Mars Koşullarında Tuzlu Suların Oluşumunu İncelemek için Elektriksel İletkenliğin Ölçülmesi

Protokolün amacı, tuzların hidrasyonunu ve tuzlu su oluşum sürecini izlemektir. Ölçüm tekniği olarak elektriksel iletkenlik kullanılır. Deneyler, simüle edilmiş bir Mars sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit atmosferi ortamında gerçekleştirilir.

Bu makale, Mars koşulları altında tuzlu su oluşumunu incelemek ve süreci elektriksel iletkenlik ölçümleriyle izlemek için deneyler tasarlamak için bir protokolü açıklamaktadır. Deney kurulumu için Yaşanabilirlik Mühendislik Yeterlilik Modelini (EQM) kullandık: Tuzlu Sular, Işınlama ve Sıcaklık (HABIT)/ExoMars 2022 aracı, ancak basit ve ucuz bir elektriksel iletkenlik ölçüm kurulumu oluşturmanın kısa bir açıklamasını sunuyoruz. Protokol, simüle edilmiş bir Mars ortamında tuzlu suya tuz sıvılaşmasının elektriksel iletkenlik ölçümlerini kalibre etmeye yarar. Mars'ın sıcaklık (-70 °C ila 20 °C), bağıl nem (%0 ila %100) ve karbondioksit atmosferi ile basınç (7 - 8 mbar) koşulları, İsveç'teki LuleşTeknoloji Üniversitesi'ndeki bir tesis olan SpaceQ Mars simülasyon odasında simüle edildi. Bir çift elektrot arasında yer alan bilinen tuz miktarının hidrat formu ve dolayısıyla ölçülen elektriksel iletkenlik, ağırlıklı olarak su içeriğine ve sistemin sıcaklığına ve bağıl nemine bağlıdır. Elektriksel iletkenlik ölçümleri, tuzları farklı Mars sıcaklıklarında sürekli artan bağıl neme (çeşitli hidratlardan geçişi zorlamak için) maruz bırakırken 1 Hz'de gerçekleştirildi. Gösteri için, Mars'taki Oxia Planum'da (ExoMars 2022 misyonunun iniş alanı) bir gündüz-gece döngüsü yeniden oluşturuldu.

Gezegen araştırmalarının ana araştırma konularından biri su döngüsüdür, ancak atmosferin yer ile etkileşimini izlemeye izin veren genel, sağlam ve ölçeklenebilir bir prosedür tasarlamak zordur. Laboratuvar simülasyonları, gezegen atmosferlerini, yüzeylerini ve içindeki etkileşimleri yeniden yaratabilir. Ancak, gerekli ekipmanın temin edilmesinden personelin eğitimine kadar bir zorlukla birlikte gelir. Bu makale, Mars'ın sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit atmosferi koşulları altında tuzlu su oluşumunu incelemek için deneyler tasarlamak için bir protokol açıklamakta ve süreci elektriksel iletkenlik ölçümleriyle izlemektedir. Ayrıca, basit ve ucuz bir elektriksel iletkenlik ölçüm düzeneği oluşturmanın kısa bir açıklamasını da sunuyoruz. Protokol, vakum veya diğer gezegen atmosferlerinde benzer deneyler tasarlamak için uyarlanabilir.

Salamura oluşumu çalışmalarının önemi
Higroskopik tuzlar, sıvılaştırma adı verilen bir işlemde sıvı çözeltiler oluşturmak için atmosferik su buharını emebilir. Bu süreç, Dünya ve Mars yüzeyinde belirli zaman ve yerlerde var olması muhtemel olan uygun koşullar altında tuzlu su oluşturur. Çiçeklenme adı verilen ters işlem, tuzlu sular elverişsiz koşullar altında susuz kaldığında da mümkündür. Mars'ın yüzeyinde veya altında tuzlu suların makul varlığı, mevcut karasal ve Mars çalışmaları üzerinde çeşitli etkilere sahiptir. Ek olarak, tuzlar su moleküllerini hidratlayabilir, tutabilir ve serbest bırakabilir, bu da su döngüsünü ve regolitin özelliklerini etkiler.

Hem Dünya hem de Mars için tuzların ve tuz karışımlarının sıvılaşması nedeniyle tuzlu su oluşumu için elverişli olan sıcaklık, bağıl nem ve basınç koşullarının belirlenmesine yönelik artan bir uluslararası ilgi vardır. Don Juan Göleti (DJP) havzası yakınındaki koyu dik eğimli su yollarının saha gözlemleri ve Antarktika'daki McMurdo Kuru Vadileri'nde ıslak yamaların oluşumu, kalsiyum klorür bakımından zengin çökeltilerdeki tuzlu su oluşumuna bağlanmıştır¹.

Bu sonuçlar, -30 °C ile 15 °C arasındaki düşük sıcaklıkları ve %20 ile %40 arasındaki bağıl nemi simüle eden laboratuvar deneyleriyle de ^{doğrulanmıştır2}. Şili'deki Atacama Çölü'nün aşırı kurak çekirdeğindeki Yungay bölgesindeki klorür içeren evaporitler suyu emebilir ve mikrobiyal yaşamı barındırabilir³. DJP'de ve Atacama Çölü gibi Dünya'nın en kurak yerlerinde meydana gelen süreçler, günümüz Mars'ında da benzer süreçlerin olabileceğini düşündüren^{Mars çalışmalarının birçoğuna} benzer olabilir: 1,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ^,14,15,16. Salar de Uyuni'nin (Bolivya Altiplano) son uzaktan algılama gözlemleri, Mars'ta^{yörünge 17'den} gözlemlenenlere benzer bir süreci tanımladı. Zorlu koşullara rağmen, sıvılaşmaya dayalı tuzlu su oluşum süreci, bakteri kolonilerinin tuz nodüllerinin^{derinliklerinde} gelişmesine izin verecek kadar büyük miktarlarda sıvı suyu sürdürebilir 3. Bu, astrobiyologların ve gezegen bilimcilerinin ilgisini çekiyor.

Mars regolitindeki sıvılaşan tuzlar tarafından atmosferik nemin günlük absorpsiyonu ve desorpsiyonu bildirilmiştir ^4,5. Mars'ta bulunan perkloratların tuzlu su oluşum süreci, tek tek tuz parçacıklarının ^1,9,18 faz veya hidrasyon durumundaki değişiklikleri gözlemleyerek zaten incelenmiştir. Mars ile ilgili tuzların ve tuz karışımlarının sıvılaşma ve çiçeklenme geçireceği bağıl nem değerlerini belirlemek için Mars ile ilgili koşullar altında tuzlu suyla ilgili farklı çalışmalar da yapılmıştır 19,20,21. Diğerleri bu deney koşullarını, Mars sıcaklığında, bağıl nemde ve karbondioksit atmosferinde tuzlu suların buharlaşma oranlarını incelemek için kullandılar²².

