Odkrywanie tajemnic Marsa za pomocą technologii LIBS

Rzadko myślimy o zastosowaniu technologii analitycznej poza granicami środowiska przemysłowego lub zoptymalizowanego laboratorium na naszej własnej planecie. Jednak w przypadku spektroskopii indukowanej laserowo (LIBS), znanej z analizatora FOSS Micral™, mówimy o metodzie, która została wypróbowana i jest testowana na Marsie od 2012 roku.

 

Rozmawialiśmy z naukowcem, doktorem Jensem Frydenvangiem z Uniwersytetu w Kopenhadze, który wykorzystuje LIBS do badania geologii Marsa we współpracy z NASA. Jens Frydenvang ma wykształcenie fizyczne i doktorat z chemii analitycznej, a w swojej pracy koncentruje się na technologii LIBS.

 

Jest zaangażowany w dwa z najbardziej ambitnych, istniejących obecnie projektów LIBS, które są realizowane na Marsie. Jeden z nich to tak zwany instrument Chemcam, znajdujący się na pokładzie łazika NASA Curiosity, który wylądował na Marsie w 2012 roku, a drugi to instrument Supercam zamontowany na pokładzie łazika NASA Perseverance, który wylądował na Marsie trzy lata temu. 

 

LIBS jest podstawową technologią wykorzystywaną w zarówno w instrumencie Chemcam, jak i Supercam. Nowsze urządzenie Supercam zostało zmodernizowane poprzez dodanie kiklu dodatkowych funkcji, ale technologia pozostaje taka sama. Oba instrumenty zostały opracowane we współpracy między Los Alamos National Laboratory w USA, gdzie pierwotnie opracowano technologię LIBS, oraz francuską agencją kosmiczną CNES.

 

„Mam zaszczyt i przywilej być częścią obu tych zespołów i uczestniczyć w szczególności w procesie kalibracji. Staramy się zrozumieć, w jaki sposób możemy przejść od informacji spektralnych do uzyskania składu pierwiastkowego skał, na które patrzymy. Wykorzystując przy tym dane geochemiczne, które zbieramy, aby dowiedzieć się wszystkiego, co możemy o ewolucji Marsa" - wyjaśnia Jens Frydenvang.

 

 

Obserwacje geochemiczne na Marsie

 

Dzięki instrumentowi LIBS łazik może mierzyć powierzchnię Marsa w promieniu do około sześciu metrów. W tym miejscu projekt może naprawdę skorzystać z kluczowych zalet technologii LIBS.

 

„Dzięki LIBS jesteśmy w stanie uzyskać dobry pomiar na skałach i glebie na powierzchni Marsa. Co ważne, możemy to zrobić, nie udając się w to miejsce, ale po prostu strzelając laserem z miejsca, w którym znajduje się łazik. To szybka obserwacja, przynajmniej w porównaniu z innymi obserwacjami geochemicznymi, które moglibyśmy przeprowadzić. Obserwacja trwa zazwyczaj około 15 minut, a następnie przechodzimy do następnego celu lub jedziemy dalej, zależnie od tego, jakie są nasze plany na Marsie w danym dniu."

 

Zdolność do strzelania laserem i prowadzenia obserwacji analitycznych z dużej odległości oznacza, że możliwe jest uzyskanie dużej liczby pomiarów LIBS. „To pozwala nam naprawdę śledzić, jak ewolucja geochemiczna zmienia się w miarę przemieszczania się po powierzchni Marsa" - mówi Jens Frydenvang. 

 

„Nasza zdolność do prowadzenia wielu obserwacji oznacza, że ChemCam i SuperCam mogą być używane jako zwiadowcy, aby zdecydować, czy musimy podjechać do konkretnego wykopu i wykorzystać nasze ramię. Możemy wwiercić się w próbkę i uzyskać znacznie bardziej szczegółowe obserwacje, przyjrzeć się mineralogii i tak dalej, jeśli pomiary instrumentu Chemcam LIBS powiedzą nam, że jest to naprawdę interesujące" - dodaje.

Kolejna część pracy obejmuje ciągłe śledzenie. „Dysponujemy mocą, zasobami i możliwościami potrzebnymi do znalezienia odpowiednich skał do zbadania i zobaczenia, czy coś się zmieniło w stosunku do tego, gdzie byliśmy ostatnio. Mamy więc fantastyczny rodzaj śledzenia ewolucji geochemii w miarę przechodzenia przez warstwy geologiczne góry na Marsie."

Jeśli chodzi o moc, instrument LIBS nie potrzebuje jej zbyt wiele, co również stanowi jego zaletę.

 

Dlaczego technologia LIBS?

 

Pojawia się pytanie, dlaczego technologia LIBS? Czy jest dostępna inna metoda, która może zapewnić te same pomiary? Według Jensa Frydenvanga krótka odpowiedź brzmi: nie. Istnieją inne dostępne technologie, takie jak fluorescencja rentgenowska (XRF), ale wymagają one dłuższego czasu analizy lub bardzo bliskiego kontaktu z próbką. 

„Mamy wersję fluorescencji rentgenowskiej na obu łazikach, która zapewnia również obserwacje geochemiczne. W przypadku Curiosity jest to instrument fluorescencji indukowanej cząsteczkami o nazwie APXS, a na łaziku Perseverance mamy instrument mikro-XRF o nazwie PIXL. W obu przypadkach czas potrzebny do uzyskania obserwacji jest zwykle znacznie dłuższy niż w przypadku pojedynczej obserwacji LIBS, a także wymaga, aby ramię można było umieścić na celu" - wyjaśnia. „W porównaniu do fluorescencji rentgenowskiej instrument LIBS jest szybszy i znacznie bardziej elastyczny" - dodaje. 

„Oprócz tego mamy tę zaletę, że ponieważ integralną częścią LIBS jest tworzenie eksplozji na powierzchni, oznacza to, że dość skutecznie zdmuchujemy pył, który w przeciwnym razie pokrywa wszystkie części marsjańskiej powierzchni. W związku z tym, dzięki koncepcji LIBS mamy unikalny sposób dotarcia do skał znajdujących się pod spodem bez wpływu wszechobecnego pyłu powierzchniowego." 

W przypadku fluorescencji rentgenowskiej uzyskanie czystej powierzchni próbki jest dość poważnym problemem. Na łaziku Curiosity dobre obserwacje APXS zazwyczaj wymagają użycia szczotki do usunięcia pyłu, a na łaziku Perseverance obserwacje PIXL są często poprzedzane ścieraniem skały wiertłem łazika w celu uzyskania świeżej powierzchni. „Istnieje więc wiele korzyści, dzięki którym technologia LIBS stała się naprawdę bardzo potężnym narzędziem do eksploracji planet" - podsumowuje Jens Frydenvang.