど)を使用してください。
2. Arduinoを、1 Hzの周波数で測定回路から1時間連続して読み取り、その後1時間ごとに最初の5分間読み取るように構成します。これは、ステップ 9 で説明したマリアンの昼夜シミュレーションに適用できる場合があります。
3. DC電源電圧は、測定回路の指定どおりに設定します。
   注意: HABITの電源ケーブルは28 VのDC電源に接続され、2xUSBデータ接続はHABIT EQM LabViewソフトウェアがインストールされたラップトップに接続されています。このソフトウェアはWindows10のみをサポートしています。
4. データ接続用のシリアルCOMポートを入力し、Arduinoプログラムを実行します。
   メモ: 正しいCOMポートを特定するには、 デバイスマネージャ を参照してください。
5. 最初の100秒間はデータを集録し、シリアルモニタを閉じてデータ集録を停止します。Arduinoシリアルモニターウィンドウからデータをコピーすることを忘れないでください。
6. テキスト エディターを開き、コピーしたデータを貼り付けて .txt または .csv データ ファイル形式で保存すると、MATLAB または Python を使用した後処理が容易になります。
   注意: サードパーティのソフトウェアには自動保存機能がある場合があります。
7. 実験の説明と一致するように、データ ファイルに名前を付けます。
8. 次のデータ集録では、まずDC電源をオフにしてからオンにして実験セットアップの電源を入れ直し、手順7.3から7.7を繰り返します。
   1. HABIT EQM LabViewソフトウェアの場合: メイン タブで、2つのCOMポートCOM ポート1と COMポート2を入力します。これらは、それぞれがUSBデータ接続の1つに対応しています。 Connect をクリックし、次に Start をクリックして、1 Hzの周波数でデータ集録を行い、最初の100秒間のデータを記録します。
   2. 集録したデータを表示するには、[デバッグ]タブをクリックし、[リアルタイムデータビューで開く]をクリックします。これにより、新しいウィンドウが開き、それぞれがHABIT機器の異なる測定値に対応する複数のタブが表示されます。この実験では、「Cell 2」、「Cell 3」、「Cell 4」、「Cell 5」、「EU Temperature」、「CU Temperature」の各タブに注目します。データは、ラップトップの「C:\LABVIEW\Data」フォルダにHEX形式で「Log.txt」として保存されます。ソフトウェアを再実行すると、「Log.txt」ファイル内の既存のデータが置き換えられます。

8. 塩のサンプルを更新する

注:この手順に従って、新しい実験ごとに乾燥塩サンプルを導入します。

1. 実験を停止し、ケーブルを慎重に外し、実験コンテナをシミュレーションチャンバーから降ろします。
2. HEPAフィルターと塩を慎重に取り出しますamp容器からampそれらを別々のバイオハザード密封バッグに入れます。
   注意: 過塩素酸塩やその他の塩は、流水のある流し台や一般廃棄物処理で安全に廃棄することはできません。バイオハザードで密封された袋に梱包し、化学廃棄物処理基準に従って廃棄するように注意する必要があります。レゴリスサンプルやポリマーなどの他のサンプルが研究されている場合、廃棄物はそれらの製品の安全データシート(SDS)で推奨されているように処理できます。
3. 次の実験のために、容器をそっと清掃し、リセットします。
4. 手順2から4に従って、塩サンプルを容器に充填し、シミュレーションチャンバー内に戻します。

