화성 조건에서 염수 형성을 연구하기 위한 전기 전도도 측정

이 프로토콜의 목적은 염의 수화와 염수 형성 과정을 모니터링하는 것입니다. 전기 전도도는 측정 기술로 사용됩니다. 실험은 온도, 상대 습도 및 이산화탄소 대기의 시뮬레이션된 화성 환경에서 수행됩니다.

이 논문은 화성 조건에서 염수 형성을 연구하고 전기 전도도 측정으로 프로세스를 모니터링하기 위한 실험을 설계하는 프로토콜에 대해 설명합니다. 실험 설정을 위해 Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022 기기의 EQM(Engineering Qualification Model)을 사용했지만, 간단하고 저렴한 전기 전도도 측정 설정을 구성하는 방법에 대한 간략한 설명을 제공합니다. 이 프로토콜은 시뮬레이션된 화성 환경에서 염수로 염수 조해의 전기 전도도 측정을 보정하는 역할을 합니다. 이산화탄소 대기에 따른 화성의 온도(-70 °C - 20 °C), 상대 습도(0% - 100%) 및 압력(7 - 8 mbar)의 조건은 스웨덴 Luleå University of Technology의 시설인 SpaceQ Mars 시뮬레이션 챔버에서 시뮬레이션되었습니다. 한 쌍의 전극 사이에 수용되는 알려진 양의 염의 수화물 형태와 그에 따라 측정되는 전기 전도도는 주로 수분 함량과 시스템의 온도 및 상대 습도에 따라 달라집니다. 전기 전도도 측정은 1Hz에서 수행되었으며 서로 다른 화성 온도에서 지속적으로 증가하는 상대 습도(다양한 수화물을 통한 강제 전이를 위해)에 염을 노출시켰습니다. 시연을 위해 화성의 옥시아 플라넘(Oxia Planum, ExoMars 2022 미션의 착륙 지점)의 낮과 밤 주기를 재현했습니다.

행성 탐사의 주요 연구 주제 중 하나는 물의 순환이지만, 대기와 지상의 상호 작용을 모니터링 할 수있는 일반적이고 강력하며 확장 가능한 절차를 설계하는 것은 어렵습니다. 실험실 시뮬레이션은 행성의 대기, 표면 및 그 안의 상호 작용을 재현할 수 있습니다. 그러나 필요한 장비를 조달하는 것부터 인력을 교육하는 것까지 어려움이 따릅니다. 이 논문은 화성의 온도, 상대 습도 및 이산화탄소 대기 조건에서 염수 형성을 연구하기 위한 실험을 설계하고 전기 전도도 측정으로 프로세스를 모니터링하는 프로토콜을 설명합니다. 또한 간단하고 저렴한 전기 전도도 측정 설정을 구성하는 방법에 대한 간략한 설명도 제공합니다. 이 프로토콜은 진공 또는 다른 행성 대기에서 유사한 실험을 설계하는 데 적용될 수 있습니다.

염수 형성 연구의 중요성
흡습성 염은 대기의 수증기를 흡수하여 조해(deliquescence)라고 하는 과정에서 액체 용액을 형성할 수 있습니다. 이 과정은 지구와 화성 표면에서 특정 시간과 장소에 존재할 가능성이 있는 유리한 조건에서 염수를 생성합니다. 백화(efflorescence)라고 하는 역 과정은 염수가 불리한 조건에서 탈수될 때도 가능합니다. 화성의 표면 또는 지하에 염수가 존재한다는 것은 현재의 지구와 화성 연구에 몇 가지 시사점을 준다. 또한 염은 물 분자에 수분을 공급하고 보유 및 방출할 수 있으며, 이는 물 순환과 표토의 특성에도 영향을 미칩니다.

지구와 화성 모두에서 염과 염 혼합물의 조해로 인해 염수 형성에 유리한 온도, 상대 습도 및 압력 조건을 결정하는 것에 대한 국제적 관심이 높아지고 있습니다. 돈 후안 연못(Don Juan Pond, DJP) 유역 근처의 어둡고 가파른 경사면의 수로와 남극 대륙의 맥머도 드라이 밸리(McMurdo Dry Valleys)의 습한 패치 형성에 대한 현장 관찰은 염화칼슘이 풍부한 퇴적물¹의 염수 형성에 기인합니다.

이러한 결과는 -30°C에서 15°C 사이의 저온과 20%에서 40%² 사이의 상대 습도를 시뮬레이션하는 실험실 실험에서도 검증되었습니다. 칠레 아타카마 사막의 초건조 중심부에 있는 Yungay 지역의 염화물을 함유한 증발석은 물을 흡수하고 미생물 생명체를 보유할 수 있습니다³. DJP와 아타카마 사막과 같은 지구에서 가장 건조한 곳에서 일어나는 과정은 현재의 화성 ^{1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13}에서 유사한 과정이 일어날 수 있음을 시사하는 화성의 여러 연구와 유사할 수 있습니다.^,14,15,16. 최근 Salar de Uyuni(볼리비아 Altiplano)의 원격 탐사 관측은¹⁷번 궤도에서 화성에서 관찰된 것과 유사한 과정을 설명했습니다. 가혹한 조건에도 불구하고 조해에 의한 염수 형성 공정은 박테리아 군체가 염 결절 내 깊숙이 번성할 수 있을 만큼 충분한 양의 액체 물을 유지할 수 있습니다³. 이것은 우주 생물학자들과 행성 과학자들의 관심사이다.

화성 표토의 조해성 염에 의한 대기 수분의 일주일 흡수 및 탈착이 보고되었습니다 ^4,5. 화성에 존재하는 과염소산염의 염수 형성 과정은 이미 연구되어 개별 염 입자 ^1,9,18의 위상 또는 수화 상태의 변화를 관찰했습니다. 화성 관련 염 및 염 혼합물이 조해 및 백화를 겪을 상대 습도 값을 결정하기 위해 화성 관련 조건 하에서 다양한 염수 관련 연구가 수행되었습니다 19,20,21. 다른 사람들은 이러한 실험 조건을 사용하여 화성의 온도, 상대 습도 및 이산화탄소 대기에서 염수의 증발 속도를 연구했습니다²².

