Ende des Jahres wird die NASA das erste Raumschiff mit Instrumenten zur Analyse der Bewohnbarkeit des Jupitermondes Europa starten
IN KÜRZE
Im Oktober dieses Jahres wird die NASA die Raumsonde Europa Clipper auf ihre Reise zum Jupitermond Europa schicken . Dies ist die erste Mission, die sich speziell diesem Mond widmet, dessen riesiger, eisbedeckter Ozean Wissenschaftlern zufolge eine Form von Leben beheimaten könnte. Die Raumsonde wird fast 50 Vorbeiflüge an Europa machen und dabei bis auf 25 km über die Oberfläche herabsteigen. Die Instrumente in der Nutzlast von Europa Clipper werden hochauflösende Bilder des Mondes aufnehmen und, was wichtig ist, seine Oberflächenchemie enthüllen, ohne tatsächlich zu landen. Zusammen werden diese Messungen die Frage nach der Bewohnbarkeit Europas beantworten und eine mögliche zukünftige Mission zur direkten Landung auf der Mondoberfläche aufzeigen.
ls die Raumsonde Galileo der NASA 2003 in Jupiters wirbelnde Ammoniak- und Wasserwolken stürzte, war der Absturz kein Unfall. Die Wissenschaftler der Mission hatten die Flugbahn der Sonde auf den Planeten sorgfältig berechnet, um eine Kollision mit Europa zu vermeiden. Warum? Die Daten, die Galileo zur Erde schickte, deuteten darauf hin, dass der Mond Leben beherbergen könnte, und die Wissenschaftler wollten die Umgebung des Mondes so unberührt wie möglich erhalten.
IN ZAHLEN
9
Anzahl der Instrumente, die an Bord des Europa Clipper nach Europa reisen
10. Oktober 2024
Datum, an dem das Startfenster der NASA für Europa Clipper geöffnet wird
April 2030
Datum, an dem Europa Clipper beginnt, den Jupiter zu umkreisen
~50
Anzahl der Flüge des Europa Clipper an Europa vorbei
Quelle: NASA, „Europa Clipper“, europa.nasa.gov.
Galileo , das mit einem thermoelektrischen Radioisotopengenerator betrieben wird, flog während der acht Jahre, die es den Jupiter umkreiste, zwölfmal an Europa vorbei – dreimal während der ersten Mission und neun weitere Male in späteren Missionsverlängerungen. Jeder Vorbeiflug enthüllte mehr über den geheimnisvollen Mond. Die von Galileos optischer Kamera aufgenommenen Bilder bestätigten die Daten, die Voyager zwei Jahrzehnte zuvor übermittelt hatte: Obwohl der Mond eine ähnliche Größe wie unser eigener hat, war seine Oberfläche nicht annähernd so stark von Meteoriteneinschlägen übersät, was darauf schließen lässt, dass sich die Oberfläche irgendwie ständig erneuert.
Noch verlockender waren die Daten zum Magnetfeld. Wissenschaftliche Modelle sagen voraus, dass Europa kein Magnetfeld erzeugen kann, doch Galileos Magnetometer hat eindeutig eines nachgewiesen, das den Himmelskörper umgibt. Die wahrscheinlichste Erklärung für den Widerspruch ist das Vorhandensein einer leitfähigen Salzwasserschicht unter der eisigen Oberfläche des Mondes – ein allumfassender Ozean. Während Europa den Jupiter umkreist, interagiert das starke Magnetfeld des Planeten mit dieser leitfähigen Schicht und erzeugt ein Magnetfeld um den Mond.
Die Möglichkeit einer riesigen Wassermenge unter Europas Oberfläche, zusammen mit Hinweisen auf Eistektonik – oder einen anderen laufenden Prozess des Energieaustauschs – machen den Mond zu einem attraktiven Kandidaten für die Suche nach Leben jenseits der Erde . Doch die Raumsonde Galileo wurde nicht gebaut, um Europa oder seine potenzielle Bewohnbarkeit zu erforschen. Die 11 Instrumente, die die Raumsonde 1989 ins äußere Sonnensystem brachte, waren vielmehr in erster Linie für die Erforschung des Jupiters konzipiert. Als die Raumsonde in der Atmosphäre des Gasriesen ihr feuriges Ende fand, hinterließ sie den Wissenschaftlern zu Hause eine Fülle von Fragen.
Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/SETI InstituteDieses Foto der Oberfläche Europas ist eine Zusammenstellung mehrerer von Galileo aufgenommener Bilder . Die eisige Oberfläche des Mondes ist rissig und mit unbekannten Molekülen bestäubt, die der Oberfläche ein rotes und fleckig aussehen lassen.
Dieses Jahr sucht die NASA erneut nach Antworten.