Tuzlu su oluşumu tespiti ve izleme yöntemleri
Tuzlu su oluşum sürecini izlemek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Görünür dalga boylarındaki görsel gözlem ve görüntüler en basit olanlardır. Kütle artışını izlemek için tuzların tartılması iyi bir şekilde kullanılabilir²³. Gözlemleri doğru bir şekilde yorumlamak için genellikle sıcaklık, bağıl nem ve basınç gibi çevresel parametreler izlenir. Bazı çalışmalarda bir higrometre kullanılmıştır. Tuzların higroskopik özellikleri, diferansiyel hareketlilik analizörleri veya elektrodinamik teraziler ile de ölçülebilir, ancak çalışmaları, %90'lık bağıl nemin ötesinde yeterince doğru ^değildir.24. Son zamanlarda yapılan çalışmalarda, transmisyon ve taramalı elektron mikroskopları (TEM ve SEM) yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu mikroskopların her ikisi de suyun bireysel tuz parçacıkları ile etkileşimini incelemeyi sağlayan çevresel hücrelere sahiptir²⁴. Bireysel tuz parçacıklarındaki faz değişimleri ve geçişleri genellikle deney düzeneğine dahil edilen optik, kızılötesi (IR) veya Raman spektroskopisi ile tespit edilir ^{8,13,19,20,25}. Mevcut spektroskopik yöntemler, iyi gözlem limitleri ve faz değişikliklerinin net bir şekilde tespit edilmesini sağlar, ancak yığın tuz numunelerinin izlenmesi ve faz geçişlerinin ara aşamaları boyunca tuzlu su oluşum sürecinin sürekli izlenmesi için uyumlu değildir. Ayrıca, 'Raman mikroskobu' gibi lazer tabanlı mikroskobik cihazlar pahalıdır ve karmaşık bir deney kurulumu gerektirebilir.

Ölçüm tekniği olarak elektriksel iletkenliği kullanıyoruz. Tuzların sıvılaşmaya maruz kaldığı bağıl nemi belirlemek için yapılan ölçümler, türetilen değerlerin standart bir higrometre²⁶ kullanılarak belirlenenlerle iyi bir uyum içinde olduğu elektriksel iletkenlik kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sıvıyan tuzların tuzlu su oluşum sürecinin zaman serisi, daha önce Heinz ve ^ark.27 tarafından elektriksel iletkenlik kullanılarak incelenmiştir. Burada, JSC Mars-1a simülatörü ve perkloratlar veya klorürlerin bir karışımını kullandılar. Elektriksel iletkenlik tekniği, topraklardaki sıvı veya donmuş suyu tespit etmek için de kullanılmıştır^28,29. Bu yöntemin avantajı, iki elektrot arasındaki boşlukta bulundukları sürece hem küçük hem de orta büyüklükteki numunelere uygulanabilmesidir.

Bu protokol, vakumda sıcaklık ve bağıl nemin kontrol edilmesini veya Mars ve diğerleri gibi dünya dışı atmosferlerin simüle edilmesini içeren benzer deneyler tasarlamak için yararlı olabilir.

Şekil 1: Deney düzeneğinin oluşturulması. Elektrotlar, ölçüm devreleri ve bir Arduino gibi ana bileşenlerden oluşan basit bir elektriksel iletkenlik ölçüm kurulumunu gösteren bir blok diyagram. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tuzlu suların elektriksel iletkenliği, Şekil 1'de gösterildiği gibi basit ve ucuz bir kurulumla ölçülebilir. Kurulumu oluşturmak için belirli ürünler Malzeme Tablosunda verilmiştir. Düzenek, esas olarak, çalışma için tuz veya tuz karışımlarının yerleştirildiği bilinen bir mesafe ile ayrılmış, aynı boyutlarda bir çift metal elektrottan oluşur. Tuzların sıcaklığını ölçmek için bir PT1000 direnç sıcaklık dedektörü kullanılabilir. Elektrotların düz uçlarından biri, blendajlı bir koaksiyel kablonun her bir terminaline lehimlenebilir. Benzer şekilde, sensörün iki terminali başka bir blendajlı koaksiyel kabloya lehimlenebilir. Bu koaksiyel kabloların her birinin diğer uçları, sırasıyla elektriksel iletkenliği ve sıcaklığı ölçmek için devrelere bağlanabilir. Verileri almak ve depolamak için bir Arduino kartı ve basit bir seri veri monitörü kullanılabilir.

Bu deney bağlamında, 2022'de Mars'a uçacak olan Uçuş Modeli'nin (FM) en yakın kopyası olan HABIT/ExoMars 2022 cihazının Mühendislik Yeterlilik Modeli'ni (EQM) kullanıyoruz. HABIT, HabitAbility: Tuzlu Sular, Işınlama ve Sıcaklık anlamına gelir. ExoMars 2022 Yüzey Platformu Kazachok'taki iki Avrupa yükünden biridir ve Mars'taki iniş sahası Oxia planum'daki yaşanabilirlik koşullarını inceleme hedefine sahiptir. Tuzlu Su Gözlem Sıvıya Geçiş Deneyi (BOTTLE), Mars^31'deki sıvı su stabilitesini göstermek amacıyla HABIT cihazının bileşenlerinden biridir. Burada açıklanan protokol, Mars sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit atmosferi³¹ koşulları altında tuzlu su oluşumunun bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik ölçümlerini kalibre etmeye hizmet eder. Bu, Mars'taki sıvı tuzlu su oluşum sürecinin tespitine yardımcı olan BOTTLE'ın kalibre edilmiş elektriksel iletkenlik ölçümlerini almak için uygulanır ve bu da birincil görev hedeflerinden biridir¹⁸. Kalibrasyon derken, burada deney düzeyinde kalibrasyona atıfta bulunuyoruz. Cihaz düzeyinde kalibrasyon, her bir elektrot çiftinin geometrik hücre sabitlerinin belirlenmesi ve bilinen elektriksel iletkenlik^31'in kalibrasyon standartları ile gerçekleştirilir.