염수 형성 감지 및 모니터링 방법
염수 형성 과정을 모니터링하기 위한 몇 가지 방법이 있습니다. 가시 파장에서 육안으로 관찰하고 이미지를 보는 것이 가장 간단합니다. 질량 증가를 모니터링하기 위해 염의 무게를 측정하는 것이 잘 사용될 수 있습니다²³. 일반적으로 온도, 상대 습도 및 압력과 같은 환경 매개 변수를 모니터링하여 관찰 결과를 적절하게 해석합니다. 일부 연구에서는 습도계를 사용했습니다. 염의 흡습성 특성은 시차 이동성 분석기 또는 전기역학 저울로도 측정할 수 있지만 작동은 상대 습도 90%²⁴ 이상으로 충분히 정확하지 않습니다. 최근 연구에서는 투과 및 주사 전자 현미경(TEM 및 SEM)이 널리 활용되고 있습니다. 이 두 현미경에는 물과 개별 염 입자의 상호 작용을 연구할 수 있는 환경 셀이 있습니다²⁴. 개별 염 입자의 상 변화 및 전이는 일반적으로 실험 설정 ^{8,13,19,20,25}에 통합된 광학, 적외선(IR) 또는 라만 분광법으로 검출됩니다. 기존의 분광 분석법은 우수한 관찰 한계와 상 변화의 명확한 검출을 제공하지만, 벌크 염 샘플을 모니터링하고 상 전이의 중간 단계를 통해 염수 형성 과정을 지속적으로 모니터링하는 데는 적합하지 않습니다. 또한 '라만 현미경'과 같은 레이저 기반 현미경 장치는 가격이 비싸고 복잡한 실험 설정이 필요할 수 있습니다.

우리는 전기 전도도를 측정 기술로 사용합니다. 염이 조해를 겪는 상대 습도를 결정하기 위한 측정은 전기 전도도를 사용하여 수행되었으며, 여기서 파생된 값은 표준 습도계⁽²⁶)를 사용하여 결정된 값과 잘 일치했습니다. 조해염의 염수 형성 과정의 시계열은 이전에 Heinz et ^al.27에 의해 전기 전도성을 사용하여 연구되었습니다. 여기에서 그들은 JSC Mars-1a 모사제와 과염소산염 또는 염화물의 혼합물을 사용했습니다. 전기 전도도 기술은 토양에서 액체 또는 동결 된 물을 감지하는 데에도 사용되었습니다^28,29. 이 방법의 장점은 두 전극 사이의 공간에 포함되어 있는 한 중소형 샘플 모두에 적용할 수 있다는 것입니다.

이 프로토콜은 진공 상태에서 온도와 상대 습도를 제어하거나 화성 등과 같은 외계 대기를 시뮬레이션하는 것과 관련된 유사한 실험을 설계하는 데 유용할 수 있습니다.

그림 1: 실험 설정의 구성. 전극, 측정 회로 및 Arduino와 같은 주요 구성 요소로 구성된 간단한 전기 전도도 측정 설정을 보여주는 블록 다이어그램입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

염수의 전기 전도도는 그림 1과 같이 간단하고 저렴한 설정으로 측정할 수 있습니다. 설정을 구성하기 위한 특정 제품은 재료 표에 나와 있습니다. 설정은 주로 연구를 위한 염 또는 염 혼합물이 수용되는 알려진 거리로 분리된 동일한 치수의 한 쌍의 금속 전극으로 구성됩니다. PT1000 저항 온도 감지기를 사용하여 염의 온도를 측정할 수 있습니다. 전극의 평평한 끝 중 하나는 차폐 동축 케이블의 각 단자에 납땜할 수 있습니다. 마찬가지로 센서의 두 단자를 다른 차폐 동축 케이블에 납땜할 수 있습니다. 이러한 각 동축 케이블의 다른 쪽 끝을 회로에 연결하여 각각 전기 전도도와 온도를 측정할 수 있습니다. Arduino 보드와 간단한 직렬 데이터 모니터를 사용하여 데이터를 검색하고 저장할 수 있습니다.

이 실험의 맥락에서 우리는 2022년에 화성으로 비행할 비행 모델(FM)의 가장 가까운 복제품인 HABIT/ExoMars 2022 장비의 EQM(Engineering Qualification Model)을 사용합니다. HABIT은 HabitAbility: Brines, Irradiation 및 Temperature의 약자입니다. 이 탐사선은 엑소마스 2022 표면 플랫폼 카자촉(Kazachok )에 탑재된 두 개의 유럽 탑재체 중 하나로, 화성 옥시아 플라눔(Oxia planum) 착륙 지점의 거주 조건을 연구하는 것을 목표로 합니다. 염수 관찰 액체 전환 실험(BOTTLE)은 화성³¹호의 액체 물 안정성을 입증하기 위한 목적으로 HABIT 기기의 구성 요소 중 하나입니다. 여기에 설명된 프로토콜은 온도, 상대 습도 및 이산화탄소-대기³¹의 화성 조건에서 염수 형성의 함수로 전기 전도도 측정을 보정하는 역할을 합니다. 이는 화성에서 액체 염수 형성 과정을 감지하는 데 도움이 되는 BOTTLE의 보정된 전기 전도도 측정을 검색하는 데 사용되며, 이는 주요 임무 목표^{중 하나입니다 18}. 여기서 보정은 실험 수준 보정이라고 합니다. 기기 수준 교정은 각 전극 쌍의 기하학적 셀 상수를 결정하고 알려진 전기 전도도³¹의 교정 표준으로 수행됩니다.

