Erstaunliches aus unserer sichtbaren Blase des Universums: Sinne der Curiosity II

In dieser kurzen Artikelserie stelle ich die zehn wissenschaftlichen Instrumente des Mars-Rovers namens Curiosity vor, der seit 2012 auf der Marsoberfläche rollt und uns täglich mit faszinierenden Bildern, Daten und Erkenntnissen versorgt.
Im vorhergehenden, ersten Teil habe ich neben ein paar allgemeinen Worten über dieses Mars Science Laboratory die Kameras "MastCam", "MAHLI" und "MARDI" beschrieben - es ging also darum, wie Curiosity den Mars "sieht".
Heute sind die eingebauten Spektrometer dran...

Den Mars "schmecken"

Schematisches Bild von Curiosity.
Heute werden die Spektrometer APXS, ChemCam, CheMin und SAM vorgestellt.

(Credit: NASA/JPL)

APXS

APXS steht für Alpha Particle X-ray Spectrometer und ist somit ein Alphateilchen-Röntgenspektrometer. Das mag nun vielleicht kompliziert klingen (es ist auch tatsächlich kompliziert im Detail), aber vereinfacht kann man sagen, dass ein typischer Messprozess dieses Instruments folgendermaßen abläuft: Das APXS ist auf Curiosity's Arm befestigt, denn es muss für Messungen nahe an den zu analysierenden Boden gebracht werden. Das Bodenmaterial wird durch eine kleine Menge Curium-244, ein radioaktives Material am "Kopf" des Rovers, angeregt. Das heißt, wenn man aus Gründen der Einfachheit im Sinne des Bohrschen Atommodells denkt, dass Elektronen des Probenmaterials auf höhere Energieniveaus angehoben werden. Wenn sie kurz darauf von diesen wieder in ihren Grundzustand verfallen (denn das "mögen" Elektronen nun mal gern), geben sie Röntgen-Strahlung ab. Wie genau diese Strahlungsquanten beschaffen sind, hängt von der Art des Materials ab. Analysiert man diese Strahlung, kann man Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit ziehen.
Das APXS soll geologische Prozesse erforschen, die den Boden und das Felsgestein des Mars geformt haben. Dabei ist das Spektrometer besonders empfindlich auf salzformende Elemente wie Kalzium oder Brom.
Die Datenmenge einer Messung mit diesem Instrument hat übrigens den Umfang von nur 32 kB.

Das Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS).
Dahinter sieht man übrigens Marsgebirge, no big deal.
(Credit: NASA/JPL)

ChemCam

Curiosity feuert mit der Laserkanone, macht Marsgestein zu Plasma
und analysiert die entstehenden Dämpfe. Kein Witz.
(Credit: NASA/JPL-Caltech/LANL/J.-L- Lacour, CEA)

Der "Chemistry & Camera"-Komplex setzt sich aus einem leistungsstarken Laser, einem Spektrometer und einer speziellen Kamera zusammen.
Alles in allem ist dieses Instrument ein komplett irres Stück Technik (im positiven Sinne)! Zuerst feuert der Laser auf irgendeine Gesteinsprobe, die entweder direkt vor seiner Nase oder bis zu 7 Metern entfernt liegt, "plasmatisiert" das Material und eine Kombination aus Mini-Teleskop und Spektrometer stellt dann aus den entstehenden Gasen die Zusammensetzung des verdampften Materiales fest. Das ist Science-Fiction, nur ohne "Fiction".

Aber nun noch einmal etwas langsamer: Bei einer Messung nähert sich Curiosity bis mindestens sieben Meter an die Gesteinsprobe an und feuert anschließend äußerst kurze und eigentlich relativ schwache Laserpulse (Länge ~ 5 Nanosekunden, Energie ~ 14 Millijoule) auf das Ziel. Diese Pulse treffen allerdings so häufig auf einen derart fokussierten Bereich (0,3-0,6 Millimeter), dass die Probenoberfläche unter der Einwirkung der enormen Wärmeleistung (10 Megawatt pro Quadratmillimeter) zu Plasma wird und in gewissem Sinne einfach verdampft. Die abgestrahlten Emissionen dieses Vorgangs werden mit Hilfe eines kleinen Teleskops (11 Zentimeter Durchmesser) eingefangen und zum Spektrometer geleitet. Dort können Wellenlängen zwischen 240 bis 850 Nanometer (fernes UV-Licht bis nahes Infrarot-Licht) mit 6144 Spektralkanälen analysiert werden. Das Spektrometer ist besonders empfindlich für seltene Elemente, wie etwa Barium oder Strontium, sowie für Wasserstoff.
Die Primäraufgabe der ChemCam ist die schnelle Identifizierung von Material- bzw. Gesteinssorten, sodass man möglichst rasch beurteilen kann, auf welche Ziele man die anderen Instrumente für genauere Untersuchungen richten sollte.