1. Elektriksel iletkenliğin ölçülmesi için deney düzeneğinin oluşturulması

1. Elektrotların boyutlarını ve elektrot çifti arasındaki mesafeyi seçin. Elektrotların boyutları, numune kabının boyutlarına ve dolayısıyla kullanılan tuz miktarına bağlıdır. Aşağıda belirtilen HABIT BOTTLE kap boyutları, numune kabı için referans olarak alınabilir ve tuz miktarına Adım 2.1'den itibaren başvurulabilir. Geometrik hücre sabiti denklem (1)'den türetilebilir.
   (1)
   nerede, d - elektrot çifti arasındaki mesafe ve
   A - Elektrotların alanı (= Uzunluk x Genişlik).
   Geometrik hücre sabiti, K, ölçüm düzeneğinin hassas olduğu elektriksel iletkenlik aralığına karar verir. Örneğin, K = 1 ^cm-1 5 - 200, 000 μScm-1 aralığında ölçüm yapabilirken, K = 10 ^cm-1 10 μScm-1 - 1 ^Scm-1 aralığında ölçüm yapabilir. Çeşitli seviyelerde elektrot çiftleri olabilir. Malzeme seçimi bakır, platin, altın vb. Olabilir. İsveç'te bulunan Omnisys Instrument AB'nin İsveç tesisinde, tuzlu su ortamında doğru akım (DC) geçiren altın ve platin elektrotlarla yapılan uzun süreli deneyler, bu işlem için daha iyi korozyon direnci açısından altın elektrotların tercih edildiğini göstermiştir.
   NOT: HABIT, 25 mm x 15 mm x 15 mm (U x G x Y) boyutlarında bir kap içinde ayrılmış üç seviyede (iki köşe hücresi yalnızca düşük ve orta elektrot çiftleriyle ölçülür) altı farklı tuzu inceleme imkanı olan toplam 16 elektrot çiftine sahiptir. ŞİŞE üç seviyeli elektrot çifti kullanır: Düşük: 1.6 x 0.4, Orta: 1.6 x 0.2, Yüksek: 1.6 x 0.2, 2.5 cm'de ayrılmış, 3,9062 ^cm-1 ve 7.8125 ^cm-1'lik bir hücre sabiti üretir. Ölçümler bir optik ölçüm sistemi (örneğin, Mitutoyo MF 176) kullanılarak gerçekleştirildi.
2. Şekil 1'de gösterildiği gibi çalışmak için tuzları tutmak için düz yüzeyli bir kap hazırlayın. Kap boyutu, elektrotların geometrik boyutlarına ve tuzların yerleştirildiği elektrot çifti arasındaki mesafeye bağlı olarak seçilebilir. Birden fazla kapsayıcı yapılandırması uyarlanabilir. Kaplar PLA'da 3D olarak basılabilir veya tercihen alüminyum veya başka bir metal ile frezelenebilir, duvarlardan buhar veya sıvı sızıntısı olarak su kaybına karşı korunmalıdır.
3. Epoksi 2216 reçine kaplamayı hazırlayın ve kap(lar)ın duvarlarına uygulayın. Kuruması için bir saat bekletin ve kaplanmış kap(lar)ı 66 °C'de 2 saat sertleştirin.
   NOT: Epoksi kaplama bir çözücü içinde çözülebilir ve en iyi sonuçlar için püskürtülebilir.
4. Elektrot çiftini kap(lar)ın karşı duvarlarına yerleştirin ve bunları önceden uygulanmış epoksi 2216 reçinesi ile yapıştırın.
5. Uzun blendajlı bir koaksiyel kablo kullanın ve bir taraftaki uçları bir çift halinde elektrotun her birinin temas noktasına lehimleyin.
6. Blendajlı koaksiyel kablonun diğer ucunu elektriksel iletkenlik ölçüm devresinin iki terminaline bağlayın.
   NOT: Basit bir elektriksel iletkenlik ölçüm devresi, belirli bir frekansta elektrik darbeleri üretmek için bir AC voltaj kaynağına ve diğer terminal elektrot çifti boyunca voltaj düşüşünü okumak için bir voltaj bölücü devresine olacak şekilde inşa edilebilir. Arduino'nun dijital çıkış pinleri, gerekli AC voltajını oluşturmak için Darbe Genişliği Modülasyonlu (PWM) modunda kullanılabilir. AC voltajı, elektrotların korozyonunu önlemek için kullanılır. Elektrot çifti boyunca voltaj düşüşü, dahili 10 bit analog-dijital dönüştürücü (ADC) ile Arduino'nun analog giriş pinleri ile de ölçülebilir. Diğer ticari devreler de mevcuttur.
7. Benzer şekilde, PT1000 Direnç Sıcaklık Dedektörünü (RTD) kap(lar)ın duvarlarından birine yapıştırmak için termal macun kullanın.
8. Bir tarafı PT1000 sensörünün iki terminaline ve diğer tarafı bir sıcaklık ölçüm devresine bağlamak için başka bir uzun blendajlı koaksiyel kablo kullanın.
   NOT: Basit bir sıcaklık ölçüm devresi, dahili 10 bit analog-dijital dönüştürücü (ADC) ile Arduino'nun analog giriş pinleri ile ölçülebilen PT1000 sensöründeki voltaj düşüşünü okumak için bir terminali bir DC voltaj kaynağına ve diğer terminali bir voltaj bölücü devresine olacak şekilde inşa edilebilir. Diğer ticari devreler de mevcuttur.
   1. HABIT cihazını deney düzeneğine hazırlamak için, BOTTLE bileşeni ile Elektronik Ünite (AB) arasındaki kablo bağlantısını ayırın. Ardından, altı açık hücreyi ortaya çıkarmak için üst kapağı ve HEPA filtre tutucusunu çıkarmak için ŞİŞER'in 8x M3 cıvatalarını sökün. Çalışmak için tuzları beslemeden önce, herhangi bir partikül veya sıvıdan arındırmak için tercihen bir elektrot temizleme solüsyonu ve steril bir pamuklu çubuk kullanarak ŞİŞER'in hücrelerini ve elektrotlarını temizleyin.
   2. Her bir elektrot çifti için kalibrasyon fonksiyon katsayılarını belirlemek için bilinen elektriksel iletkenlik değerlerine sahip bir dizi kalibrasyon standardı kullanarak, tuzları beslemeden önce kurulumun elektriksel iletkenlik ölçümlerinin kalibrasyonunu gerçekleştirin. BOTTLE bir termal vakum odasında vakum koşullarına maruz kaldığında ve sistemin mutlak sıfır elektrik iletkenliği olarak 25 °C'de tutulduğunda 0.0364 ^μScm-1'lik (sıfır veya kuru nokta olarak) elektriksel iletkenlik ölçümünü kullanın. Ayrıca, denklem (2)'de gösterildiği gibi iki noktalı bir kalibrasyon fonksiyonu türetmek için iki kalibrasyon standardı kullanın: 84 ^μScm-1 ve 1413 μScm-2.
      (2)
      nerede, _{σ kalibre edilmiş} - Kalibre edilmiş gerçek elektrik iletkenliği,
      σ_ölçüldü - Ham ölçülen elektriksel iletkenlik ve
      a_{2,a 1,a 0} - Polinom sabitleri
   3. Gerçek bir elektriksel iletkenlik ölçümü elde etmek için kurulum tarafından ölçülen ham elektrik iletkenliğini türetilmiş kalibrasyon işlevine yerleştirin.
      NOT: İlk kalibrasyon, sistemin sıcaklığı 25 °C'de tutulurken gerçekleştirilir. Ancak deney sırasında sıcaklık değiştikçe elektriksel iletkenlik değerleri de değişmektedir. Farklı sıcaklıklarda sıcaklık ve elektriksel iletkenlik fonksiyonlarını türetmek karmaşık hale geldiğinden, sıcaklık verilerini yalnızca tuzlu suyun faz durumunu belirlemek için kullanırız. Nazarious ve ^ark.31 bu konuyu ayrıntılı olarak tartışmıştır.

2. Eriyen tuz numunelerinin manipülasyonu

1. Çalışma için düşünülen belirli bir miktarda tuz veya numuneyi tartın. Dört farklı tuzun her birini 1.5 g tarttık: kalsiyum-klorür CaCl₂, ferrik-sülfat Fe₂ (_S04) ₃, magnezyum-perklorat Mg (ClO₄) ₂ ve sodyum-perklorat NaClO₄ayrı kaplarda.
   DİKKAT: Bazı tuzlar, özellikle perkloratlar aşındırıcıdır ve bu nedenle cilt veya göz ile herhangi bir temastan kaçınılmalıdır.
   1. Tuzları tutarken uygun kimyasal giysiler, gözlükler ve nitril eldivenler kullanın. Cilt veya göz ile teması halinde derhal bol su ile yıkayın ve bir doktora danışın.
      NOT: Tuzlara ek olarak, dört kabın her birine tuzlu 0.75 g sodyum tuzu aljinik asit (Süper Emici Polimer, SAP) ekledik ve homojen bir tuz-SAP karışımı elde etmek için iyice karıştırdık. Tuzlu suyun kılcallık ile yükselmesini ve uçuş modeli cihazından kaçmasını önlemek için bir güvenlik önlemi olarak SAP'yi katılaştırıcı bir ajan olarak kullandık. Tuzlar atmosferik ortamdan gaz halindeki suyu emerken, SAP sıvı haldeki suyu, tuzlarla temas ettiğinde sıvı tuzlu sudan emer. SAP'nin eklenmesi, yalnızca tuzları Dünya koşullarında (2022'de ExoMars'ın piyasaya sürülmesinden önce) depolamak için mühendislik sınırlamalarından kaynaklanıyordu ve deneyin kendisi için daha az anlam taşıyordu. Sonuç olarak, elektriksel iletkenlik ölçümü, beklenen tuz+SAP+su karışımından elde edilen bir sonuçtur. Bu deneyin amacı, tüm sistemdeki suyun emilimini izlemek olduğundan, tuz + SAP'nin kuru halinden hidratlı hallere kadar elektriksel iletkenlikteki değişikliklerin yorumlanması için uygun kabul edilir. Kalibrasyon prosedürü aynı tuz + SAP kombinasyonu için de gerçekleştirilmiştir.
   2. HABIT / ExoMars cihazının BOTTLE bileşeninin uçuş modeli için kullanılan aynı tuz ve SAP karışımlarını ve ağırlıklarını kullanın.