1. 전기전도도 측정을 위한 실험설비의 구성

1. 전극의 치수와 전극 쌍 사이의 거리를 선택합니다. 전극의 치수는 샘플 용기의 치수와 그에 따라 사용되는 염의 양에 따라 달라집니다. 아래에 언급된 HABIT BOTTLE 용기 치수의 치수는 샘플 용기에 대한 참조로 사용할 수 있으며 염의 양은 2.1단계에서 참조할 수 있습니다. 기하학적 셀 상수는 방정식 (1)에서 파생될 수 있습니다.
   (1)
   여기서, d - 전극 쌍 사이의 거리, 그리고
   A - 전극의 면적(= 길이 x 너비).
   기하학적 셀 상수 K는 측정 설정이 민감한 전기 전도도 범위를 결정합니다. 예를 들어, K = 1 ^cm-1은 5 - 200, 000 μScm-1 범위에서 측정할 수 있는 반면 K = 10 ^cm-1은 10 μScm-1 - 1 ^Scm-1 범위에서 측정할 수 있습니다. 다양한 수준의 전극 쌍이 있을 수 있습니다. 재료 선택은 구리, 백금, 금 등일 수 있습니다. 스웨덴 시설의 Omnisys Instrument AB에서 금 및 백금 전극을 사용하여 염수 매체에 직류(DC)를 통과시키는 여러 장기 실험에서 금 전극이 이 작업에 더 나은 내식성 측면에서 선호된다는 것이 밝혀졌습니다.
   참고: HABIT에는 총 16개의 전극 쌍이 있으며 25mm x 15mm x 15mm(L x W x H) 치수의 용기 내에서 분리된 3가지 수준(2개의 모서리 셀은 낮은 전극 및 중간 전극 쌍으로만 측정)에서 6개의 서로 다른 염을 연구할 수 있습니다. BOTTLE은 낮음: 1.6 x 0.4, 중간: 1.6 x 0.2, 높음: 1.6 x 0.2, 2.5cm에서 분리되어 3,9062cm-1 및 7.8125cm-1의 셀 상수를 생성하는 세 가지 수준의 전극 쌍을 사용합니다. 측정은 광학 측정 시스템(예: Mitutoyo MF 176)을 사용하여 수행되었습니다.
2. 그림 1과 같이 연구할 염을 담을 수 있는 평평한 표면의 용기를 준비합니다. 용기 크기는 전극의 기하학적 치수와 염이 수용되는 전극 쌍 사이의 거리에 따라 선택할 수 있습니다. 여러 컨테이너 구성을 조정할 수 있습니다. 용기는 PLA로 3D 프린팅하거나 알루미늄 또는 기타 금속으로 밀링하는 것이 바람직하며, 벽을 통한 증기 또는 액체 누출로 인한 수분 손실로부터 보호되어야 합니다.
3. 에폭시 2216 수지 코팅을 준비하고 용기 벽에 도포합니다. 코팅된 용기를 66°C에서 2시간 동안 경화시키고 경화시킬 때까지 한 시간 동안 그대로 두십시오.
   알림: 에폭시 코팅은 솔벤트에 용해되어 최상의 결과를 위해 분무될 수 있습니다.
4. 용기의 반대쪽 벽에 전극 쌍을 수용하고 이미 도포된 에폭시 2216 수지로 붙입니다.
5. 긴 차폐 동축 케이블을 사용하고 한쪽 면의 끝을 한 쌍의 각 전극의 접점에 납땜합니다.
6. 차폐 동축 케이블의 다른 쪽 끝을 전기 전도도 측정 회로의 두 단자에 연결합니다.
   참고: 간단한 전기 전도도 측정 회로는 AC 전압 소스에 대한 하나의 터미널로 구축하여 지정된 주파수에서 전기 펄스를 생성하고 다른 터미널을 전압 분배기 회로에 연결하여 전극 쌍의 전압 강하를 읽을 수 있습니다. Arduino의 디지털 출력 핀은 PWM(펄스 폭 변조) 모드에서 사용하여 필요한 AC 전압을 생성할 수 있습니다. AC 전압은 전극의 부식을 방지하는 데 사용됩니다. 전극 쌍의 전압 강하는 내장된 10비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 있는 Arduino의 아날로그 입력 핀으로도 측정할 수 있습니다. 다른 상업용 회로도 사용할 수 있습니다.
7. 마찬가지로 열 페이스트를 사용하여 PT1000 저항 온도 감지기(RTD)를 용기 벽 중 하나에 붙입니다.
8. 다른 긴 차폐 동축 케이블을 사용하여 한쪽을 PT1000 센서의 두 단자에 연결하고 다른 쪽을 온도 측정 회로에 연결합니다.
   알림: 간단한 온도 측정 회로는 하나의 터미널을 DC 전압 소스에 연결하고 다른 터미널을 전압 분배기 회로에 연결하여 PT1000 센서의 전압 강하를 읽을 수 있습니다.tage 드롭은 내장된 10비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 있는 Arduino의 아날로그 입력 핀으로 측정할 수 있습니다. 다른 상업용 회로도 사용할 수 있습니다.
   1. 실험 설정을 위해 HABIT 기기를 준비하려면 BOTTLE 구성 요소와 전자 장치(EU) 사이의 케이블 연결을 분리하십시오. 그런 다음 BOTTLE의 8x M3 볼트를 풀어 6개의 열린 셀을 노출시키기 위해 상단 덮개와 HEPA 필터 홀더를 제거합니다. 연구를 위해 소금을 먹이기 전에 전극 세척 용액과 멸균 면봉을 사용하여 입자나 액체가 없도록 BOTTLE의 세포와 전극을 청소하십시오.
   2. 각 전극 쌍에 대한 교정 기능 계수를 결정하기 위해 알려진 전기 전도도 값이 있는 일련의 교정 표준물질을 사용하여 소금을 공급하기 전에 설정의 전기 전도도 측정에 대한 교정을 수행합니다. BOTTLE이 열 진공 챔버에서 진공 조건에 노출되고 25°C를 유지했을 때 0.0364μScm-1(영점 또는 건조 점)의 전기 전도도 측정을 시스템의 절대 전기 전도도로 사용하여 사용합니다. 또한 두 가지 보정 표준(84μScm-1 및 1413μScm-1)을 사용하여 방정식 (2)와 같이 2점 보정 함수를 도출합니다.
      (2)
      여기서, _{σ 보정} - 보정 된 실제 전기 전도도,
      _{σ 측정} - 원시 측정 전기 전도도 및
      a_{2,a 1,a 0} - 다항식 상수
   3. 설정에서 측정한 원시 전기 전도도를 파생 보정 기능에 맞추어 실제 전기 전도도 측정을 달성합니다.
      참고: 초기 보정은 시스템 온도를 25°C로 유지하면서 수행됩니다. 그러나 실험 중 온도가 변하면 전기 전도도 값도 변합니다. 서로 다른 온도에서 온도와 전기 전도도 기능을 도출하는 것이 복잡해지기 때문에 온도 데이터는 염수의 상 상태를 결정하는 데만 사용합니다. Nazarious et ^al.31 은 이 측면에 대해 자세히 논의했다.

2. 조해성 소금 표본의 조작

1. 연구에 고려되는 특정 양의 소금 또는 샘플의 무게를 잰다. 우리는 개별 용기에 염화칼슘 CaCl₂ , 황산 철₂ (SO₄) ₃, 과염소산 마그네슘 Mg (ClO₄) ₂ 및 과염소산 나트륨 NaClO₄의 네 가지 염을 각각 1.5g의 무게를 측정했습니다.
   주의 : 일부 염, 특히 과염소산염은 부식성이 있으므로 피부나 눈과의 접촉을 피해야 합니다.
   1. 소금을 취급하는 동안 적절한 화학 의복, 고글 및 니트릴 장갑을 사용하십시오. 피부나 눈에 들어간 경우 즉시 다량의 물로 씻어내고 의사와 상담하십시오.
      참고 : 염 외에도 알긴산 (Super Absorbent Polymer, SAP)의 나트륨 염 0.75g을 소금과 함께 4 개의 용기 각각에 첨가하고 균일 한 소금-SAP 혼합물을 얻기 위해 철저히 혼합했습니다. 우리는 염수가 모세관에 의해 상승하여 비행 모델 기기에서 흘러내리는 것을 방지하기 위한 안전 조치로 SAP를 응고제로 사용했습니다. 염은 대기 환경에서 기체 상태의 물을 흡수하는 반면, SAP는 일단 접촉하면 염의 액체 염수로부터 액체 상태의 물을 흡수합니다. SAP를 추가한 것은 순전히 지구 상태(2022년 ExoMars 발사 전)에 소금을 저장하는 데 대한 공학적 한계 때문이었으며 실험 자체에 대한 의미는 적습니다. 결과적으로 전기 전도도 측정은 예상되는 소금+SAP+물의 혼합물의 결과입니다. 이 실험의 목표는 전체 시스템에서 물의 흡수를 모니터링하는 것이므로 소금+SAP의 건조 상태에서 수화 상태로의 전기 전도도의 변화는 해석과 관련된 것으로 간주됩니다. 교정 절차는 동일한 염+SAP 조합에 대해서도 수행되었습니다.
   2. HABIT/ExoMars 기기의 BOTTLE 구성 요소의 비행 모델에 사용된 것과 동일한 소금 및 SAP 혼합물 및 중량을 사용합니다.