Beispiel eines vom ChemCam-Instrument analysierten Spektrums.
(Credit: NASA/JPL-Caltech/LANL)

CheMin

Grafik des CheMin.
Besonders gut sieht man hier
das Drehrad, das verschiedene Proben
vor die Röntgenquelle dreht.
(Credit: NASA)

"Chemistry & Mineralogy" ist ein weiteres Spektrometer. (Ja, Spektrometer sind in der Tat recht praktisch für Analysezwecke, die durch Roboter am Mars durchgeführt werden!)
CheMin analysiert allerdings Proben, die zuvor direkt und ohne zu bohren/zu lasern mit einem kleinen Schäufelchen vom Boden aufgesammelt wurden. Bevor die Bodenprobe allerdings dieses Spektrometer erreicht, wird sie durch das sog. CHIMRA-Filtersystem geleitet, welches Bröckelchen, die größer als 150 Mikrometer sind, aussortiert. Der feine Probenstaub wird durch Vibrationen schließlich gleichmäßig in einer von 27 wiederbefüllbaren Zellen ausgebreitet. (Die verschiedenen Zellen inklusive fünf weiterer Zellen mit Referenzmaterial zur Kalibrierung des Instruments befinden sich auf einem Drehrad, sodass schnell zwischen mehreren Proben gewechselt werden kann.
Beim Analysevorgang selbst, der üblicherweise mehrere Stunden dauert, wird Röntgenstrahlung auf die Probe geschossen, welche hinter der Probe von einem UV-sensiblen CCD-Sensor auf Streuung und Brechung analysiert wird. So kann man wieder auf Spektren anfertigen, die auf die Zusammensetzung der Probe schließen lassen. Damit bei diesem Vorgang möglichst hohe Empfindlichkeit erreicht werden kann, wird der Sensor (Pixelgröße: 40x40 Mikrometer, 224 Messungen pro Sekunde) auf -60 °C heruntergekühlt. Genial.

Sag "Aaaahhhh"!
In diese Öffnung schaufelt Curiosity pulverartige Bodenproben,
die dann ins Innere des Rovers zur Analyse wandern.
(Credit: NASA/JPL)

SAM

Nicht nur bei Herr der Ringe und Game of Thrones handelt es sich bei "Sam" um einen der ..."umfangreichsten" Protagonisten, sondern auch beim Mars Science Laboratory ist SAM der schwerste und leistungsfähigste Bestandteil. Der "Sample Analysis at Mars"-Komplex wiegt um die 38 kg und beansprucht ungefähr die Hälfte des Gewichtsanteils für wissenschaftliche Nutzlast.
Drei kombinierte Sensorsysteme sollen in diesem Gerät organische Verbindungen und leichte Elemente identifizieren und analysieren, sowie die Isotopenverhältnisse der Marsatmosphäre bestimmen. Kurzum: SAM soll im besten Fall die Frage beantworten, inwieweit der Mars sich als Lebensraum geeignet hatte bzw. hat.

Sample Analysis at Mars (SAM) - der Instrumenten-Komplex steht hier auf dem Kopf.
Hinten sieht man die Trommel des SMS, links davon sind die Trennsäulen des Gaschromatographen.
Darunter (also eigentlich ja auf der Oberseite) befinden sich der Einlass für Bodenproben, das CSPL und das QMS.
Ganz vorne sieht man das TLS (auf der oberen Ebene) und die zentrale Elektronik (untere Ebene).
(Credit: NASA/JPL)

Um Material oder Atmosphäre analysieren zu können, wird dieses zuerst aufbereitet. Bodenproben werden wiederum durch ein Filtersystem geleitet (dieses Mal allerdings nicht das CHIMRA-System wie beim CheMin, sondern das Sample Manipulation System (SMS)) und in einen von 74 Auffangbehältern geleitet. Oft ist man auch daran interessiert, welche Stoffe sich aus der Probe verdampfen lassen. Zu diesem Zweck hat Curiosity zwei Öfen eingebaut, die Proben auf kuschelige 1100 °C erhitzen können. Das Gas, welches aus der Probe austritt, bzw. ein Happen Atmosphärenluft, der analysiert werden sollte, wird in das CSPL, das Chemical Separation and Processing Laboratory geschickt. Darin gibt es 50 Ventile, 16 Ventilblöcke, mehrere Gasabsorber und vielfältige Misch- und Trennsysteme, die alle irgendeine wichtige Rolle bei der Analyse der Proben spielen.
Aufbereitete Proben können allerdings auch zu anderen Instrumenten geleitet werden. So gibt es z. B. noch einen Gaschromatograph zur Untersuchung organischer Verbindungen, einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor, ein Tunable Laser Spectrometer (TLS) und - besonders wichtig - ein Quadrupole Mass Spectrometer (QMS). Dieses Quadrupol-Massenspektrometer ist ein Gerät, das Massen von Elementen und Molekülen bestimmen kann, deren Atommasse zwischen 2 und 535 atomaren Masseneinheiten liegt.
Weitere, ausführliche und interaktive Informationen zu den Instrumenten des SAM gibt's übrigens hier.