3. Tuz örneklerinin deney düzeneğinde beslenmesi

1. 2. adımda önceden tartılan tuzun tamamını dikkatlice deney kabına/kaplarına aktarın.
   NOT: Daha önce tartılmış tuz-SAP karışımı, aşağıdaki sırayla BOTTLE'ın dört hücresine dikkatlice aktarıldı: Hücre-2: kalsiyum-klorür CaCl₂, Hücre-3: ferrik-sülfat Fe₂ (_S04) ₃, Hücre-4: magnezyum perklorat Mg (ClO₄) ₄, Hücre-5: sodyum-perklorat NaClO₄. Hücre-1 ve Hücre-6 boş bırakıldı.
   1. BOTTLE'ın uçuş modelinde de aynı sırayı takip edin, bu nedenle bu konfigürasyon ve deney, Mars'taki operasyonunun kalibrasyonu ve yorumlanmasına yöneliktir.
2. Tuzların üst yüzeyini elektrotları kaplayacak şekilde düzleştirin. Bu kriteri elde etmek için tuz miktarını seçin.
   NOT: ŞİŞE'nin her bir tuz-SAP karışımı toplamda 2.25 g ağırlığındaydı ve her hücredeki düşük elektrotu kaplıyordu. Bu miktar, oluşan tuzlu suyun taşmaması için seçilmiştir.
3. Kap(lar)ın üstünü kaplamak için bir HEPA filtresi kullanın. Bu, tuzların simüle edilen ortamın ortam bağıl nemi ile etkileşimine izin verecektir.
   NOT: ŞİŞE içerisindeki tuz-SAP karışımlarını kaplamak için tutucu çerçeveli naylon esaslı HEPA filtre kullanılmış ve ŞİŞERE üst kapağı 8x M3 civata ile sabitlenmiştir.

4. Deney düzeneğinin simülasyon odasına kurulması

1. Deney kaplarını simülasyon odasına³² yerleştirin. Odanın çalışma masası ile kap(lar) arasında iyi bir termal temas olduğundan emin olun.
2. Elektriksel iletkenlik ve sıcaklık ölçüm devresini odanın dışına yerleştirin. Bu, devrelerde ölçümleri tehlikeye atabilecek sıcaklık kaynaklı gürültüleri önleyecektir.
3. Simülasyon odasının bir ara konektörü aracılığıyla ölçüm devreleri ve kap(lar) arasındaki güç ve veri bağlantısını yapın.
   NOT: BOTTLE, AB'nin 2x DB-9 konektörleri için odanın iç DB-25 konektörüne özel bir bölünmüş kablo kullanır. Bölünmüş kablo, bu amaca özel özelleştirilmiş bir güç ve veri bağlantı kablosudur. Odanın DB-25 konektörünün dışından, güç bağlantılarına sahip başka bir bölünmüş kablo bir DC güç kaynağına ve 2x USB veri bağlantısı HABIT EQM LabView yazılımının kurulu olduğu bir dizüstü bilgisayara takıldı.

5. Simülasyon odasının kontrolleri

Şekil 2: Simülasyon odasının kontrolleri³². Mars simülasyon odasının sıcaklık, bağıl nem ve karbondioksit basıncını kontrol etmek için çeşitli sistemleriyle temsili. Güç ve veri bağlantı çıkışları da gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. Çalışma masasının sıcaklığının 20 °C ile -30 °C arasında tutulması
   NOT: Çalışma masasının sıcaklığı, Şekil _2'de gösterilen protokole göre sıvı nitrojen (LN 2) geçiş sistemi kullanılarak düzenlenir. Başlangıçta oda, laboratuvar ortam sıcaklığında tutulur.
   1. LN₂ akışı için vanayı açın. Sıcaklık düşmeye başlayacaktır.
   2. Geri besleme kontrol cihazında istenen sıcaklığı ayarlayın. Çalışma masasına takılan PT100 sıcaklık sensörü, bir geri besleme döngüsü görevi görür.
   3. İstenen sıcaklığa ulaşıldığında, LN₂ akışını kapatmak için vanayı kapatın.
2. Karbondioksit basıncının korunması
   1. Hazne içindeki basınç vakum okuyana kadar vakum pompasını AÇIN.
   2. Hazne vakuma girdikten sonra, vakum pompasını KAPALI konuma getirin ve hazneye 7-8 mbar basınca ulaşana kadar CO₂ gazı enjekte edin.
3. Bağıl nemin korunması
   1. Hazneye takılan paslanmaz çelik bir Swagelok şırınga kullanarak suyu 0,5 mL'lik artışlarla enjekte edin. Bu, bağıl nemi kademeli olarak artıracaktır.
      NOT: Şırınga sırayla bir küresel vanaya bağlanır, böylece şırınga birden çok kez su enjekte etmek için kullanılabilir.
   2. Basıncın sınırlar içinde olduğundan emin olun. Aksi takdirde, valfi ayarlayarak basıncı boşaltın.

