Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgerätes für den Mars im Zusammenhang mit der ESA Marsmission ExoMars

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden mehrere Sensoren zur Detektion des atmosphärischen Wassergehaltes entwickelt und für ihren Einsatz auf dem Mars im Zuge der ESA ExoMars Mission optimiert und teilweise qualifiziert. Die Arbeiten am als MiniHUM bezeichneten Instrument umfassten sowohl die Charakterisierung und Entwicklung eines coulometrischen Sensorsystems als auch den Test und die Auswahl von kommerziell erhältlichen kapazitiven Polymerfeuchtesensoren. Zudem wurde ein Sensor zur Detektion der Phasenumwandlungstemperatur qualitativ untersucht. In der vorliegenden Arbeit standen insbesondere die wissenschaftlichen Problem- und Fragestellungen des coulometrischen Sensors im Fokus. Durch eine Veränderung von Sensorbeschichtung, Sensorlayout und Betriebsart ist es während der Dissertation gelungen, dessen Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und Langzeitstabilität bei Unterdruck und Tieftemperaturen, aber auch unter Normalbedingungen signifikant zu erhöhen und die Standzeiten deutlich zu verlängern. Die gefundenen Ergebnisse und Technologien konnten als Spin-off im Projekt HUMITRACE in Zusammenarbeit mit einem KMU dazu verwendet werden, eine neue Generation von industriellen Spurenfeuchtetransmittern bis zur Marktreife zu entwickeln. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Erstellung und experimentelle Validierung eines numerischen CFD-Modells, mit dem die Wasserdampfdiffusion durch die am coulometrischen Sensor verwendete permeable Membran und die Auswirkungen der elektrolytischen Aufspaltung des Wassers am Sensor simuliert werden können. Somit wird es möglich, den Sensor in komplexe Simulationen einzubinden und so beispielsweise die Auswirkungen von Landeraufbauten, Airbag und unterschiedlichen thermischen Umgebungen auf das Sensorsignal zu untersuchen. Neben den coulometrischen Sensoren wurden auch zwei kommerzielle kapazitive Polymerfeuchtesensoren sowohl unter Marsbedingungen als auch im Thermalzyklustest geprüft und charakterisiert. Die verwendeten Modelle zeigten trotz der extremen Bedingungen eine stabile Kennlinie und bewiesen, dass die Sensoren in Umgebungen einsetzbar sind, welche deutlich von dem Messbereich abweichen, für den sie entwickelt wurden. Zusätzlich zu den Entwicklungsarbeiten wurde im Zuge der ExoMars Mission ein erster Prototyp des MiniHUM Instrumentes konstruiert und gebaut. Zusammen mit der für ein Raumfahrtprojekt nötigen Dokumentation nach ECSS Standard, mit deren Hilfe der Nachweis geführt wurde, dass das Instrument den raumfahrttechnischen Anforderungen entspricht und alle Management-, Produkt- und Qualitätssicherungsmaßgaben eingehalten wurden, konnte in einem Gutachten der ESA ein Technologiereifegrad von 5 erreicht werden. Liquid water on Earth is essential for physical, chemical and in particular for biological processes. During the last decade results from several missions to Mars had shown evidences of possible liquid or liquid like water adsorbed to the Regolith causing rheological activities such as seepage phenomena and light toned deposits within gullies similar to mudflow phenomena on Earth. The NASA Phoenix-Mission had found water ice beneath the upper Regolith layers as well as evidences of saline brine formation. The existence of liquid or undercooled liquid interfacial water could have led to the formation of oxygenate molecules and therefore being one reason for the highly oxidized surface observed on Mars. Moreover, laboratory experiments have shown that metabolic activities are still detectable at environmental conditions similar to those on Mars, if one or two monolayers of water are present. In this study, several sensors had been developed and tested for measuring the near surface atmospheric water content in preparation on the former ESA ExoMars mission. The sensors, which were part of the MiniHUM instrument have been optimized and partly qualified for their mission on Mars. The work comprises the design and development of a coulometric sensor system as well as trade-off studies for commercial-of-the-shelf capacitive humidity sensors. Further, a sensor for detecting atmospheric frost point temperatures has been analysed quantitatively. The thesis mainly focuses on unsolved issues on characteristics and behaviour of the coulometric sensor detected during first measurements under martian environmental conditions. The problems could be comprehensively solved and long-term repeatability, accuracy and response time at low pressures and temperatures as well as under normal environmental conditions had been improved significantly by variation of sensor layout, -coating and the operating procedure. Further, the overall lifetime could be extended. In a jointed project together with a SMU, the spin-off of techniques and technologies has been used for developing a next generation coulometric sensor (HUMITRACE) mainly for industrial applications. At the time of submitting the thesis the sensor is on the verge of being launched into the market and was also being presented on several fairs. The second major objective of this study was the numerical simulation of water vapour diffusion through porous media and the electrolysis of water by means of computational fluid dynamics (CFD). In a first step Viscous-, Knudsen- and continuum-diffusion were implemented by determining experimentally parameters such as permeability and obstruction factor. After the numerical model had been validated by simultaneously conducted experiments, the electrolysis of water has been applied to the model based on experimental data as well. The "'numerical"' Instrument than was included into complex models for simulating its behaviour under martian environmental conditions. Thus, it is possible to determine the effects of e.g. lander structure or deflated airbag onto the sensor signal, including wind, solar irradiation, convection and hence, also the impact to scientific objectives of the instrument. First successfully attempts were made to include the ExoMars landing module and the "numerical"' MiniHUM sensor into a model for simulating the exchange processes between Regolith and atmosphere developed by the University of Alberta - but the created models needs to be further validated by domain and mesh independence analyses. In addition to the laboratory and numerical work described above first prototypes of MiniHUM were built in accordance to standards of ECSS and requirements given by ExoMars. The instrument has reached a technology readiness level (TRL) of five after it had passed the preliminary design review.