9. 火星の昼夜サイクルのシミュレーション

図4:火星の昼夜サイクルのシミュレーション。 火星ソルシミュレーションを実行するための実験プロトコルの手順。火星の昼夜シミュレーションでは、相対湿度が最初に80%以上に設定され、温度が下がる(昼夜の移行)ため、ステップ6と7は図3から切り替えられていることに注意してください。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1. 手順2から4に従って、実証実験をセットアップします。
2. ステップ 7 に従って実験のデータロギングを設定し、1 時間ごとに 1 Hz の周波数で、データの最初の 1 時間と最初の 5 分間の連続データを取得します。
   注:HABITは、この種のスケジュールを使用して、適切な周波数で監視し、電極が交流に過度にさらされるのを防ぎます。
3. 火星のオクシア平原の環境条件をチャンバー内でシミュレーション
   注: 図4に示すように、このデモンストレーションには、スウェーデンのルレオ工科大学の施設であるSpaceQ Marsシミュレーションチャンバーを使用しました。
   注:オクシア平原は、火星でのエクソマーズ2022の着陸予定地です。
   1. ロータリー真空ポンプをONにして、チャンバー内の空気をすべて洗い流します。内部の圧力は^10-3 mbarのオーダーに減少します。
      注意: 相対湿度はゼロに近くなります。チャンバーの作業台の周囲温度は約20°Cです。 圧力が下がると、電気伝導率と容器の温度が上昇する可能性があります(潮解は発熱反応です)。
   2. ガスボンベから二酸化炭素雰囲気を慎重に注入して、圧力を7〜8 mbarに保ちます。
   3. Swagelokシリンジを使用してチャンバー内に水をゆっくりと注入し、相対湿度を徐々に上げます。圧力が必要な制限を超えて上昇した場合は、余分な雰囲気を取り除くために回転式真空ポンプバルブを調整するように注意してください。
   4. 約7〜8mbarの二酸化炭素大気圧を約80%の相対湿度に維持します。
   5. LN₂ フィードスルーシステム値をゆっくりと開いて作業テーブルの温度を下げ、火星の昼夜の遷移をシミュレートします。作業テーブルの温度と容器の温度に起こりうる違いを観察します。
      注:温度低下速度は、LN₂ の流量を調整することで制御できます。
   6. コンテナの温度が-30°C(作業テーブル温度-70°C)を示すまで温度を下げてから、_LN2 フローを遮断します。
      注意: 安全機能として、-33°C未満では、BOTTLEヒーターが作動して-30°Cから-33°Cの間の温度を維持します。 そのため、-30°Cまで実験を行いました。 しかし、より低い温度を選ぶこともできます。
   7. 作業テーブルとコンテナは、実験室の周囲温度までゆっくりと温まります(夜間から昼への移行)。相対湿度も上昇する可能性が高く、圧力も上昇します。回転式真空ポンプバルブを操作して、余分な圧力を取り除くことを忘れないでください。
      注:ここでは、相対湿度とは、空気中の水蒸気の量を相関させることを意味します。相対湿度センサは空気を測定しているので、水分含有量が高いほど相対湿度が高いと言うのが妥当です。最初に、作業テーブルが-30°Cに凍結すると、水蒸気が凝縮してテーブル上で凍結し、温度が上昇すると、この凝縮した水は火星の圧力で蒸発し、相対湿度センサーによって空気中の水分として感知されます。したがって、周囲の空気の相対湿度の変化は、水の状態の変化と、温度が上昇すると作業テーブルから蒸気として空気に霜が放出されるためです。
   8. 容器の温度が20°C(作業台の温度と同様)に達したら、実験をシャットダウンし、真空を解除し、チャンバーの正面ドアを開けて実験装置を取り外してください。

HABITで取得したデータはHEX形式であり、ASCII形式に変換されてから解析されます。キャリブレーション実験により、火星のさまざまな温度および相対湿度条件における4つの異なる塩-SAP混合物の水和物形態に対応する電気伝導率値との間に関係が確立されました。25°Cでの関係は、空気については図5A、4つの異なる塩とSAP混合物、塩化カルシウムCaCl_2-SAP、硫酸第二鉄Fe₂(SO₄)_3-SAP、過塩素酸マグネシウムMg(ClO₄)_2-SAP、および過塩素酸ナトリウム_NaClO4については図5B-5Eに示されています- それぞれ SAP。私たちは、i)温度の関数としての電気伝導率測定の変動性、およびii)相対湿度の関数としての空気と塩-SAP混合物の電気伝導率の範囲を観察し、カタログ化しました。この情報は、火星でのBOTTLE操作による塩とSAP混合物の水和レベルを解釈する上で極めて重要であり、取得された電気伝導率、温度、相対湿度の条件を考慮します。

