Mit der LIBS-Technologie die Geheimnisse des Mars entschlüsseln

Analysetechnologie ist für gewöhnlich etwas, das wir uns in einem industriellen Umfeld oder optimierten Labor auf unserem eigenen Planeten vorstellen. Jedoch ist die durch den FOSS Micral™-Analysator bekannte Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie) (LIBS) ein Verfahren, das seit 2012 auf dem Mars erprobt und getestet wird.

 

Wir haben mit dem Wissenschaftler Dr. Jens Frydenvang von der Universität Kopenhagen gesprochen, der LIBS verwendet, um die Geologie des Mars in Zusammenarbeit mit der NASA zu untersuchen. Jens Frydenvang ist Physiker und verfügt über einen Doktortitel in analytischer Chemie mit Schwerpunkt auf LIBS.

 

Er ist an zwei der ehrgeizigsten heute existierenden LIBS-Projekte beteiligt, die auf dem Mars durchgeführt werden. Das eine ist das sogenannte Chemcam-Messgerät an Bord des NASA Curiosity-Rovers, der 2012 auf dem Mars landete, das andere ist das Supercam-Messgerät an Bord des NASA Perseverance-Rovers, der vor drei Jahren auf dem Mars landete. 

 

Sowohl Chemcam und Supercam beruhen auf LIBS als Kerntechnologie. Die neuere Supercam wurde um einige weitere Funktionen erweitert, die Technologie bleibt jedoch unverändert. Beide Messgeräte wurden in Zusammenarbeit zwischen dem Los Alamos National Laboratory in den USA, wo LIBS ursprünglich entwickelt wurde, und der französischen Raumfahrtagentur CNES entwickelt.

 

„Ich habe die Ehre und das Privileg, Teil dieser beiden Messgeräte-Teams zu sein und insbesondere an der Kalibration beteiligt zu sein. Zu verstehen, wie wir von den spektralen Informationen zur elementspezifischen Zusammensetzung der Gesteine gelangen können, die wir untersuchen. Und natürlich anhand der von uns gesammelten geochemischen Daten alles über die Entwicklung des Mars zu erfahren“, erklärt Jens Frydenvang.

 

 

Geochemische Beobachtungen auf dem Mars

 

Mit dem eingesetzten LIBS-Messgerät kann der Rover die Marsoberfläche innerhalb eines Umfangs von bis zu sechs Metern messen. Hier kann das Projekt wirklich von den wichtigsten Stärken der LIBS-Technologie profitieren.

 

„Wir können eine gute LIBS-Messung an Gestein und Boden auf der Marsoberfläche durchführen. Und wir können dies tun, ohne dorthin zu fahren, indem wir den Laser einfach von der Stelle aus abschießen, an der der Rover endet. Es ist eine schnelle Beobachtung, zumindest im Vergleich zu jeder anderen geochemischen Beobachtung, die wir machen könnten. Eine Beobachtung dauert in der Regel etwa 15 Minuten, und dann fahren wir zum nächsten Ziel oder fahren weiter, ganz gleich, was wir an diesem bestimmten Tag auf dem Mars vorhaben."

 

Die Möglichkeit, den Laser zu schießen und aus der Ferne analytische Beobachtungen durchzuführen, bedeutet, dass ein hohes Volumen an LIBS-Messungen möglich ist. „Damit können wir wirklich nachverfolgen, wie sich die geochemische Entwicklung verändert, wenn wir über die Marsoberfläche fahren“, sagt Jens Frydenvang. 

 

„Unsere Fähigkeit, viele Beobachtungen durchzuführen, bedeutet, dass ChemCam und SuperCam als Scout eingesetzt werden können, um zu entscheiden, ob wir zu einem bestimmten Aufschluss fahren und unseren Arm verwenden müssen. Wir können in die Probe bohren und viel detailliertere Beobachtungen erhalten, uns die Mineralogie ansehen und so weiter, wenn uns die Messungen des Chemcam LIBS-Messgeräts zeigen, dass dies wirklich interessant ist“, fügt er hinzu.

Ein weiterer Teil der Arbeit ist die kontinuierliche Nachverfolgung. „Wir haben die Kraft, die Ressourcen und die Reichweite, relevante Gesteine zu finden, die wir untersuchen können, um festzustellen, ob sich im Vergleich zu unserer letzten Untersuchung etwas geändert hat. Wir können also auf fantastische Weise nachverfolgen, wie sich die Geochemie entwickelt hat, während wir durch die geologischen Schichten eines Berges auf dem Mars hinaufklettern.“

Auch in Bezug auf die Energie benötigt das LIBS-Messgerät nicht viel, was ebenfalls von Vorteil ist.

 

Warum LIBS?

 

Es stellt sich die Frage: warum LIBS? Gibt es ein anderes Verfahren, das die gleichen Messungen liefern könnte? Laut Jens Frydenvang lautet die kurze Antwort nein. Es gibt andere verfügbare Technologien wie Röntgenfluoreszenz (RFA), die jedoch eine längere Analysezeit oder eine sehr hohe Nähe zur Probe erfordern. 

„Wir haben auf beiden Rovern eine Version der Röntgenfluoreszenz, die auch geochemische Beobachtungen ermöglicht. Beim Curiosity handelt es sich um ein partikelinduziertes Fluoreszenz-Messgerät namens APXS und beim Perseverance Rover um ein Mikro-RFA-Messgerät namens PIXL. Bei beiden ist die für eine Beobachtung erforderliche Zeit in der Regel viel länger als bei einer einzelnen LIBS-Beobachtung und es ist außerdem erforderlich, dass der Arm auf das Ziel gerichtet werden kann“, erklärt er. „Im Vergleich zur Röntgenfluoreszenz ist das LIBS-Messgerät schneller und viel flexibler“, fügt er hinzu. 

„Darüber hinaus haben wir den Vorteil, dass wir Staub, der sonst alle Teile der Marsoberfläche bedeckt, recht effektiv wegblasen, da ein integraler Bestandteil von LIBS darin besteht, dass wir diese Explosionen auf der Oberfläche erzeugen. Aufgrund des inhärenten Konzepts von LIBS haben wir also eine einzigartige Möglichkeit, an die darunter liegenden Gesteine zu gelangen, ohne vom allgegenwärtigen Oberflächenstaub beeinträchtigt zu werden.“ 

Bei der Röntgenfluoreszenz ist es ansonsten ein ziemlich großes Problem, eine saubere Probenoberfläche zu erhalten. Beim Curiosity Rover erfordern gute APXS-Beobachtungen in der Regel die Verwendung einer Bürste, um Staub zu entfernen, und beim Perseverance Rover wird vor PIXL-Beobachtungen häufig das Gestein mit dem Roverbohrer abgeschliffen, um eine frische Oberfläche zu erhalten. „Es gibt also mehrere Vorteile, bei denen LIBS wirklich zu einem sehr leistungsstarken Tool für die Erkundung des Planeten geworden ist“, schließt Jens Frydenvang.