NASAs vedholdenhed betaler sig derhjemme

Selv når Perseverance-roveren nærmer sig Mars, teknologi om bord betaler sig på Jorden.

En laserlyssensor, der kan identificere bakterier i et sår, kan lyde langt ude, men det er allerede ved at blive en realitet, delvist takket være NASAs Mars Exploration Program. Teknologien skal til Mars for første gang på Perseverance, som vil lande på den røde planet i denne måned, men det opdager allerede sporforurenende stoffer i farmaceutisk fremstilling, spildevandsrensning, og andre vigtige operationer på Jorden.

Det er ikke den eneste teknologi på vej til Mars, som allerede giver udbytte på jorden. Her på jorden, disse innovationer forbedrer også printkortfremstillingen og førte endda til et specielt borekronedesign for geologer.

Giver geologer en pause

Honeybee Robotics har arbejdet på robotmissioner til Mars og andre planetariske kroppe siden 1990'erne, herunder en række projekter finansieret af Small Business Innovation Research (SBIR) kontrakter fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. Et af de vigtigste bidrag til dette arbejde har været prøveindsamlingsteknologi, inklusive et bor til udvinding af stenkerner. Et halvt dusin kerneboringer udviklet fra forskning, der startede for mere end 20 år siden, er nu i rummet for første gang, klar til brug i roverens tårn, eller "hånd, " for enden af ​​dens robotarm.

På jorden, efter at have boret en kerne med en hul borekrone, en geolog bruger normalt en skruetrækker eller andet værktøj til at bryde prøven af ​​og trække den ud. Dette kan resultere i en fragmenteret eller endda forurenet prøve. En robot krævede noget andet.

New York-baserede Honeybee kom op med et afbrydningsrør indlejret i en boreboring. Efter at kernen er blevet boret, afbryderrøret roterer i forhold til boret, forskyder sin midterakse og knækker kernen af. I modsætning til andre afbrydelsesmetoder, såsom at klemme bunden af ​​kernen, afbrydningsrøret påfører tryk i længden af ​​prøven, mindske risikoen for fragmentering.

Honeybee har leveret kværne, scoops, og andre prøvetagningssystemer, der fløj på tidligere Mars-missioner. Det er første gang, virksomhedens kernebitteknologi skal til Mars, fordi det er første gang, NASA har planlagt en fremtidig mission for at bringe prøver af Mars-overfladen tilbage til Jorden. Vedholdenhed vil indsamle og pakke disse prøver.

"Det er nøgledelen af ​​prøvens returmission, " sagde Keith Rosette, der styrede roverens sampling- og cachingsystem til JPL. "Du kan virkelig ikke samle en prøve på Mars, hvis du ikke har en borekrone, der kan hente den."

Mens det at få et prøve returkøretøj hjem fra Mars vil udgøre et væld af udfordringer, det vil lade forskere udføre praktisk talt ubegrænsede tests med en bred vifte af instrumenter, sagde Rosette. "I stedet for at prøve at bringe alle de instrumenter til Mars, det er mindre udfordrende og endnu mere værdifuldt at bringe prøver tilbage."

I mellemtiden Honeybee har kommercialiseret sine patenterede breakoff bits i kerneværktøjssæt til geologer på Jorden. Bitsene kan bruges med en standard boremaskine, gør teknologien nem og overkommelig, sagde Kris Zacny, Honeybee vicepræsident og direktør for udforskningsteknologi.

Honeybee har også været i samtaler med virksomheder, der er interesseret i at bruge bitsene til atomkatastrofesanering, hvor det er for farligt at sende menneskelige efterforskere ind, sagde Zacny. "Hvis der er betontanke, der lækker, for eksempel, så kan robotter gå ind og tage prøver for at kontrollere strålingsniveauer."

Teknologien blev opfundet af Honeybees afdøde chefingeniør Tom Myrick. "Tom ville have været ekstremt stolt over, at hans opfindelse gjorde en forskel for planetariske missioner, " sagde Zacny.

Hjemmevideoer fra Mars

Indsamling af prøver til tilbagevenden til Jorden er ikke den eneste første, som ingeniører har planlagt for Perseverance. For første gang, NASA har bygget et system, der kunne sende video i høj kvalitet tilbage af en rovers dramatiske ind- og landingssekvens.

Mens Curiosity-roveren sendte en række komprimerede billeder tilbage, der viser Mars-overfladen under nedstigning, Udholdenhedens indtræden, nedstigning, og landingspakken inkluderer seks high-definition-kameraer og en mikrofon, der har til formål at fange alt dramaet i "syv minutter af terror" mellem at ramme den ydre atmosfære og røre ned. Ud over at se planetens overflade, Kameraerne er placeret til at se faldskærmene folde sig ud og også til at se tilbage på nedstigningsstadiet og ned på roveren, mens de to adskilles.