3. 실험 설정에서 소금 샘플 공급

1. 2단계에서 이전에 계량한 소금 전체를 실험 용기에 조심스럽게 옮깁니다.
   참고 : 이전에 계량 된 소금 - SAP 혼합물을 다음 순서로 BOTTLE의 4 개 셀로 조심스럽게 옮겼습니다 : 셀 -2 : 칼슘 - 염화물 CaCl₂, 셀 -3 : 황산 철₂ (SO₄) ₃, 셀 -4 : 마그네슘 - 과염소산 Mg (ClO₄) ₄, 셀 -5 : 나트륨 - 과염소산 NaClO₄. 셀-1과 셀-6은 비어 있습니다.
   1. BOTTLE의 비행 모델에서도 동일한 순서를 따르므로, 이 구성과 실험은 화성에서의 작동에 대한 보정 및 해석을 목표로 합니다.
2. 전극을 덮도록 소금의 윗면을 평평하게 합니다. 이 기준을 달성하기 위해 염의 양을 선택하십시오.
   참고: BOTTLE의 각 염-SAP 혼합물의 무게는 총 2.25g이었고 각 셀의 낮은 전극을 덮었습니다. 이 양은 형성된 소금물이 넘치지 않도록 선택되었습니다.
3. HEPA 필터를 사용하여 용기 상단을 덮습니다. 이렇게 하면 시뮬레이션된 환경의 주변 상대 습도와 염의 상호 작용이 가능합니다.
   알림: 홀더 프레임이 있는 나일론 기반 HEPA 필터를 사용하여 BOTTLE의 소금-SAP 혼합물을 덮었고 BOTTLE의 상단 뚜껑은 8x M3 볼트로 고정했습니다.

4. 시뮬레이션 챔버에 실험 설정 설치

1. 실험 용기(들)를 시뮬레이션 챔버(³²)에 놓는다. 챔버의 작업대와 용기 사이에 양호한 열 접촉이 있는지 확인하십시오.
2. 전기 전도도 및 온도 측정 회로를 챔버 외부에 놓습니다. 이렇게 하면 측정을 손상시킬 수 있는 회로에서 온도로 인한 노이즈를 방지할 수 있습니다.
3. 시뮬레이션 챔버의 중간 커넥터를 통해 측정 회로와 용기 사이의 전원 및 데이터 연결을 만듭니다.
   참고: BOTTLE은 EU의 2x DB-9 커넥터와 챔버의 내부 DB-25 커넥터에 전용 분할 케이블을 사용합니다. 분할 케이블은 이러한 목적을 위해 특별히 제작된 맞춤형 전원 및 데이터 연결 케이블입니다. 챔버의 DB-25 커넥터 외부에서 전원 연결이 있는 또 다른 분할 케이블은 DC 전원 공급 장치에 연결하고 2x USB 데이터 연결은 HABIT EQM LabView 소프트웨어가 설치된 노트북에 연결했습니다.

5. 시뮬레이션 챔버의 제어

도 2: 시뮬레이션 챔버(³²)의 제어. 온도, 상대 습도 및 이산화탄소 압력을 제어하기 위한 다양한 시스템을 갖춘 화성 시뮬레이션 챔버의 표현. 전원 및 데이터 연결 콘센트도 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 작업대의 온도를 20°C에서 -30°C 사이로 유지
   알림: 작업 테이블의 온도는 그림 2에 표시된 프로토콜에 따라 액체 질소(LN₂) 피드스루 시스템을 사용하여 조절됩니다. 초기에 챔버는 실험실 주변 온도로 유지됩니다.
   1. LN₂의 흐름을 위해 밸브를 엽니다. 온도가 내려가기 시작합니다.
   2. 피드백 컨트롤러에서 원하는 온도를 설정합니다. 작업대에 장착된 PT100 온도 센서는 피드백 루프 역할을 합니다.
   3. 원하는 온도에 도달하면 밸브를 닫아 LN₂의 흐름을 차단합니다.
2. 이산화탄소 압력 유지
   1. 챔버 내부의 압력이 진공을 읽을 때까지 진공 펌프를 켭니다.
   2. 챔버가 진공 상태가 되면 진공 펌프를 끄고 7-8mbar의 압력에 도달할 때까지 챔버에 CO₂ 가스를 주입합니다.
3. 상대 습도 유지
   1. 챔버에 장착된 스테인리스강 스웨즈락 주사기를 사용하여 0.5mL 단위로 물을 주입합니다. 이렇게 하면 상대 습도가 점차적으로 증가합니다.
      알림: 주사기는 볼 밸브에 차례로 연결되므로 주사기를 사용하여 물을 여러 번 주입할 수 있습니다.
   2. 압력이 한계 내에 있는지 확인하십시오. 그렇지 않으면 밸브를 조정하여 압력을 해제하십시오.