6. Elektriksel iletkenlik ve bağıl nem deneyi

Şekil 3: Elektriksel iletkenlik ve bağıl nem deneyi. Bağıl nemin bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik ilişkisini türetmek için kalibrasyon deneyini gerçekleştirmek için deney protokolünün adımları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. Haznenin içindeki tüm havayı boşaltmak için döner vakum pompasını AÇIN. Hazne içindeki basınç ^10-3 mbar mertebesine düşecektir.
   NOT: Bağıl nem sıfıra yakın olacaktır. Odanın çalışma masasının ortam sıcaklığı yaklaşık 20 °C'dir. Basınç azaldıkça elektriksel iletkenlikte ve ŞİŞE sıcaklığında (sıvılaşma ekzotermik bir reaksiyondur) bir artış olabilir.
2. 7 ila 8 mbar arasında bir basıncı korumak için karbondioksit atmosferini gaz silindirinden dikkatlice enjekte edin.
3. Çalışma tablası sıcaklığını, kap sıcaklığını ölçen PT1000'in 20 °C kaydedeceği şekilde belirli bir değere ayarlayın.
4. Dengeyi sağlamak için 5 °C'de yaklaşık 20 dakika bekleyin ve 7. adımı izleyerek veri toplamaya başlayın.
5. Şırınga sistemini kullanarak haznenin içine yavaşça su enjekte edin ve bağıl nemi% 10'da tutun ve dengeyi sağlamak için 5 dakika bekleyin. Bağıl nem artarken basınç yükselirse, ekstra atmosferi gidermek için döner vakum pompası valfini ayarlayın.
6. Yavaşlama bağıl nemi %20, %30, %40, %50, %60, %70, %80, %90 ve %100'e yükseltir. Her bağıl nem değerinde, dengeyi sağlamak için yaklaşık 5 dakika koruyun ve 7. adımdan sonra veri toplamaya başlayın.
   NOT: Bu, Şekil 3'te gösterilen protokole göre bir dizi kalibrasyon deneyini sonuçlandırır.
7. Tuz numunesi şimdiye kadar tuzlu suyu oluşturmuş olabilir. Tuz örneklerini kap(lar)dan atın.
8. 8. adımı takip eden bir sonraki deney için tuz örneklerini yenileyin.
9. Benzer şekilde, kap sıcaklığını 15 °C, 10 °C, 5 °C, 0°C, -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C ve -30 °C'de tutmak için çalışma tablası sıcaklığını düşürün. Her durakta, tuz numunelerinin elektriksel iletkenliğinin ölçümünü yapmak için 6.5 ila 6.8 arasındaki adımları tekrarlayın.
   NOT: Bir güvenlik özelliği olarak, -33 °C'nin altında, ŞİŞE ısıtıcısı -30 °C ile -33 °C arasındaki bir sıcaklığı korumak için devreye girecektir. Bu nedenle -30 °C'ye kadar deneyler yaptık. Ancak daha düşük sıcaklıklar için gitmeyi seçebilir.
10. En soğuk sıcaklık olan -30 °C'den ortam sıcaklığına yükselmek, deneyin kapatılması, vakumun serbest bırakılması ve odanın ön kapısının açılması, laboratuvar ortam havasının karışmasına ve doğal olarak kap sıcaklığının artmasına izin vererek sağlanabilir. Ek veriler için, odanın içindeki sıcaklığın doğal olarak artmasına izin verilmesi seçilebilir. Yine de çok yavaş bir süreç olacak ve 7-10 saatlik siparişler alabilir.

7. Verilerin günlüğe kaydedilmesi ve kaydedilmesi

1. Arduino'nun yerleşik seri monitörünü veya üçüncü taraf bir seri monitör yazılımını (örneğin, m Teraterm, Realterm, vb.) kullanın.
2. Arduino'yu sürekli bir saat boyunca 1 Hz frekansında ölçüm devrelerinden okuyacak ve ardından her saatin ilk 5 dakikasını okuyacak şekilde yapılandırın. Bu, 9. adımda açıklanan Marian gündüz-gece simülasyonu için geçerli olabilir.
3. DC güç kaynağı voltajını ölçüm devreleri için belirtildiği gibi ayarlayın.
   NOT: HABIT'in güç kablosu 28 V'luk bir DC güç kaynağına ve 2x USB veri bağlantısı HABIT EQM LabView yazılımının kurulu olduğu bir dizüstü bilgisayara bağlanır. Yazılımın yalnızca Windows 10 desteği vardır.
4. Veri bağlantısı için seri COM portuna girin ve Arduino programını çalıştırın.
   NOT: Doğru COM bağlantı noktalarını belirlemek için Aygıt Yöneticisi'ne bakın.
5. İlk 100 saniye için veri alın ve seri monitörü kapatarak veri alımını durdurun. Verileri Arduino seri monitör penceresinden kopyalamayı unutmayın.
6. Bir metin düzenleyici açın ve kopyalanan verileri MATLAB veya Python kullanarak daha kolay .txt son işleme için .csv veya veri dosyası biçiminde kaydetmek üzere yapıştırın.
   NOT: Üçüncü taraf yazılımlar otomatik kaydetme işlevine sahip olabilir.
7. Veri dosyasını, deneme açıklamasıyla eşleşecek şekilde adlandırın.
8. Bir sonraki veri toplama seti için, önce DC güç kaynağını KAPATIP AÇARAK deney kurulumunu kapatıp açın ve 7.3 ila 7.7 arasındaki adımları tekrarlayın.
   1. HABIT EQM LabView yazılımı için: Ana sekmesinde, her biri USB veri bağlantılarından birine karşılık gelen iki COM bağlantı noktası COM Bağlantı Noktası 1 ve COM Bağlantı Noktası 2'yi girin. 1 Hz frekansında veri alımı için Bağlan'a ve ardından Başlat'a tıklayın. İlk 100 saniye için verileri kaydedin.
   2. Hata Ayıklama sekmesine tıklayarak alınan verileri görüntüleyin ve Gerçek zamanlı veri görünümünde Aç'ı açın. Bu, her biri HABIT cihazının farklı ölçümlerine karşılık gelen birden fazla sekme içeren yeni bir pencere açacaktır. Bu deney için sekmelerle ilgileniyoruz: "Hücre 2", "Hücre 3", "Hücre 4", "Hücre 5", "AB Sıcaklığı" ve "CU Sıcaklığı". Veriler, dizüstü bilgisayarın "C: \ LABVIEW \ Data" klasörüne HEX formatında "Log.txt" olarak kaydedilecektir. Yazılımın yeniden çalıştırılması, "Log.txt" dosyasındaki mevcut verilerin yerini alacaktır.

8. Tuz numunelerinin yenilenmesi

NOT: Bu adım, her yeni deney için kuru tuz numunelerinin tanıtılması için izlenir.

1. Deneyi durdurun ve kabloları dikkatlice ayırın ve deney kaplarını simülasyon odasından boşaltın.
2. HEPA filtresini ve tuz örneklerini kap(lar)dan dikkatlice çıkarın ve bunları biyolojik tehlike sızdırmaz ayrı torbalara koyun.
   NOT: Perkloratlar ve diğer tuzlar, akan su ile lavaboya veya genel atık bertarafına atılmak için güvenli değildir. Bunların biyolojik tehlike sızdırmaz torbalarda paketlenmesine ve kimyasal atık bertaraf normlarına göre imha edilmesine özen gösterilmelidir. Regolit numuneleri veya polimerler vb. gibi başka numuneler üzerinde çalışılırsa, atık ürünler, bu ürünlerin Güvenlik Bilgi Formu (SDS) tarafından önerildiği şekilde ele alınabilir.
3. Bir sonraki deney için kapları nazikçe temizleyin ve sıfırlayın.
4. Tuz örneklerini kap(lar)a doldurmak ve simülasyon odasına geri yerleştirmek için 2 ila 4 arasındaki adımları izleyin.

