Mars 2020 Rover har nye spektrale evner med sit nye SuperCam

Da NASA Curiosity -roveren vandrer rundt på overfladen af ​​Mars, dens ChemCam fanger den kemiske sammensætning af sine omgivelser med et specielt designet lasersystem. Det er den mest kraftfulde laser, der opererer på overfladen af ​​en anden planet. Udbruddet af infrarødt lys, det affyrer, varer kun et par milliarddeler sekunder, men den er kraftig nok til at fordampe stedet, den rammer på mere end 8, 000 ° C. Selv på afstand, ChemCam kan undersøge sten og jord ved hjælp af en proces kaldet Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), hvor laserudbrud forstøver og ophidser komponenter og spektrale billeder fanger deres kemiske signaturer.

Her på Jorden, forskere bygger allerede den næste generations ChemCam med imponerende opgraderinger og helt nye spektrale muligheder for NASA Mars 2020 -roveren, opkaldt efter året for dens planlagte lancering. Ud over et hurtigere LIBS -system, SuperCam vil have et helt nyt ledningskølet lasersystem til at levere den ikke-destruktive analyseevne ved RAMAN-spektroskopi, i stand til at detektere kulstofbaserede signaturer af organiske materialer.

Sammen med Center National d'Etudes Spatiales (CNES) og Research Institute in Astrophysics and Planetology (IRAP), Thales Group er i de sidste faser af at teste det kompakte SuperCam -system, der i sidste ende vil klare hårde Mars -forhold. De har allerede bygget og testet en fuld, repræsentativ model, resultaterne af denne forskning vil blive præsenteret under OSA Laser Congress, 1-5 oktober 2017 i Nagoya, Japan.

I modsætning til Curiosity's LIBS-only funktionalitet, dette nye instrument vil være i stand til at skifte mellem en LIBS -tilstand og en Raman -lasemetode, en metode, der kræver to forskellige laserfarver for at excitere og undersøge molekylære vibrationsenergier for dens ikke-destruktive kemiske identifikation. Den anden farve fremstilles af en krystal, der fordobler 1064 nanometer -frekvensen, der bruges til LIBS -målinger - som nu producerer 10 gange så mange skud i hvert burst af laseren for hurtigere sampling.

Denne anden, 532 nanometer stråle vil gøre det muligt for Mars 2020 at opdage molekylære strukturer, der er tydelige for organisk materiale - tegn på tidligere liv. Den nye optiske arkitektur, der kræves for at producere de to driftstilstande, imidlertid, var ikke uden sine udfordringer.

Den opgraderede LIBS -oscillator bruger en diode pumpet Nd:YAG krystal, i modsætning til ChemCam's Nd:KGW, som giver de længere bursts, men kræver nye metoder til at sikre funktionalitet over et stort temperaturområde. Fordi Nd:YAG absorberer over et snævert frekvensområde for at lase ved en given temperatur, SuperCam bruger en flerfarvet stablet diode, der kan pumpe med et bredt spektrum til at tegne et temperaturinterval.

"Denne laser kører i burst -tilstand, men med denne laser kan vi lave 1000 skud i et burst, mens ChemCam -laseren var 10 gange mindre, "sagde Eric Durand, en af ​​SuperCams udviklere hos Thales Group, Frankrig. "Vi pumper denne laser på langs med en stak, der er et bredbånd, der udsender, så når temperaturen ændrer sig, ND:YAG -krystallen absorberer stadig lyset, og laseren kan bruges over mindst 50 til 60 grader uden temperaturregulering. "

Tilføjelse af en anden komplikation til temperaturkontrol, KTP -krystallen producerer det grønne, frekvensdobbelt lys krævede yderligere stabilisering.

"Det sværeste aspekt var at opnå temperaturområdet også med den grønne bølgelængde, fordi vi skal beholde effektiviteten over hele området, og det var kun muligt ved at opvarme lidt KTP -krystallen, sagde Durand.

Den temperaturstabilisering, der kræves for at holde systemet justeret og arbejde for begge tilstande, er svært nok at opnå i et laboratorium, men dette system var designet til at have den samme stabilitet, mens det var på roveren, da det krydser det stenrige Mars -terræn. I øvrigt, den skal opfylde stramme størrelses- og vægtbegrænsninger, der følger med rumrejser, og forblive fri for forureninger, der ville ødelægge dens komponenter - en bedrift opnået ved at forsegle instrumentet med lasersvejsning.

De robuste og kraftfulde evner i det nye SuperCam vil være en uvurderlig kemisk sonde for Mars 2020 -roveren og kan bare bringe en lang række nye fund tilbage til os her på Jorden.