6. 전기 전도도 대 상대 습도 실험

그림 3: 전기 전도도 대 상대 습도 실험. 상대 습도의 함수로서 전기 전도도의 관계를 도출하기 위해 보정 실험을 수행하기 위한 실험 프로토콜의 단계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 로터리 진공 펌프를 켜서 챔버 내부의 모든 공기를 씻어냅니다. 챔버 내부의 압력은 ^10-3mbar 정도로 감소합니다.
   알림: 상대 습도는 0에 가깝습니다. 챔버 작업대의 주변 온도는 약 20 °C입니다. 압력이 감소함에 따라 전기 전도도와 BOTTLE 온도(조해는 발열 반응)가 증가할 수 있습니다.
2. 가스 실린더에서 이산화탄소 대기를 조심스럽게 주입하여 7에서 8mbar 사이의 압력을 유지하십시오.
3. 용기 온도를 측정하는 PT1000이 20°C를 기록하도록 작업 테이블 온도를 특정 값으로 설정합니다.
4. 20°C에서 약 5분 동안 기다렸다가 평형을 이루고 7단계에 따라 데이터 수집을 시작합니다.
5. 주사기 시스템을 사용하여 챔버 내부에 물을 천천히 주입하고 상대 습도를 10%로 유지하고 평형을 이룰 때까지 5분 동안 기다립니다. 상대 습도를 높일 때 압력이 상승하면 로터리 진공 펌프 밸브를 조정하여 여분의 공기를 제거하십시오.
6. 천천히 하면 상대 습도가 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 및 100%로 증가합니다. 모든 상대 습도 값에서 약 5분 동안 유지하여 평형을 이루고 7단계에 따라 데이터 수집을 시작합니다.
   참고: 이것으로 그림 3에 표시된 프로토콜에 따라 한 세트의 보정 실험을 마칩니다.
7. 소금 샘플은 지금쯤 소금물을 형성했을 수 있습니다. 소금 s를 버리십시오.amp용기에서 les.
8. 8단계에 따라 다음 실험을 위해 소금 샘플을 갱신합니다.
9. 마찬가지로 작업대 온도를 낮추어 용기 온도를 15°C, 10°C, 5°C, 0°C, -5°C, -10°C, -15°C, -20°C, -25°C 및 -30°C로 유지합니다. 각 정류장에서 6.5-6.8단계를 반복하여 소금 샘플의 전기 전도도를 측정합니다.
   알림: 안전 기능으로 -33°C 미만에서는 BOTTLE 히터가 작동하여 -30°C에서 -33°C 사이의 온도를 유지합니다. 따라서 -30°C까지 실험을 진행했습니다. 그러나 더 낮은 온도를 선택할 수 있습니다.
10. -30°C의 가장 낮은 온도에서 주변 온도로 상승하는 것은 실험을 종료하고 진공을 해제한 다음 챔버의 전면 도어를 열어 실험실 주변 공기가 혼합되고 자연스럽게 용기 온도를 높이도록 함으로써 달성할 수 있습니다. 추가 데이터의 경우 챔버 내부의 온도가 자연적으로 증가하도록 선택할 수 있습니다. 그것은 매우 느린 과정이 될 것이며 7-10 시간의 주문이 걸릴 수 있습니다.

7. 데이터 로깅 및 저장

1. Arduino의 내장 직렬 모니터 또는 타사 직렬 모니터 소프트웨어(예: m Teraterm, Realterm 등)를 사용합니다.
2. 연속 1시간 동안 1Hz의 주파수로 측정 회로에서 읽은 다음 매시간의 처음 5분 동안 읽도록 Arduino를 구성합니다. 이는 9단계에서 설명한 마리안 낮-밤 시뮬레이션에 적용할 수 있습니다.
3. DC 전원 공급 장치 전압을 측정 회로에 대해 지정된 대로 설정합니다.
   알림: HABIT의 전원 케이블은 28V의 DC 전원 공급 장치에 연결되고 2x USB 데이터 연결은 HABIT EQM Lab이 설치된 노트북에 연결됩니다.View 소프트웨어가 설치되어 있습니다. 이 소프트웨어는 Windows 10만 지원합니다.
4. 데이터 연결을 위한 직렬 COM 포트를 입력하고 Arduino 프로그램을 실행합니다.
   참고: 장치 관리자를 참조하여 올바른 COM 포트를 식별합니다.
5. 처음 100초 동안 데이터를 수집하고 직렬 모니터를 닫아 데이터 수집을 중지합니다. Arduino 직렬 모니터 창에서 데이터를 복사하는 것을 잊지 마십시오.
6. 텍스트 편집기를 열고 복사한 데이터를 붙여넣어 MATLAB 또는 Python을 사용하여 더 쉽게 후처리할 수 있도록 .txt 또는 .csv 데이터 파일 형식으로 저장합니다.
   참고: 타사 소프트웨어에는 자동 저장 기능이 있을 수 있습니다.
7. 실험 설명과 일치하도록 데이터 파일의 이름을 지정합니다.
8. 다음 데이터 수집 세트의 경우 먼저 DC 전원 공급 장치를 껐다가 켜서 실험 설정의 전원을 껐다 켜고 7.3-7.7단계를 반복합니다.
   1. HABIT EQM LabView 소프트웨어의 경우: 메인 탭에서 각각 USB 데이터 연결 중 하나에 해당하는 두 개의 COM 포트 COM 포트 1 및 COM 포트 2를 입력합니다. Connect(연결 )를 클릭한 다음 Start(시작 )를 클릭하여 1Hz의 주파수에서 데이터를 수집합니다. 처음 100초 동안 데이터를 기록합니다.
   2. 디버그 탭을 클릭하고 실시간 데이터 보기에서 열기를 클릭하여 수집된 데이터를 봅니다. 그러면 각각 HABIT 기기의 서로 다른 측정값에 해당하는 여러 탭이 있는 새 창이 열립니다. 이 실험에서는 "셀 2", "셀 3", "셀 4", "셀 5", "EU 온도" 및 "CU 온도" 탭에 대해 우려합니다. 데이터는 랩톱의 "C:\LABVIEW\Data" 폴더에 HEX 형식의 "Log.txt"로 저장됩니다. 소프트웨어를 다시 실행하면 "Log.txt" 파일의 기존 데이터가 바뀝니다.

8. 소금 샘플 갱신

참고: 이 단계는 각각의 새로운 실험에 대해 건조 소금 샘플을 도입하기 위해 수행됩니다.

1. 실험을 중지하고 케이블을 조심스럽게 분리하고 시뮬레이션 챔버에서 실험 용기를 내립니다.
2. HEPA 필터와 소금 s를 조심스럽게 제거하십시오.amp용기에서 les를 제거하고 별도의 생물학적 위험 밀봉 백에 넣습니다.
   알림: 과염소산염 및 기타 염은 흐르는 물과 함께 싱크대에 보관하거나 일반 폐기물을 처리하기에 안전하지 않습니다. 생물학적 위험 밀봉 백에 포장하고 화학 폐기물 처리 기준에 따라 폐기할 때 주의를 기울여야 합니다. 표토 샘플 또는 폴리머 등과 같은 다른 샘플을 연구하는 경우, 폐기물은 해당 제품의 안전 데이터 시트(SDS)에서 권장하는 대로 처리할 수 있습니다.
3. 다음 실험을 위해 용기를 부드럽게 청소하고 재설정합니다.
4. 2-4단계에 따라 용기에 소금 샘플을 채우고 시뮬레이션 챔버 안에 다시 넣습니다.