„ Europa Clipper ist die erste Raumsonde, die über spezielle Instrumente verfügt, die speziell für Europa entwickelt wurden“, sagt Cynthia Phillips , wissenschaftliche Mitarbeiterin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) und Leiterin der wissenschaftlichen Kommunikation der Europa-Clipper-Mission. Obwohl diese Mission definitiv nicht auf der Suche nach Leben ist, werden die neun Instrumente an Bord der solarbetriebenen Raumsonde den Wissenschaftlern einen genauen Blick auf den Mond ermöglichen, Einblicke in die Chemie über und unter seiner eisigen Oberfläche gewähren und schließlich enthüllen, ob der Mond tatsächlich alle Zutaten besitzt, die für Leben notwendig sind .
EUROPA SEHEN
Die zerklüftete Oberfläche Europas fasziniert Wissenschaftler seit Jahrzehnten und inspiriert Science-Fiction-Literatur . Daher dürfte es keine Überraschung sein, dass ein wichtiger Teil der Mission von Europa Clipper darin bestehen wird, bessere Bilder des Mondes aufzunehmen.
„Wir haben bisher nur etwa 10 bis 15 Prozent von Europa in der mittleren Auflösung gesehen, die wir brauchen, um die Oberflächengeologie wirklich zu verstehen“, sagt Elizabeth Turtle vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University , die leitende Forscherin des Europa Imaging System (EIS, ausgesprochen „ice“). Die meisten panoptischen Fotos von Europas Oberfläche sind Mosaike von Bildern, die von Voyager 2 und Galileo aufgenommen wurden .
Bildnachweis: Johns Hopkins APL/Craig WeimanDie Ingenieure Jeff Lees (links) und John Stinchcomb (rechts) bauen die Weitwinkelkamera des Europa Imaging Systems auf einem riesigen vibrierenden Tisch in einem Reinraum im Labor für angewandte Physik der Johns Hopkins University auf. Die Vibrationen simulieren, was die Kamera erleben wird, wenn sie beim Start von Europa Clipper in den Weltraum geschossen wird .
Die Bilder von Voyager 2 , die 1979 am Mond vorbeiflog, waren für die Wissenschaftler gerade scharf genug, um das Spinnennetz aus großen Graten auf der Mondoberfläche zu erkennen. Allerdings war die Auflösung nicht hoch genug, um das Netzwerk aus kleinen Rissen und Spalten zu erkennen, das später von Galileo freigelegt wurde. Und obwohl es den Forschern während Galileos ausgedehnter Mission gelang, diese detaillierteren Bilder von Europas Oberfläche aufzunehmen , waren die Wissenschaftler in ihrer Fähigkeit zur Datenübertragung stark eingeschränkt.
Nach dem Start von Galileo stieß das Bodenteam auf ein großes Problem: Die lange Hochleistungsantenne steckte fest und blieb trotz mehrerer Versuche, sie zu lösen, stecken. Die Missionswissenschaftler versuchten verzweifelt, eine Lösung zu finden, um die Mission auf Kurs zu halten. Schließlich entwickelten sie neue Techniken, um die Daten zu komprimieren, damit Galileos funktionierende, aber weniger leistungsstarke Antennen mit geringer Verstärkung die Daten nach Hause schicken konnten. Galileos Fähigkeit, Daten zu übertragen, war jedoch stark eingeschränkt.
Diese Einschränkung hatte direkte Auswirkungen auf die Entscheidung des Wissenschaftsteams, den Mond abzubilden, erinnert sich Phillips. Sie begann ihr Studium etwa zu der Zeit, als Galileo in die UmlauWenn wir zufällig ein Partikel sammeln, das ein gefrorenes Bakterium enthält, werden wir es wissenfbahn des Jupiters eintrat, und sie wählte absichtlich eine mit der Mission verbundene Schule, damit sie daran beteiligt sein konnte. Sie verbrachte ihre Zeit damit, die von Galileo stammenden Bilder zu analysieren und sie mit denen von Voyager 2 zu vergleichen .
Aufgrund der begrenzten Download-Kapazitäten von Galileo sei jedes Bild wertvoll, sagt Phillips. Deshalb versuchte das Team, so viel wie möglich von der fotografierten Fläche abzulichten, auch wenn das bedeutete, dass hauptsächlich Bilder mit niedriger Auflösung aufgenommen werden mussten. „Es gibt über 700 Bilder von Europa von Galileo “, sagt Phillips. „Das ist alles. Das ist alles, was wir haben.“ Sie vermutet, dass die Zahl der Bilder, die das EIS von Europa Clipper in nur wenigen Durchläufen aufnimmt, die Gesamtzahl der von Galileo aufgenommenen Bilder übertreffen wird .