9. Mars'ta gündüz-gece döngüsünün simülasyonu

Şekil 4: Mars'ta bir gündüz-gece döngüsünün simülasyonu. Mars Sol simülasyonunu gerçekleştirmek için deney protokolünün adımları. Mars'ın gündüz-gece simülasyonu için bağıl nem, sıcaklık düşüşünden (gündüz-gece geçişi) önce başlangıçta %80'in üzerine ayarlandığından, 6. ve 7. adımların şekil 3'ten değiştirildiğini lütfen unutmayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. Gösteri deneyini ayarlamak için 2 ile 4 arasındaki adımları izleyin.
2. Deneyin veri günlüğünü ayarlamak ve her saat başı ilk bir saat ve ilk 5 dakika boyunca 1 Hz frekansında sürekli veri almak için 7. adımı izleyin.
   NOT: HABIT, iyi bir frekansta izlemek ve elektrotların alternatif akıma aşırı maruz kalmasını önlemek için bu tür bir program kullanır.
3. Odadaki Oxia Planum, Mars'taki çevresel koşulların simülasyonu
   NOT: Şekil 4'te gösterildiği gibi bu gösteri için İsveç'teki LuleşTeknoloji Üniversitesi'ndeki bir tesis olan SpaceQ Mars simülasyon odasını kullandık.
   NOT: Oxia Planum, ExoMars 2022'nin Mars'ta planlanan iniş alanıdır.
   1. Haznenin içindeki tüm havayı boşaltmak için döner vakum pompasını AÇIN. İçerideki basınç ^10-3 mbar mertebesine düşecektir.
      NOT: Bağıl nem sıfıra yakın olacaktır. Odanın çalışma masasının ortam sıcaklığı yaklaşık 20 °C'dir. Basınç azaldıkça elektriksel iletkenlikte ve kap sıcaklığında bir artış olabilir (sıvılaşma ekzotermik bir reaksiyondur).
   2. 7 ila 8 mbar arasında bir basıncı korumak için karbondioksit atmosferini gaz silindirinden dikkatlice enjekte edin.
   3. Bağıl nemi kademeli olarak artırmak için Swagelok şırıngasını kullanarak haznenin içine yavaşça su enjekte edin. Basınç gerekli sınırların ötesine çıkarsa, ekstra atmosferi gidermek için döner vakum pompası valfini ayarlamaya dikkat edin.
   4. Yaklaşık %80 bağıl nemde yaklaşık 7-8 mbar'lık karbondioksit atmosferik basıncını koruyun.
   5. Mars'ın gündüz-gece geçişini simüle etmek için çalışma masası sıcaklığını azaltmak için LN₂ geçiş sistemi değerini yavaşça açın. Çalışma masası sıcaklığındaki ve kap sıcaklığındaki olası farkı gözlemleyin.
      NOT: Sıcaklık düşüş hızı, LN₂ akış hızı ayarlanarak kontrol edilebilir.
   6. Kap sıcaklığı -30 °C'ye (-70 °C çalışma masası sıcaklığı) ulaşana kadar sıcaklığın düşmesine izin verin ve ardından LN₂ akışını kapatın.
      NOT: Bir güvenlik özelliği olarak, -33 °C'nin altında, ŞİŞE ısıtıcısı -30°C ile -33 °C arasındaki bir sıcaklığı korumak için devreye girecektir. Bu nedenle, deneyi -30 ° C'ye kadar çalıştırdık. Ancak daha düşük sıcaklıklar için gitmeyi seçebilir.
   7. Çalışma masası ve kap(lar) yavaş yavaş ortam laboratuvar sıcaklığına (gece-gündüz geçişi) ısınacaktır. Bağıl nem de muhtemelen artacaktır ve basınç da artacaktır. Fazla basıncı gidermek için döner vakum pompası valfini çalıştırmayı unutmayın.
      NOT: Burada, bağıl nem ile havadaki su buharı miktarını ilişkilendirmek istiyoruz. Bağıl nem sensörü havayı ölçtüğü için, nem içeriği ne kadar yüksek olursa, bağıl nemin de o kadar yüksek olduğunu söylemek mantıklıdır. Başlangıçta, çalışma tablası -30 °C'ye kadar donduğunda, su buharı tabla üzerinde yoğuşturulur ve dondurulur ve sıcaklık arttığında bu yoğuşan su, Mars basınçlarında buharlaşır ve bağıl nem sensörü tarafından havadaki nem olarak algılanır. Bu nedenle, ortam havası bağıl nemindeki değişiklikler, suyun durumundaki bir değişiklikten ve sıcaklık arttığında çalışma masasından havaya buhar olarak don salınmasından kaynaklanır.
   8. Kap sıcaklığı 20 °C'ye ulaştığında (çalışma masası sıcaklığına benzer), deneyi kapatın, vakumu serbest bırakın ve deney kurulumunu çıkarmak için odanın ön kapısını açın.

HABIT'te elde edilen veriler HEX formatındadır ve analiz edilmeden önce ASCII formatına dönüştürülür. Kalibrasyon deneyleri, çeşitli Mars sıcaklıklarında dört farklı tuz-SAP karışımının hidrat formlarına karşılık gelen elektriksel iletkenlik değerleri ile bağıl nem koşulları arasında bir ilişki kurmuştur. 25 ° C'deki ilişki, hava için Şekil 5A'da ve dört farklı tuz-SAP karışımı, kalsiyum-klorür CaCl₂- SAP, ferrik-sülfat Fe₂ (_S04) ₃ - SAP, magnezyum perklorat Mg (ClO_{4) 2} - SAP ve sodyum perklorat NaClO₄ için Şekil 5B-5 E'de gösterilmiştir.- Sırasıyla, SAP. Gözlemledik ve katalogladık: i) sıcaklığın bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik ölçümlerindeki değişkenlik ve ii) bağıl nemin bir fonksiyonu olarak havanın ve tuz-SAP karışımlarının elektriksel iletkenlik aralıkları. Bu bilgi, elde edilen elektriksel iletkenlik, sıcaklık ve bağıl nem koşulları göz önüne alındığında, Mars'taki BOTTLE operasyonundan elde edilen tuz-SAP karışımlarının hidrasyon seviyesinin yorumlanmasında çok önemli olacaktır.

Şekil 5A'da, hava için elektriksel iletkenlik ve bağıl nem arasında doğrudan bir ilişki gözlemledik. Oda içindeki bağıl nem, 0,5 mL'lik artışlarla su enjekte edilerek arttırıldığından, hava, Mars koşullarında olduğu gibi bağıl nemini artırdı. Elektriksel iletkenlik önemli ölçüde arttı. Alt elektrot, soğutulmuş masaya yakınlığı nedeniyle muhtemelen daha soğuktur, bu da daha yüksek RH ve daha yüksek EC'ye yol açar. Bu deney sırasında Mars basınçlarında verilen sıcaklık ve bağıl nem kombinasyonu için, ayrıca %59'luk bir bağıl nemde havanın maksimum elektriksel iletkenliğini (sıcaklığa göre telafi edilmemiş) kaydettik. Şekil 5B-5 E, dört tuz-SAP karışımının tümünün farklı derecelerde su yakaladığını göstermektedir. Kalsiyum Klorür ve Sodyum Perklorat için elektrik iletkenliğinde RH =% 0'dan kademeli bir artış ve Ferrik sülfat ve Magnezyum Perklorat durumunda% 40-50 civarında% bir artış gözlenmiştir. Tüm tuz-SAP karışımları, hazne içinde elde ettiğimiz maksimum değer olan %85'te maksimum değere sahipti.