9. 화성의 낮과 밤 주기 시뮬레이션

그림 4: 화성의 낮과 밤 주기의 시뮬레이션. 화성 솔 시뮬레이션을 수행하기 위한 실험 프로토콜의 단계. 6단계와 7단계는 그림 3에서 전환된 것인데, 화성의 낮과 밤 시뮬레이션의 경우 상대 습도가 온도 감소(낮-밤 전환) 전에 초기에 80% 이상으로 설정되기 때문입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 2-4단계에 따라 데모 실험을 설정합니다.
2. 7단계에 따라 실험의 데이터 로깅을 설정하고, 처음 1시간 동안과 처음 5분 동안 매시간 1Hz의 주파수로 연속 데이터를 수집합니다.
   알림: HABIT은 이러한 종류의 일정을 사용하여 적절한 주파수로 모니터링하고 전극이 교류에 과도하게 노출되는 것을 방지합니다.
3. Oxia Planum의 환경 조건 시뮬레이션, 챔버의 화성
   참고: 이 시연을 위해 그림 4와 같이 스웨덴 Luleå University of Technology의 시설인 SpaceQ Mars 시뮬레이션 챔버를 사용했습니다.
   참고: Oxia Planum은 ExoMars 2022의 화성 착륙 계획지입니다.
   1. 로터리 진공 펌프를 켜서 챔버 내부의 모든 공기를 씻어냅니다. 내부 압력은 ^10-3mbar 정도로 감소합니다.
      알림: 상대 습도는 0에 가깝습니다. 챔버 작업대의 주변 온도는 약 20 °C입니다. 압력이 감소함에 따라 전기 전도도와 용기 온도가 증가할 수 있습니다(조해는 발열 반응입니다).
   2. 가스 실린더에서 이산화탄소 대기를 조심스럽게 주입하여 7에서 8mbar 사이의 압력을 유지하십시오.
   3. 스웨즈락 주사기를 사용하여 챔버 내부에 물을 천천히 주입하여 상대 습도를 서서히 높입니다. 압력이 필요한 한계를 초과하여 증가하는 경우 추가 대기를 제거하기 위해 로터리 진공 펌프 밸브를 조정하도록 주의하십시오.
   4. 약 80% 상대 습도에서 약 7-8mbar의 이산화탄소 대기압을 유지합니다.
   5. LN₂ 피드스루 시스템 값을 천천히 열어 작업 테이블 온도를 낮추고 화성의 낮과 밤 전이를 시뮬레이션합니다. 작업대 온도와 용기 온도의 가능한 차이를 관찰하십시오.
      참고: 온도 감소율은 LN₂ 유량을 조정하여 제어할 수 있습니다.
   6. 용기 온도가 -30°C(작업대 온도 -70°C)를 읽을 때까지 온도를 낮춘 다음 LN₂ 흐름을 차단합니다.
      알림: 안전 기능으로 -33°C 미만에서는 BOTTLE 히터가 작동하여 -30°C에서 -33°C 사이의 온도를 유지합니다. 따라서 -30°C까지 실험을 진행했습니다. 그러나 더 낮은 온도를 선택할 수 있습니다.
   7. 작업대와 용기는 주변 실험실 온도(야간-낮 전환)까지 천천히 예열됩니다. 상대 습도도 증가할 가능성이 높으며 압력도 증가할 것입니다. 과도한 압력을 제거하기 위해 로터리 진공 펌프 밸브를 작동하는 것을 잊지 마십시오.
      참고: 여기서 상대 습도는 공기 중 수증기의 양을 상관시키는 것을 의미합니다. 상대 습도 센서는 공기를 측정하기 때문에 수분 함량이 높을수록 상대 습도가 높다고 말하는 것이 합리적입니다. 초기에는 작업대가 영하 30°C로 얼면 수증기가 응축되어 테이블 위에서 얼어붙고, 온도가 상승하면 이 응축수는 화성의 압력에서 증발하고 상대 습도 센서에 의해 공기 중의 수분으로 감지됩니다. 따라서 주변 공기 상대 습도의 변화는 물 상태의 변화와 온도가 상승할 때 작업대에서 증기로 공기로 서리가 방출되기 때문입니다.
   8. 용기 온도가 20°C(작업대 온도와 유사)에 도달하면 실험을 종료하고 진공 청소기를 해제한 다음 챔버의 전면 도어를 열어 실험 설정을 제거합니다.

HABIT에서 획득한 데이터는 HEX 형식이며 분석 전에 ASCII 형식으로 변환됩니다. 보정 실험은 다양한 화성 온도 및 상대 습도 조건에서 4가지 다른 소금-SAP 혼합물의 수화물 형태에 해당하는 전기 전도도 값 간의 관계를 확립했습니다. 25 ° C에서의 관계는 공기에 대한 그림 5A와 4 가지 다른 염-SAP 혼합물, 칼슘 - 염화물 CaCl₂- 수액, 철 - 황산염 Fe₂ (SO₄) ₃ - 수액, 마그네슘 - 과염소산 Mg (ClO₄) ₂ - 수액 및 나트륨 - 과염소산 NaClO₄ 에 대한 그림 5B-5 E에 나와 있습니다- 각각 SAP. 우리는 i) 온도의 함수로서 전기 전도도 측정의 변동성, ii) 상대 습도의 함수로서 공기와 염-SAP 혼합물의 전기 전도도 범위를 관찰하고 분류했습니다. 이 정보는 검색된 전기 전도도, 온도 및 상대 습도 조건을 고려하여 화성의 BOTTLE 작업에서 얻은 소금-SAP 혼합물의 수화 수준을 해석하는 데 중추적인 역할을 할 것입니다.

그림 5A에서 우리는 공기에 대한 전기 전도도와 상대 습도의 직접적인 상관 관계를 관찰했습니다. 챔버 내부의 상대 습도가 0.5mL 단위로 물을 주입하여 증가함에 따라 공기는 화성 조건에서와 같이 상대 습도를 증가시켰습니다. 전기 전도도가 크게 증가했습니다. 하부 전극은 냉장 테이블과의 근접성으로 인해 더 차가울 것으로 추정되며, 이는 차례로 더 높은 RH와 더 높은 EC로 이어집니다. 이 실험 중 화성 압력에서 주어진 온도와 상대 습도의 조합에 대해 상대 습도 59%에서 공기의 최대 전기 전도도(온도 보상이 아님)도 기록했습니다. 그림 5B-5 E는 4개의 염-수액 혼합물이 모두 다른 정도로 물을 포집했음을 보여줍니다. 염화칼슘 및 과염소산나트륨에 대해 RH=0%에서 전기 전도도의 점진적인 증가가 관찰되었으며, 황산제2철 및 과염소산마그네슘의 경우 RH=40-50% 부근에서 전기 전도도의 점진적인 증가가 관찰되었습니다. 모든 소금-SAP 혼합물은 챔버 내부에서 달성한 최대값인 85%에서 최대값을 가졌습니다.

