Spektroskopie im Weltall - ChemCam

Mars Science Laboratory (kurz MSL) ist eine NASA-Mission im Rahmen des Flagship-Programms, die den Mars hinsichtlich seiner aktuellen und vergangenen Eignung als Biosphäre erforscht. Hierzu wurde auf der Oberfläche ein weitgehend autonomer Rover mit dem Namen Curiosity (englisch für ‚Neugier‘) abgesetzt, der mit zehn Instrumenten zur Untersuchung von Gestein, Atmosphäre und Strahlung ausgerüstet ist. Zu deren Analyse kommen neben einer großen Zahl unterschiedlicher Spektrografen auch Kameras und meteorologische Instrumente zum Einsatz, welche die Messdaten für die Auswertung zur Erde schicken.

Der „Chemistry & Camera“-Komplex (kurz „ChemCam“) besteht aus einem leistungsstarken Laser, einem Spektrometer und einer speziellen Kamera. Diese Gerätekombination ist in der Lage, den Marsboden sowie Felsen und Geröll auf eine Entfernung von bis zu 7 Metern mit hoher Genauigkeit zu analysieren. Hierzu fokussiert man den Laser auf einen kleinen Punkt, um die dortige Materie stark zu erhitzen. So können zum einen die obersten Schichten des Objektes entfernt werden, zum anderen werden die entstehenden Gase und Plasmen durch das optische Spektrometer auf ihre Zusammensetzung hin untersucht. Ein Teil des Komplexes ist am Mast befestigt, so dass eine Vielzahl von Zielen in kurzer Zeit durch dessen gute Beweglichkeit analysiert werden können. Die schnelle Identifizierung von Gesteinssorten ist somit auch die Primäraufgabe der ChemCam, so dass man interessante Ziele für genauere Untersuchungen mit anderen Instrumenten finden kann. Weitere Aufgaben sind die Analyse von Erosions- und Wettereffekten, die Erfassung von Eis und Frost sowie die schnelle Erkennung von Hydrogencarbonaten. Bei dem System handelt es sich um eine kooperative Entwicklung unter der Führung des Los Alamos National Laboratory und der CNES (Centre national d’études spatiales), der französischen Raumfahrtagentur mit Sitz in Toulouse.

Der Komplex aus Laser und Spektrometer trägt die Bezeichnung „Laser-Induced Breakdown Spectrometer“ (LIBS) und ist für den wesentlichen Teil der Analyse zuständig. Bei dem Laser handelt es sich um eine wesentliche Innovation innerhalb der Raumfahrt, da solche Geräte zuvor entweder nur eine extrem geringe Reichweite aufwiesen oder nur zur Distanzmessung eingesetzt wurden. Er generiert infrarote Laserpulse (1067 nm) mit einer Länge von 4,5 ns und einer Energie von bis zu 14 Millijoule auf der Probenoberfläche. Der Laser wird stark fokussiert, wodurch eine Wärmeleistung von über 10 MW pro Quadratmillimeter erreicht wird. Diese Energie wirkt hierbei auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,6 mm. Durch die hohe Leistungsdichte wird auf der Zieloberfläche ein kleines Plasma erzeugt, dessen abgestrahltes Licht von einem kleinen Teleskop (Durchmesser: 11 cm) eingefangen und in einen Lichtwellenleiter geleitet wird. Dieser endet in drei optischen Spektrometern, welche einen Wellenlängenbereich von 240 bis 850 nm abdecken (fernes UV- bis nahes Infrarot-Licht) und 6144 Spektralkanäle mit einer Auflösung von 0,09 bis 0,30 nm unterscheiden können. In dem Wellenlängenbereich sind die Emissionslinien der wichtigsten Haupt- und Nebenelemente eingeschlossen wie beispielsweise Barium, Strontium und Wasserstoff.

Zur besseren Erfassung des geologischen Kontextes der Probe, ist der „Remote Micro-Imager“ (RMI) vorhanden, der sehr genau erfassen kann, wo genau der Laserstrahl auftrifft. Hierbei handelt es sich um einen CCD-Bildsensor mit 1024 × 1024 Pixeln und einem Sichtfeld von 1,1°. Als Optik wird das Teleskop des LIBS mitverwendet.

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