図5Aでは、空気の電気伝導率と相対湿度の直接的な相関関係が観察されました。0.5mL刻みで水を注入してチャンバー内の相対湿度を上げると、火星の状態で起こるように、空気の相対湿度が上昇しました。電気伝導率は大幅に増加しました。下部の電極は、冷蔵テーブルに近いため、おそらく低温であり、これによりRHが高くなり、ECが高くなります。この実験では、火星の圧力での温度と相対湿度の与えられた組み合わせについて、相対湿度59%で空気の最大電気伝導率(温度補償されていない)も記録しました。図5B-5Eは、4つの塩とSAPの混合物すべてが異なる程度に水を捕捉したことを示しています。塩化カルシウムと過塩素酸ナトリウムではRH=0%から電気伝導率の漸進的な増加が観察され、硫酸第二鉄と過塩素酸マグネシウムではRH=40-50%前後の増加が観察されました。すべての塩とSAPの混合物は、チャンバー内で達成した最大値の85%が最大値でした。

図5:25°Cでの相対湿度(1%〜85%)の関数としての電気伝導率。(A)空気、(B)塩化カルシウム、(C)硫酸第二鉄、(D)過塩素酸マグネシウム、(E)過塩素酸ナトリウムの電気伝導率は、基数10の対数スケールで示されています。電子ユニット(EU)は平均温度25.27°C(最小:24.12°C、最大:25.95°C)を記録し、コンテナユニット(CU)は水捕捉の発熱性の結果として19.6°Cから32.91°Cへの温度上昇を記録しました。作業テーブルの平均温度は19.11°C、平均気温は19.16°Cでした。この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

塩の電気伝導率は、さまざまな要因に依存します。実験の最後に、硫酸第二鉄が最も水和が少ないことに気づきました( 図7を参照)と、空気よりも電気伝導率が低いことを示しています。電極間の電気伝導率は、塩+SAP混合物との接触領域にも敏感です。SAPを含む粒状材料の一部は、保湿された空気よりも優れたアイソレーターである可能性があります。空の容器内の空気は、自由に動く十分な水分含有量を持っていたため、大きな電気伝導率を示すのに十分な水の吸収がなかった硫酸第二鉄よりも電気伝導率が高かった( 図5Aを参照)( 図5Cを参照)。また、実験の最後に空の容器に水滴が見られ、 図5Aに示すように、電極間の空気がある時点で飽和して霧の形成を許容し、その一部が側面で結露していることを示しました。電極の導電率が低いということは、下部電極と接触している塩粒子が完全に凍結している(チャンバーの作業テーブルに直接接触しているため、機器の底部が最も冷たくなっている)ため、電気伝導率が示されていないことを意味する可能性があります。

2021年初頭の火星着陸成功に続くHABIT運用の実証実験として、ExoMars 2022ミッションの着陸予定地であるOxia Planumの環境条件の1つのソルをシミュレートしました。得られた結果は、火星でのBOTTLE操作の昼夜サイクルを模倣し、関連する条件での直接のデータを提供します。図6は、火星の昼夜サイクルのシミュレーション中に、すべての塩とSAPの混合物で潮解が観察されたことを示しています。図6C-6 Fは、4つの異なる塩-SAP混合物、塩化カルシウムCaCl_2-SAP、硫酸第二鉄Fe₂(SO₄)_3-SAP、過塩素酸マグネシウムMg(ClO₄)_2-SAP、および過塩素酸ナトリウムNaClO_4-SAPの4つの異なる電気伝導率値を示しています。

図6:火星ソルシミュレーションの較正された電気伝導率測定(A)圧力と相対湿度、(B)地表と気温、(C)塩化カルシウム、(D)硫酸第二鉄、(E)過塩素酸マグネシウム、(F)過塩素酸ナトリウム電気伝導率(ベース10の対数スケール)、および(G)エレクトロニクスユニット(EU)とコンテナユニット(CU)またはボトルの温度が示されています。丸で囲まれた数字の垂直線は、シミュレーションのさまざまなフェーズを示します。0-1:空気を汲み出して真空を達成し、二酸化炭素注入して一定温度で7〜8 mbarの圧力を維持する、1-2:水注入で相対湿度を一定温度で増加させる、2-3:作業テーブルの冷却ONにして温度を下げる(昼夜の移行)、相対湿度の低下を伴い、3-4:作業テーブルの冷却OFFして温度を上げる(夜間-昼の移行)、 相対湿度の上昇を伴います。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