그림 5: 25°C 에서 상대 습도(1% - 85%)의 함수로 나타낸 전기 전도도.(A) 공기, (B) 염화칼슘, (C) 황산제이철, (D) 과염소산마그네슘, (E) 과염소산나트륨 전기 전도도는 밑이 10인 로그 스케일로 표시됩니다. 일렉트로닉스 유닛(EU)은 평균 온도 25.27°C(최소: 24.12°C, 최대: 25.95°C)를 기록했고, 컨테이너 유닛(CU)은 수분 포집의 발열성으로 인해 19.6°C에서 32.91°C로 온도 상승을 기록했다. 평균 작업 테이블 온도는 19.11 °C이고 평균 기온은 19.16 °C였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

소금의 전기 전도도는 다양한 요인에 따라 달라집니다. 실험이 끝날 무렵, 우리는 황산제2철이 수화가 가장 적으며( 그림 7 참조) 전기 전도도 값이 공기보다 낮다는 것을 발견했습니다. 전극 사이의 전기 전도도는 소금 + SAP 혼합물과의 접촉 영역에도 민감합니다. SAP를 포함한 일부 입상 물질은 습윤 공기보다 더 나은 절연체일 수 있습니다. 빈 용기 안의 공기는 자유롭게 움직이는 충분한 수분 함량을 가지고 있어 황산제이철보다 전기 전도도가 높았으며( 그림 5A 참조), 이는 상당한 전기 전도성 신호를 보여주기에 충분한 물을 흡수했다는 점에서 기여하지 않았습니다( 그림 5C 참조). 우리는 또한 실험이 끝날 때 빈 용기에서 물방울을 관찰했는데, 이는 그림 5A에서 볼 수 있듯이 전극 사이의 공기가 어느 시점에서 포화되어 안개가 형성되고 일부는 측면에서 응축되었음을 보여줍니다. 전극 전도도가 낮다는 것은 하부 전극과 접촉하는 염 입자가 완전히 얼어붙었음을 의미할 수 있으며(챔버의 작업대와 직접 접촉하기 때문에 기기 바닥이 가장 차가움) 전기 전도성이 없음을 나타낼 수 있습니다.

2021년 초 화성 착륙에 성공한 후 화성에서 HABIT 운영의 시범 연습으로, ExoMars 2022 임무의 착륙 예정지인 Oxia Planum에서 환경 조건의 한 Sol을 시뮬레이션했습니다. 얻은 결과는 화성에서 BOTTLE 작업의 낮과 밤 주기를 모방하고 관련 조건에 대한 직접적인 데이터를 제공합니다. 그림 6은 화성의 낮-밤 주기를 시뮬레이션하는 동안 모든 소금-수액 혼합물에서 조해가 관찰되었음을 보여줍니다. 그림 6C-6 F는 칼슘-염화물 CaCl_2-SAP, 황산철-황산철₂(SO₄)_3-SAP, 마그네슘-과염소산염 Mg(ClO₄)_2-SAP, 나트륨-과염소산염 NaClO_4-SAP의 4가지 다른 혼합물의 전기 전도도 값을 각각 보여줍니다.

그림 6: Mars Sol 시뮬레이션의 보정된 전기 전도도 측정. (A) 압력 및 상대 습도, (B) 지면 및 공기 온도, (C) 염화칼슘, (D) 황산제이철, (E) 과염소산마그네슘, (F) 과염소산나트륨 전기 전도도(base 10의 로그 스케일), (G) 전자 장치(EU) 및 컨테이너 장치(CU) 또는 BOTTLE 온도가 표시됩니다. 원으로 표시된 숫자가 있는 수직선은 시뮬레이션의 다양한 단계를 나타냅니다. 0-1 : 일정한 온도에서 7-8mbar 압력을 유지하기 위해 진공 및 이산화탄소 주입을 달성하기 위해 공기를 펌핑, 1-2 : 일정한 온도에서 상대 습도를 증가시키기위한 물 주입, 2-3 : 상대 습도 감소를 동반하여 온도를 낮추기 위해 작업 테이블 냉각 켜기 (낮-밤 전환), 3-4 : 온도를 높이기 위해 작업 테이블 냉각 끄기 (야간 - 주간 전환), 상대 습도 증가를 동반합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

전기 전도도의 초기 램프는 상대 습도가 높게 유지되는 동안 급격한 압력 감소에 기인할 수 있으며, 이로 인해 수분 포집 과정이 가속화된 후 혼합물에 남아 있는 물의 가스 방출이 가속화됩니다. 이것은 또한 염에 의한 물 포집 과정의 발열성과 일치했습니다. Electronics Unit(EU) 및 BOTTLE의 온도 상승은 급격한 감압(일정한 부피에서)과 염수 상호 작용의 발열 거동이 결합된 것일 수 있습니다. 13:00 경에 관찰된 압력 강하는 작업 테이블에서 가장 낮은 온도에 도달하는 것과 관련이 있을 수 있으며, 이는 RH의 작은 상승과도 일치합니다. 더 낮은 온도에서 작업 테이블은 물방울을 얼리는 물 싱크처럼 작동했기 때문에 공기의 상대 습도가 낮았습니다. 화성의 낮과 밤이 전이되는 이 단계에서는 전기 전도도 곡선에 덜 중요한 징후가 있었다. 그러나 밤-낮 전환 동안 온도가 증가하고 상대 습도도 증가했을 때 소금-SAP 혼합물은 BOTTLE 온도의 갑작스런 상승에 의해 반영된 실험의 후반부에서 전기 전도도의 증가로 나타난 것처럼 꾸준히 물을 포집하기 시작했습니다. 최종 전기 전도도 값은 그림 7과 같이 4개의 염-SAP 혼합물 각각에 의한 수분 포집 정도를 나타냅니다. 모든 소금-SAP 혼합물은 물을 포착했으며 특히 칼슘-염화물 소금-SAP 혼합물은 액체 염수를 생성했습니다. ̴100 ^μScm-1의 CaCl₂ 염수의 최대 전기 전도도 값은 문헌³¹과 일치합니다.

그림 7: 소금-SAP 혼합물의 이미지. (A) 화성 태양 시뮬레이션 전과 (B) 후. 왼쪽에서 오른쪽으로: 염화칼슘, 황산제이철, 과염소산마그네슘, 과염소산나트륨 각 1.5g, 각 염에 0.75g의 SAP를 함유한 초기 조건. 왼쪽 모서리의 염화칼슘은 "100 μScm-1"의 관련 전기 전도도 값을 보여주는 액체 염수를 생성했습니다. 다른 모든 염-SAP 혼합물도 이미지에서 젖은 것처럼 보이는 상당한 양의 물을 포착했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이것은 진공 또는 화성 압력 조건에서 염수 형성 과정의 전기 전도도를 특성화하려는 처녀 시도입니다. 이 실험의 핵심 요소는 화성 시뮬레이션 챔버로 화성의 낮과 밤 주기를 시뮬레이션하여 염을 연구하는 것입니다. 염분 조해의 결과는 대표적인 결과로 표시되며, 화성 환경을 시뮬레이션하는 데 필요한 조건을 달성하는 데 더 중점을 둡니다. 이 첫 번째 실험을 통해 우리는 이제 원고의 논의 섹션에서 언급한 챔버의 과정과 한계를 이해합니다. 향후 실험에서는 화성에서의 과정과 관련된 다양한 과학 실험에 대해 이 프로토콜을 따를 것입니다. 이전 연구에서는 주변 실험실 압력 ^27,28,29에서 전기 전도도 측정을 수행했습니다. 더 낮은 압력에서 측정하는 것은 어려운 일이므로 지구 압력 조건에 사용되는 프로토콜을 수정해야 했습니다. 주변 압력 하에서 기후 챔버에서 이전 보정 캠페인 동안, 서로 다른 화성 온도에서 전기 전도도와 염 수화물 형태 사이의 관계를 도출하기 위해 각 실험 세트 전에 정의된 양의 소금과 물을 첨가하여 다양한 수화물을 준비했습니다³¹. 그러나 화성의 압력으로 인해 수화물을 형성하는 데 사용되는 첨가된 물은 압력을 낮출 때 결국 가스를 방출하므로 모든 실험을 건조 소금-SAP 혼합물로 시작하고 상대 습도를 조절하여 다양한 수화물 형태로 전환했습니다.