Kamerakomponenterne er hyldemodeller, men printkortet, der styrer deres grænseflade og strøm, er designet af JPL. Det blev derefter bygget af San Francisco-baserede Tempo Automation. Grundlagt i 2013, lige efter NASA annoncerede Mars 2020-missionen, Tempo brugte arbejdet til at forbedre sine fremstillingsprocesser.

Som navnet antyder, Tempo Automations fokus er hurtigt, automatiseret produktion af printplader, selv i små partier. Et sæt værktøjer, som virksomheden tilbyder til dette formål, er processen til at gøre hver komponent "sporbar, "for at holde styr på, hvem der rørte ved det, og hvad der blev gjort ved det på hvert tidspunkt i brætproduktionsprocessen, samt hvilket komponentparti stykket kom fra. Disse oplysninger gør det nemmere at finde ud af årsagen til et problem og se, hvilke andre boards der kan være blevet påvirket, sagde Tempo medstifter Shashank Samala.

For at opfylde JPLs strenge dokumentationskrav, Tempo tilføjede røntgenbilleder, ioniske renhedsdata, og data fra en automatisk optisk inspektion for hver komponent, alt dette er nu en del af virksomhedens standardprocedure.

Et værktøj, der er unikt for Tempo, er det, det kalder fabrikationssimulering - software, der oversætter en computerstøttet designmodel (CAD) til en fotorealistisk repræsentation af, hvordan det endelige bord vil se ud. Et team lavede prototyper af værktøjet, da JPL-arbejdet begyndte i begyndelsen af ​​2018, og det arbejde hjalp dem med at fuldføre det, sagde Samala. Den debuterede året efter.

Simuleringen lader kunder tjekke deres designs for eventuelle problemer eller mangler, før produktionen begynder, han sagde. "En simpel fejl kan koste mange penge og tid."

Mens det blev udtænkt til at hjælpe kunder med at færdiggøre deres design, virksomheden opdagede, at det også var nyttigt internt. Fremstillingsprocessen kan resultere i uoverensstemmelser mellem den originale CAD-model og det endelige produkt, Samala forklarede. Simuleringen "tjener som en kilde til sandhed på fabriksgulvet, at kommunikere designerens hensigt. Det første, vi ser på, er simuleringen."

Han sagde, at levering af et produkt, der opfyldte NASA-standarder, har hjulpet virksomheden med at komme ind i flere andre rumsystemer, herunder satellitter og raketter.

I mellemtiden Chris Basset, der har designet printkortet hos JPL, ser frem til det øjeblik, hvor kameraoptagelserne sendes tilbage fra Mars efter Perseverances landing 18. feb. 2021. "Dette er så langt uden for det, vi plejer, at det er superspændende, " sagde han. "Jeg kan ikke vente med at se de billeder."

Ultraviolet lasere Scan for kemiske spor

En anden teknologi, hvis rødder rækker langt tilbage i NASAs Mars Exploration Program, flyver også for første gang på Perseverance og har mange potentielle anvendelser her på Jorden.

Da to mangeårige kolleger grundlagde Photon Systems i 1997, forskning viste utroligt lovende for spektrometre - enheder, der bruger lys til at bestemme en prøves sammensætning - der opererer ved dybe ultraviolette (UV) bølgelængder. Disse havde potentialet til at identificere en bakterie eller opdage selv de mindste kemiske spor. Men kilder til lys i området 220 til 250 nanometer var for store, tung, og følsom over for miljøinterferens, og havde mange andre problemer.

William Hug og Ray Reid satte sig for at udvikle en miniature, letvægts, robust dyb-UV-laserkilde til spektroskopi i marken. Deres første eksterne investering kom i 1998 fra et par SBIR-kontrakter med JPL, som var interesseret i et spektrometer, der kunne detektere nukleinsyrer og aminosyrer, organiske materialer, der er grundlæggende for alt kendt liv. Siden da, Covina, Californien-baseret virksomhed har modtaget en række NASA SBIR'er, mest med JPL, samt finansiering fra NASA-programmer, der har til formål at udvikle instrumenter til planetarisk og astrobiologisk videnskab.

Nu vil rumfartsorganisationen få det første store afkast af sin lange investering i teknologien:Perseverance er udstyret med Scanning Habitable Environments with Raman og Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) instrument, som bruger en Photon Systems-laser til at få øje på tidligere usynlige spor i sin søgen efter tegn på tidligere liv på Mars.

Selvom holdet ikke forventer at finde bakterier på Mars, organiske stoffer, der findes i den nære overflade, kan identificeres ved hjælp af SHERLOC. På jorden, den samme teknologi kan bruges til at identificere organiske stoffer til en række andre formål.