Şekil 5: 25 °C'de bağıl nemin (%1 - %85) bir fonksiyonu olarak elektriksel iletkenlik.(A) Hava, (B) kalsiyum-klorür, (C) ferrik sülfat, (D) magnezyum-perklorat, (E) sodyum-perklorat elektriksel iletkenlikleri 10 tabanı ile log ölçeğinde gösterilmiştir. Elektronik Ünitesi (AB) ortalama 25.27 °C (Min: 24.12 °C, Maks: 25.95 °C) sıcaklık kaydetti, Konteyner Ünitesi (CU) su yakalamanın ekzotermikliğinin bir sonucu olarak 19.6 °C'den 32.91 °C'ye bir sıcaklık artışı kaydetti. Ortalama çalışma masası sıcaklığı 19.11 °C ve ortalama hava sıcaklığı 19.16 °C idi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bir tuzun elektriksel iletkenliği çeşitli faktörlere bağlıdır. Deneyin sonunda, ferrik sülfatın en az hidratlı olduğunu fark ettik (bkz. Şekil 7) ve elektriksel iletkenlik değerleri havadan daha düşüktü. Elektrotlar arasındaki elektriksel iletkenlik, tuz+SAP karışımı ile temas alanına da duyarlıdır. SAP dahil olmak üzere bazı granül malzemeler, nemli havadan daha iyi bir yalıtkan olabilir. Boş kaptaki hava, serbestçe hareket eden yeterli nem içeriğine sahipti ve bu da önemli bir elektriksel iletkenlik sinyali göstermek için emilen yeterli su açısından hiçbir katkısı olmayan ferrik sülfattan daha yüksek bir elektrik iletkenliğine (bkz. Şekil 5A) neden oldu (bkz. Şekil 5C). Şekil 5A'da görüldüğü gibi, elektrotlar arasındaki havanın bir noktada doymuş olduğunu ve sis oluşumuna izin verdiğini ve bir kısmının yanlarda yoğunlaştığını gösteren deneylerin sonunda boş kaplarda su damlaları da gözlemledik. Düşük elektrot iletkenliğinin olmaması, alt elektrotla temas eden tuz parçacıklarının tamamen donmuş olduğu (odanın çalışma masası ile doğrudan teması nedeniyle aletin altında en soğuk) ve elektriksel iletkenlik göstermediği anlamına gelebilir.

2021'in başlarında başarılı bir inişin ardından Mars'taki HABIT operasyonunun bir gösteri uygulaması olarak, ExoMars 2022 görevinin planlanan iniş alanı olan Oxia Planum'daki çevre koşullarının bir Sol'unu simüle ettik. Elde edilen sonuçlar, Mars'taki BOTTLE operasyonunun gündüz-gece döngüsünü taklit ediyor ve ilgili koşullarda ilk elden veri sağlıyor. Şekil 6, Mars'ın gündüz-gece döngüsünün simülasyonu sırasında, tüm tuz-SAP karışımlarında sıvılaşmanın gözlemlendiğini göstermektedir. Şekil 6C-6 F, sırasıyla dört farklı tuz-SAP karışımı, kalsiyum-klorür CaCl₂- SAP, ferrik-sülfat Fe₂ (SO_{4) 3} - SAP, magnezyum perklorat Mg (ClO_{4) 2} - SAP ve sodyum perklorat NaClO₄- SAP'nin elektriksel iletkenlik değerlerini göstermektedir.

Şekil 6: Mars Sol simülasyonunun kalibre edilmiş elektriksel iletkenlik ölçümleri. (A) Basınç ve bağıl nem, (B) yer ve hava sıcaklığı, (C) kalsiyum klorür, (D) demir sülfat, (E) magnezyum-perklorat, (F) sodyum-perklorat elektriksel iletkenlikleri (10 tabanlı log ölçeğinde) ve (G) Elektronik Birim (AB) ve Konteyner Birimi (CU) veya ŞİŞE sıcaklıkları gösterilmiştir. Daire içine alınmış sayılara sahip dikey çizgiler, simülasyonun çeşitli aşamalarını gösterir. 0-1: Sabit sıcaklıkta 7-8 mbar basıncı korumak için vakum ve karbondioksit enjeksiyonu elde etmek için hava pompalama, 1-2: sabit sıcaklıkta bağıl nemi artırmak için su enjeksiyonu, 2-3: sıcaklığı düşürmek için çalışma masası soğutma AÇIK (gündüz-gece geçişi), bağıl nem düşüşü ile birlikte ve 3-4: sıcaklığı artırmak için çalışma masası soğutma KAPALI (gece-gündüz geçişi), bağıl nem artışı eşliğinde. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Elektriksel iletkenlikteki ilk artış, bağıl nem yüksek kalırken hızlı basınç düşüşüne bağlanabilir, bu da su yakalama sürecini hızlandırır ve ardından karışımda kalan suyun dışarı atılmasıyla sonuçlanır. Bu aynı zamanda tuzlar tarafından su yakalama işleminin ekzotermikliği ile de tutarlıydı. Elektronik Ünitesi (AB) ve BOTTLE'daki sıcaklık artışı, hızlı bir basınçsızlaştırma (sabit hacim altında) ve tuz-su etkileşiminin ekzotermik davranışının bir kombinasyonu olabilir. Saat 13:00 civarında gözlemlenen basınç düşüşü, çalışma masasındaki en düşük sıcaklığa ulaşılmasıyla ilişkilendirilebilir ve bu da bağıl nemde küçük bir yükselme ile aynı zamana denk gelir. Daha düşük sıcaklıklarda, çalışma masası su damlacıklarını donduran bir su lavabosu gibi davrandı ve bu nedenle havanın bağıl nemi düşüktü. Mars'ın gündüz-gece geçişinin bu aşaması sırasında, elektriksel iletkenlik eğrilerinde daha az önemli işaretler vardı. Ancak, gece-gündüz geçişi sırasında, sıcaklık arttığında ve bağıl nem de arttığında, tuz-SAP karışımı, deneyin sonraki bölümünde elektriksel iletkenlikteki artışın da gösterdiği gibi suyu istikrarlı bir şekilde yakalamaya başladı. Nihai elektriksel iletkenlik değerleri, Şekil 7'de gösterildiği gibi dört tuz-SAP karışımının her biri tarafından su yakalama derecesini göstermiştir. Tuz-SAP karışımlarının tamamı su yakalamış ve özellikle kalsiyum-klorür tuzu-SAP karışımı sıvı tuzlu su üretmiştir. CaCl₂ tuzlu suyunun ̴100 μScm-1'lik maksimum elektriksel iletkenlik değeri literatür³¹ ile uyumludur.

Şekil 7: Tuz-SAP karışımlarının görüntüleri. (A) Mars Sol simülasyonundan önce ve (B) sonra. Soldan sağa: Her tuzda 0,75 g SAP ile 1,5 g kalsiyum-klorür, ferrik sülfat, magnezyum-perklorat, sodyum-perklorat başlangıç koşulları. Sol köşedeki kalsiyum-klorür sıvı tuzlu su üretti ve ayrıca ̴100 μScm-1'lik ilgili elektriksel iletkenlik değerlerini gösterdi. Diğer tüm tuz-SAP karışımları da görüntülerde ıslak göründüğü gibi önemli miktarda su yakaladı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu, vakum veya Mars basıncı koşullarında tuzlu su oluşum sürecinin elektriksel iletkenliğini karakterize etmeye yönelik ilk girişimdir. Bu deneyin temel unsuru, tuzları incelemek için Mars simülasyon odası ile Mars'ın gündüz-gece döngüsünü simüle etmektir. Tuz sıvılaşmasının sonuçları temsili bir sonuç olarak gösterilirken, Mars ortamını simüle etmek için gerekli koşulların elde edilmesine daha fazla odaklanılır. Bu ilk deneyle, el yazmasının tartışma bölümünde belirtildiği gibi odanın sürecini ve sınırlamalarını şimdi anlıyoruz. Gelecekteki deneylerde, Mars'taki işlemle ilgili çeşitli bilim deneyleri için bu protokolü takip edeceğiz. Daha önceki çalışmalarda, ortam laboratuvar basınçlarında elektriksel iletkenlik ölçümleri gerçekleştirilmiştir 27,28,29. Daha düşük basınçlarda ölçüm yapmak bir zorluk teşkil eder ve bu nedenle Toprak basıncı koşulları için kullanılan protokolde bir değişiklik yapılmasını gerektirmiştir. Ortam basınçları altında bir iklim odasında önceki bir kalibrasyon kampanyası sırasında, farklı Mars sıcaklıklarında elektriksel iletkenlik ile tuz hidrat formu arasındaki ilişkiyi türetmek için her bir deney setinden önce, belirli miktarlarda tuz ve su eklenerek farklı hidratlar hazırlandı³¹. Ancak, Mars basınçlarıyla, hidrat oluşturmak için kullanılan ilave su, basıncı düşürürken sonunda gazdan çıkacaktır, bu nedenle her deneye kuru bir tuz-SAP karışımı ile başladık ve çeşitli hidrat formlarından geçiş yapmak için bağıl nemi düzenledik.