라만 분광법을 사용하여 염수 형성 과정을 모니터링 한 과거 연구는 일반적으로 환경 셀에서 염 입자의 개별 과립으로 수행되었으며 라만 스펙트럼 ^1,9,18의 O-H 스트레칭 영역에서 상 전이를 관찰했습니다. 염수 형성 과정의 전기 전도도 특성화는 기존 라만 분광법보다 중간 상 전이에 더 민감한 것으로 간주되었으며 염수 형성 과정의 연속 시계열을 제공했습니다²⁷. 우리의 실험에서, 우리는 또한 전기 전도성이 우수한 정밀도로 벌크 소금 샘플에 대한 실행 가능한 측정 옵션임을 입증했습니다.

HABIT 기기의 전기 전도도 측정 시스템을 설계하는 동안 해결해야 할 과제가 있었습니다. 전극 재료의 선택은 전기 전도도 측정에서 산발적인 결함을 피하기 위해 부식에 대한 내성과 표면 평활도를 기반으로 했습니다. 흡습성 염은 때때로 모세관에 의해 용기의 벽을 따라 올라가므로 소수성 코팅의 선택이 필수적입니다. 우리는 염수가 모세관 상승을 방지하는 에폭시 수지 조성물을 기반으로 한 코팅을 사용했습니다. 또한 전기 펄스의 전압, 주파수 및 전류 감지 레퍼런스 저항과 같은 전기적 특성이 설계에 중요했습니다. BOTTLE은 저전도 및 고전도도 모드에 대해 ±70mV 및 ±700V의 전기 펄스와 함께 ±2.048V 바이어스 전압을 사용합니다. 1kHz의 전기 펄스는 금 전극을 통과하고 연구를 위해 소금 샘플을 통과하고 저전도 및 고 컨덕턴스 모드에 대해 각각 10k-ohm 및 100-ohm 참조 저항을 사용하여 반대쪽의 금 전극에서 판독됩니다.

전기 전도도를 상대 습도의 함수로 특성화하기 위한 각 실험에는 일정하고 안정적인 온도가 필요했기 때문에 프로토콜은 화성 시뮬레이션 챔버의 온도 안정성 한계 내에서 수용할 수 있도록 설계되었습니다. 열 절연으로 인해 작업 테이블 온도(챔버의 LN₂ 피드스루 시스템에 의해 조절됨)와 BOTTLE 온도에 관찰 가능한 차이가 있습니다. 이는 작업 테이블 온도가 BOTTLE 온도와 항상 동일하지 않으며 최적의 실험 조건을 위해 차이를 고려해야 함을 의미합니다.

화성 시뮬레이션 챔버에서의 향후 실험에는 서로 다른 온도에서 공기, 전기 전도도 및 상대 습도 간의 관계를 도출하는 것이 포함됩니다. 화성 솔(Mars Sol) 시뮬레이션을 통해 공기의 상대 습도와 전기 전도성 사이에 가능한 상관관계를 관찰했습니다. 이는 BOTTLE의 양쪽 끝에 있는 두 개의 빈 셀을 보정하고 수화 수준을 보다 정확하게 해석하기 위해 소금-SAP 혼합물의 보정과 통합하는 데 관련될 수 있습니다. 이 실험을 수행하기 위해 동일한 실험 프로토콜에 따라 소금 샘플 없이 빈 실험 용기를 조정할 수 있습니다.

설명된 실험 프로토콜은 염수 형성 과정을 모니터링하기 위한 더 간단하고 쉽게 적용할 수 있는 대체 방법을 제공하며, 이는 대기 중 수분과 상호 작용할 수 있는 다른 샘플에도 적용할 수 있습니다. 이는 해염 혼합물에 의해 형성된 염수의 물리적 및 화학적 특성을 이해하기 위한 연구에 도움이 될 수 있으며, 이는 염수가 핵 연료 및 핵 폐기물을 저장하는 데 일반적으로 사용되는 캐니스터 표면과 반응할 수 있는 조건을 정의하는 데 적용할 수 있습니다^33,34. 다양한 재료에 대한 염수의 부식 특성은 프로토콜을 조정하여 다양한 환경 조건에서 연구할 수 있습니다. 우리는 이 프로토콜을 적용하여 HABIT 기기에 탑재하여 화성으로 운반하는 소금과 SAP의 4가지 혼합물의 조해 특성을 연구했습니다. 그러나, 예를 들어, 연기 입자와 같은 모든 형태의 염 또는 염 혼합물의 흡습성 특성은 구름 핵 형성 전위에 대해 분석 할 수 있습니다²⁴. 실험 프로토콜은 또한 화성 및 실험실 내부의 다른 곳에서 다양한 대기-표면 관련 현상을 시뮬레이션하는 데 적용될 수 있습니다.

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실험에 사용된 HABIT EQM(Engineering Qualification Model)은 MPZ와 JMT의 감독 하에 HABIT 프로젝트 개발의 일환으로 스웨덴 옴니시스(Omnisys)가 제작했으며, 스웨덴 국립우주국(SNSA)의 자금 지원을 받았습니다. HABIT과 BOTTLE은 MPZ와 JMT의 독창적인 아이디어입니다. SpaceQ 화성 시뮬레이션 챔버는 스웨덴 룰레오에 위치한 룰레오 공과 대학 시설입니다. 켐페 재단(Kempe Foundation)은 스페이스큐(SpaceQ) 챔버의 설계와 제작에 자금을 지원했다. SpaceQ 챔버는 MPZ의 감독하에 영국의 Kurt J. Lesker Company에서 제조했습니다. MPZ는 스페인 국립 연구국(AEI) 프로젝트 번호에서 부분적으로 자금을 지원받았습니다. MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) 및 스페인 과학혁신부 (PID2019-104205GB-C21). AVR과 JMT는 발렌베리 재단의 지원을 인정합니다.