Dyb-UV-fotoner interagerer stærkt med mange materialer, især dem, der indeholder organiske molekyler. Dette resulterer i højere detektionsfølsomhed og større nøjagtighed sammenlignet med infrarøde eller endda synligt lys laserkilder.

Dyb-UV-spektroskopi er blevet udført i forskningslaboratorier, men Hug og Reid fandt på en konstruktion, der var langt mindre, enklere, og billigere at bygge end noget eksisterende alternativ. "Dyb-UV-lasere starter ved $100, 000. Det er derfor, de ikke bruges i industrien, "Kram sagde, bemærker, at laboratorieinstrumenter, der bruger teknologien, kan fylde tre laboratorietabeller og tage en måned at sætte op.

En stor udfordring har været det perfektionsniveau, teknologien kræver. De samme følsomheder, der muliggør bittesmå, højenergibølgelængder til at detektere selv en virus gør dem sårbare over for de mindste defekter. En mikroskopisk ufuldkommenhed i en linse eller anden overflade kan forstyrre eller sprede dem, og Hug sagde, at det har taget fremskridt på tværs af flere industrier for at opfylde de nødvendige standarder.

Photon Systems fokuserer på to typer spektroskopi, hvor dyb-UV-laserkilder giver store fordele i forhold til langvarig spektrometerteknologi, og SHERLOC vil bruge begge. Fluorescensspektroskopi observerer det lys, som de fleste organiske og mange uorganiske materialer udsender, når de exciteres af visse ultraviolette bølgelængder, ligesom vaskemiddel, der lyser under et sort lys. Hver udsender et særskilt spektralt "fingeraftryk".

Raman spektroskopi, på den anden side, observerer lyset som et molekyle spreder, hvoraf nogle vil skifte til forskellige bølgelængder på grund af interaktion med molekylære bindingsvibrationer i prøven. Disse forskydninger i bølgelængde kan bruges til at identificere materialerne i en prøve. UV-lysets fotoner med højere energi fremkalder et meget stærkere Raman-spredningssignal fra organiske molekyler end lavfrekvent lys. Og fordi dybt UV-lys ikke er til stede i naturlig fluorescens eller i sollys, Brug af disse meget korte bølgelængder eliminerer kilder til interferens.

I de seneste år, virksomheden er begyndt at udvikle teknologien til produkter, inklusive håndholdte sensorer og enheder, der overvåger personlig eksponering for forurenende stoffer, samt laboratorieudstyr. Deres største markeder er nu inden for det farmaceutiske, fødevareforarbejdning, og spildevandsbehandlingsindustrien, sagde knus. Dyb UV kan identificere og måle visse forbindelser ved meget lavere koncentrationer end nogen anden metode, tilbyder hidtil uset præcision i kvalitetskontrol, hvad enten man måler de aktive ingredienser i lægemidler eller sikrer renligheden af ​​maskiner og faciliteter.

I spildevandsrensning, teknologien kan identificere og måle forurenende stoffer, lader operatøren skræddersy behandlingsprocessen og spare på strøm til ozoninfusion og beluftning. "For et lille spildevandsrensningsanlæg, hele systemet betaler sig selv på mindre end en måned, " sagde kram.

En applikation, som militæret har investeret i, er at identificere bakterier og vira. At finde ud af hvilke bakterier der er til stede i et sår, for eksempel, ville hjælpe med at finde det rigtige antibiotikum til at behandle det, frem for at bruge bredspektrede antibiotika, der risikerer at forårsage lægemiddelresistens.

Og hurtig, overkommelig dyb-UV-spektroskopi lover medicinsk forskning, fra diagnostik til identifikation af proteiner, peptider, og andet biologisk materiale.

"NASA har været en konstant følgesvend på vores rejse til dato, og laseren er kun en del af historien, " sagde Hug. "Det er også de dybe UV Raman- og fluorescensinstrumenter, vi har bygget til NASA og forsvarsministeriet gennem årene, som nu giver gennembrud for pharma, spildevand, og vandkvalitet generelt, og nu klinisk test for vira."

På Mars, SHERLOC vil lede efter organiske materialer og analysere mineralerne omkring eventuelle tegn på liv, så forskerne kan forstå deres sammenhæng, sagde Luther Beegle, hovedefterforsker for SHERLOC ved JPL. Dette vil give flere detaljer om Mars historie og også hjælpe med at identificere prøver til tilbagevenden til Jorden. Instrumentet, som også inkluderer et kamera, der er i stand til mikroskopisk billeddannelse, vil være i stand til at kortlægge en stens mineralske og organiske sammensætning i høj detalje, leverer en masse vigtige data.

"Vi skal lave en helt ny måling på Mars, " sagde Beegle. "Dette er noget, der aldrig engang er blevet forsøgt før. Vi tror, ​​vi virkelig kommer til at flytte nålen på Mars-videnskaben og finde nogle fantastiske prøver at bringe tilbage."