Raman spektroskopik yöntemleri kullanılarak tuzlu su oluşum sürecini izleyen geçmiş çalışmalar, genellikle bir çevresel hücredeki tuz partikülünün ayrı bir granülü ile gerçekleştirilmiş ve Raman spektrumlarının OH gerilme bölgesindeki faz geçişlerini gözlemlemiştir ^1,9,18. Tuzlu su oluşum prosesinin elektriksel iletkenlik karakterizasyonunun, ara faz geçişlerine mevcut Raman spektroskopisinden daha hassas olduğu kabul edildi ve tuzlu su oluşum prosesinin sürekli bir zaman serisini sağladı²⁷. Deneylerimizden, elektriksel iletkenliği iyi bir hassasiyetle dökme tuz numuneleri için uygun bir ölçüm seçeneği olarak da gösterdik.

HABIT cihazı için elektriksel iletkenlik ölçüm sisteminin tasarımı sırasında çözmemiz gereken zorluklarla karşılaştık. Elektrot malzemesinin seçimi, elektriksel iletkenlik ölçümlerinde ara sıra aksaklıkları önlemek için korozyona karşı direncine ve yüzey düzgünlüğüne dayanıyordu. Higroskopik tuzlar bazen kılcallık ile kabın duvarları boyunca tırmanır ve bu nedenle bir hidrofobik kaplama seçimi gereklidir. Tuzlu suyun kılcal yükselmesini önleyen bir epoksi reçine bileşimine dayalı bir kaplama kullandık. Ayrıca, elektrik darbesinin voltajı, frekansı ve akım algılama referans direnci gibi elektriksel özellikler tasarım için çok önemliydi. BOTTLE, düşük ve yüksek iletkenlik modları için ±70 mV ve ±700 V elektrik darbeli ±2.048 V önyargı voltajı kullanır. 1 kHz'deki elektrik darbeleri, bir altın elektrottan ve incelenecek tuz örneklerinden geçer ve diğer tarafta, düşük ve yüksek iletkenlik modları için sırasıyla 10 k-ohm ve 100 ohm referans dirençleri olan bir altın elektrotta okunur.

Elektriksel iletkenliği bağıl nemin bir fonksiyonu olarak karakterize etmek için yapılan deneylerin her biri sabit ve kararlı bir sıcaklık gerektirdiğinden, protokol Mars simülasyon odasının sıcaklık kararlılığı sınırları içinde kalacak şekilde tasarlanmıştır. Termal izolasyon nedeniyle çalışma tablası sıcaklığında (odanın LN₂ geçiş sistemi tarafından düzenlenir) ve ŞİŞE sıcaklığında gözlemlenebilir bir fark vardır. Bu, çalışma tablası sıcaklığının her zaman ŞİŞE sıcaklığı ile aynı olmadığı ve optimum bir deney koşulu için farkın dikkate alınması gerektiği anlamına gelir.

Mars simülasyon odasında gelecekteki deneyler, havanın elektriksel iletkenliği ile farklı sıcaklıklarda bağıl nem arasında bir ilişki türetmeyi içerecektir. Mars Sol simülasyonu sırasında, havanın bağıl nemi ile elektriksel iletkenliği arasında olası bir ilişki gözlemledik. Bu, BOTTLE'ın iki ucundaki iki boş hücreyi kalibre etmek ve hidrasyon seviyelerinin daha kesin bir şekilde yorumlanması için tuz-SAP karışımlarının kalibrasyonu ile birleştirilmesi için uygun olabilir. Bu deneyi gerçekleştirmek için, boş deney kap(lar)ı, aynı deney protokolü izlenerek herhangi bir tuz numunesi olmadan uyarlanabilir.

Açıklanan deney protokolü, atmosferik nem ile etkileşime girebilecek diğer numunelere de uygulanabilen tuzlu su oluşum sürecini izlemek için daha basit, kolayca uyarlanabilir bir alternatif yol sağlar. Tuzlu suların genellikle nükleer yakıt ve nükleer atıkları depolamak için kullanılan teneke kutu yüzeylerle reaksiyona girebileceği koşulları tanımlamak için geçerli olacak deniz tuzu karışımlarının oluşturduğu tuzlu suların fiziksel ve kimyasal özelliklerinin anlaşılmasına yönelik çalışmalar için tamamlayıcı olabilir^33,34. Farklı malzemeler için tuzlu suların aşındırıcı özellikleri, protokolün uyarlanmasıyla farklı ortam koşulları altında incelenebilir. Bu protokolü, HABIT cihazıyla Mars'a taşıdığımız dört tuz ve SAP karışımının sıvılaşma özelliklerini incelemek için uyguladık. Bununla birlikte, herhangi bir formdaki tuz veya tuz karışımlarının higroskopik özellikleri, örneğin duman parçacıkları, bulut çekirdeği oluşturma potansiyelleri²⁴ için analiz edilebilir. Deney protokolü, Mars'ta ve bir laboratuvarın başka yerlerinde atmosfer yüzeyi ile ilgili çeşitli fenomenleri simüle etmek için de uygulanabilir.

Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.

Deneyler için kullanılan HABIT Mühendislik Yeterlilik Modeli (EQM), İsveç Ulusal Uzay Ajansı (SNSA) tarafından finanse edilen ve MPZ ve JMT'nin gözetiminde HABIT proje geliştirmenin bir parçası olarak İsveç'teki Omnisys tarafından üretildi. HABIT ve BOTTLE, MPZ ve JMT'nin orijinal fikirleridir. SpaceQ Mars simülasyon odası, İsveç'in Luleşkentinde bulunan bir LuleşTeknoloji Üniversitesi tesisidir. Kempe Vakfı, SpaceQ odasının tasarımını ve imalatını finanse etti. SpaceQ odası, MPZ'nin gözetimi altında İngiltere'deki Kurt J. Lesker Company tarafından üretildi. MPZ, kısmen İspanyol Devlet Araştırma Ajansı (AEI) Proje No. tarafından finanse edilmiştir. MDM-2017-0737 Unidad de Excelencia "María de Maeztu"- Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) ve İspanya Bilim ve Yenilik Bakanlığı (PID2019-104205GB-C21) tarafından. AVR ve JMT, Wallenberg Vakfı'nın desteğini kabul eder.