電気伝導率の最初の上昇は、相対湿度が高いままで急激な圧力低下を引き起こし、水の捕捉プロセスを促進し、混合物中の残りの水のガス放出に起因している可能性があります。これは、塩による水捕捉プロセスの発熱性とも一致していました。エレクトロニクスユニット(EU)とBOTTLEの温度上昇は、急速な減圧(一定体積下)と塩水相互作用の発熱挙動の組み合わせである可能性があります。13:00頃に観測された圧力の低下は、作業テーブルの最低温度に達したことに関連している可能性があり、これはRHのわずかな上昇とも一致しています。気温が低いと、作業テーブルは水滴を凍らせる水流台として機能し、空気の相対湿度が低くなりました。火星の昼夜の移行のこの段階では、電気伝導率曲線にあまり大きな兆候が見られませんでした。しかし、夜間から昼への移行中に温度が上昇し、相対湿度も上昇すると、実験の後半での電気伝導率の増加が示すように、塩とSAPの混合物は着実に水を捕捉し始め、BOTTLE温度の急激な上昇にも反映されました。最終的な電気伝導率の値は、図 7 に示すように、4 つの塩と SAP 混合物のそれぞれによる水の捕捉範囲を示しています。すべての塩-SAP混合物は水を捕捉し、特に塩化カルシウム-塩化カルシウム塩-SAP混合物は液体の塩水を生成しました。CaCl₂ブラインの最大導電率値である「100μScm-1」は、文献³¹と一致しています。

図7:塩とSAPの混合物の画像。 (A)火星ソルシミュレーション前と(B)後。左から右へ:初期条件は、塩化カルシウム、硫酸第二鉄、過塩素酸マグネシウム、過塩素酸ナトリウムの各1.5g、各塩に0.75gのSAPを添加。左隅の塩化カルシウムは液体の塩水を生成し、関連する電気伝導率値 ̴100 μScm-1 も示しました。他のすべての塩とSAPの混合物も、画像で濡れているように見えるかなりの量の水をキャプチャしました。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これは、真空または火星の圧力条件でのブライン形成プロセスの電気伝導性を特徴付ける最初の試みです。この実験の重要な要素は、火星のシミュレーションチャンバーで火星の昼夜サイクルをシミュレートし、塩を研究することです。塩の潮解の結果は代表的な結果として示されていますが、火星の環境をシミュレートするために必要な条件を達成することに重点が置かれています。この最初の実験により、原稿のディスカッションセクションで述べられているチャンバーのプロセスと制限が理解できるようになりました。今後の実験では、火星でのプロセスに関連するさまざまな科学実験について、このプロトコルに従います。以前の研究では、実験室の周囲圧力^27,28,29で電気伝導率測定が行われました。より低い圧力での測定は課題を提起するため、地球の圧力条件に使用されるプロトコルの変更が必要でした。大気圧下の気候室での以前の較正キャンペーンでは、実験の各セットに先立って、定義された量の塩と水を加えることによって異なるハイドレートを調製し、異なる火星の温度での電気伝導率と塩ハイドレートの形成との関係を導き出した³¹。しかし、火星の圧力では、ハイドレートを形成するために追加された水は、圧力を下げると最終的にガスを放出するため、すべての実験を乾燥した塩とSAPの混合物で開始し、相対湿度を調整してさまざまなハイドレートの形態に移行しました。

ラマン分光法を用いて塩水形成過程をモニタリングする過去の研究では、一般的には環境セル内の塩粒子の個々の顆粒を用いて、ラマンスペクトル^1,9,18のO-H伸張領域における相転移を観察するものであった。ブライン形成プロセスの電気伝導特性評価は、既存のラマン分光法よりも中間相転移に対してより敏感であると考えられ、ブライン形成プロセスの連続的な時系列を提供した²⁷。また、この実験から、バルク塩サンプルの実行可能な測定オプションとして、電気伝導性を高い精度で実証しました。

HABIT装置の電気伝導率測定システムの設計中、私たちは解決すべき課題を抱えていました。電極材料の選択は、耐腐食性と表面の滑らかさに基づいて行われ、電気伝導率測定での散発的なグリッチを回避しました。吸湿性塩は、毛細管現象によって容器の壁に沿って上昇することがあるため、疎水性コーティングの選択が不可欠です。エポキシ樹脂組成物をベースにしたコーティングを使用し、ブラインの毛細管上昇を防止しました。また、電気パルスの電圧、その周波数、電流検出基準抵抗などの電気的特性も設計にとって重要でした。BOTTLEは、低コンダクタンスモードと高コンダクタンスモードに±70mVおよび±700Vの電気パルスで±2.048Vのバイアス電圧を使用します。1kHzの電気パルスは、金電極を通過し、塩サンプルを経由して研究し、反対側の金電極で、それぞれ低コンダクタンスモードと高コンダクタンスモード用の10kΩと100Ωの基準抵抗で読み出されます。

電気伝導率を相対湿度の関数として特徴付ける各実験には、一定で安定した温度が必要であったため、プロトコルは火星シミュレーションチャンバーの温度安定性限界内に収まるように設計されています。作業テーブルの温度(チャンバーのLN₂フィードスルーシステムによって調整される)とBOTTLEの温度には、熱絶縁による観察可能な違いがあります。これは、作業台の温度がBOTTLEの温度と常に同じであるとは限らず、最適な実験条件のためにはその差を考慮しなければならないことを意味します。

火星シミュレーションチャンバーでの将来の実験には、空気の電気伝導率とさまざまな温度での相対湿度との関係を導き出すことが含まれます。火星の太陽のシミュレーションでは、空気の相対湿度とその電気伝導率との間に相関関係がある可能性が観測されました。これは、BOTTLEの両端にある2つの空のセルを校正し、塩とSAP混合物の校正に組み込んで、その水和レベルをより正確に解釈する場合に関連します。この実験を実施するために、空の実験容器を塩サンプルなしで同じ実験プロトコルに従って適合させることができます。

記載されている実験プロトコルは、ブライン形成プロセスをモニタリングするためのよりシンプルで容易に適応可能な代替方法を提供し、これは大気中の水分と相互作用する可能性のある他のサンプルにも適用できます。これは、海塩混合物によって形成される塩水の物理的および化学的特性を理解するための研究を補完するものであり、塩水が核燃料および核廃棄物を貯蔵するために一般的に使用されるキャニスター表面と反応する可能性のある条件を定義するために適用できます^33,34。さまざまな材料のブラインの腐食性は、プロトコルを適応させることにより、さまざまな環境条件下で研究できます。このプロトコルを適用して、HABIT装置に搭載して火星に運ぶ塩とSAPの4つの混合物の潮解特性を研究しました。しかし、塩または任意の形態の塩混合物の吸湿性特性、例えば、煙粒子は、それらの雲核電位について分析することができる²⁴。この実験プロトコルは、火星や実験室内の他の場所でのさまざまな大気表面関連現象をシミュレートするためにも適用できます。

著者は何も開示していません。

実験に使用されたHABITエンジニアリング認定モデル(EQM)は、HABITプロジェクト開発の一環として、スウェーデンのOmnisys社がMPZとJMTの監督の下、スウェーデン国立宇宙庁(SNSA)の資金提供を受けて製造しました。HABITとBOTTLEは、MPZとJMTのオリジナルアイデアです。SpaceQ Marsシミュレーションチャンバーは、スウェーデンのルレオにあるルレオ工科大学の施設です。ケンペ財団は、SpaceQチャンバーの設計と製造に資金を提供しました。SpaceQチャンバーは、MPZの監督の下、英国のKurt J. Lesker Companyによって製造されました。MPZは、スペイン国立研究機関(AEI)プロジェクトNo.によって部分的に資金提供されています。MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) およびスペイン科学イノベーション省 (PID2019-104205GB-C21)。AVRとJMTは、Wallenberg Foundationからの支援を認めています。