Zwei Kameras werden diese Fülle an Bildern aufnehmen, sagt Turtle. Eine hat ein Weitwinkel-Sichtfeld, die andere nimmt eine herangezoomte, engwinklige Ansicht auf. Die Lichtsensoren in beiden Systemen sind die gleichen wie in Handykameras. Mit nur 8 Megapixeln (Mpx) mögen die Sensoren im Vergleich zu den heutigen Top-Handys eine relativ niedrige Auflösung haben, aber die Auflösung ist wesentlich höher als bei allem, was bisher ins äußere Sonnensystem geflogen ist, sagt Turtle.
Während die Weitwinkelkamera Bilder von großen Teilen der Mondoberfläche aufnimmt, nimmt die Schmalwinkelkamera gleichzeitig hochauflösende Fotos von kleineren Gebieten auf. Diese Kombination ermöglicht es den Forschern, mit einem einzigen Vorbeiflug winzige Bodenmerkmale in ihrem Gesamtzusammenhang zu verstehen – wozu die einzelne Galileo- Kamera mehrere Vorbeiflüge benötigte ( Space Sci. Rev. 1992, DOI: 10.1007/BF00216864 ). Am Ende der Mission wird das Team 90 % der Mondoberfläche detaillierter kartiert haben als je zuvor. Europa Clipper wird mehrere Dutzend Gebiete in superhoher Auflösung aufnehmen: Wenn die Raumsonde für ihre nahen Vorbeiflüge am Mond herabstößt, wird EIS Fotos mit einer Auflösung von unter 1 m/px aufnehmen .
Europa Clipper ist die erste Raumsonde, die über spezielle Instrumente verfügt, die speziell für Europa entwickelt wurden. Cynthia Phillips, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Leiterin der wissenschaftlichen Kommunikation der Europa Clipper Mission , Jet Propulsion Laboratory
Die Fotos werden nicht nur detailreich sein, sondern es den Forschern auch ermöglichen, Europas wahre Topografie zu kartieren. Obwohl aktuelle Bilder des Mondes dem Betrachter einen Eindruck von der Oberflächenstruktur vermitteln können, benötigen Forscher mehrere Bilder derselben geologischen Strukturen aus verschiedenen Winkeln, um beispielsweise die wahre Höhe von Bergen oder die Tiefe von Tälern zu bestimmen.
Bildnachweis: NASA/JPL-CaltechWissenschaftler nehmen Anpassungen am Mapping Imaging Spectrometer für Europa vor, einem Infrarot-Bildgebungsinstrument, nachdem es in den Reinraum des Jet Propulsion Laboratory geliefert wurde, um Umwelttests unterzogen zu werden, bevor es auf Europa Clipper installiert wird .
Um diese Informationen zu sammeln, ist die Schmalwinkelkamera kardanisch aufgehängt, sodass sie schwenken und den Aufnahmewinkel ändern kann. Diese Art der Bewegung ist nicht ohne Risiko. Bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen zögern Ingenieure oft, weitere bewegliche Teile einzubauen, weil sie die Zahl der Dinge, die kaputtgehen können, begrenzen wollen. In diesem Fall, wenn alles nach Plan läuft, sagt Turtle, „können wir mit einem leistungsfähigen Bildgeber, der die Fähigkeit hat, auszurichten, beides haben.“
Während EIS damit beschäftigt ist, glamouröse Fotos von Europa zu schießen, wird ein anderes Instrument die chemische Zusammensetzung der Mondoberfläche kartieren. Das Mapping Imaging Spectrometer for Europa oder MISE (ausgesprochen „mize“) ist ein Reflexionsspektrometer, das Sonnenlicht im Bereich von 800 bis 5.000 nm einfängt, wenn das Licht von der Oberfläche Europas reflektiert wird, sagt die leitende Forscherin des Instruments, Diana Blaney vom JPL.
Das von der Oberfläche reflektierte Licht gelangt zu einer Kalziumfluoridlinse, die das Licht auf ein gekrümmtes Beugungsgitter im Herzen von MISE lenkt. Dieses Gitter spaltet den Infrarotlichtstrahl in einzelne Wellenlängen auf, ähnlich einem Prisma, das weißes Licht in einen Regenbogen aufspaltet.
Diese Wellenlängen treffen auf einen Detektor und erzeugen ein Linienbild aus Infrarotdaten. Durch das Stapeln dieser Linien werden ganze Bilder erzeugt, sodass jedem Ort ein vollständiges Infrarotspektrum zugeordnet ist. Diese Spektren der Oberfläche werden „Salze, organische Stoffe, radiologische Produkte und Dinge enthüllen, die von Io, dem vulkanisch aktiven Mond des Jupiters, hereingeweht werden“, sagt Blaney. „Es ist einfach eine wirklich komplizierte und spannende Oberfläche.“
Bildnachweis: NASA/JPL-CaltechDas spezielle Beugungsgitter im Mapping Imaging Spectrometer für Europa ist so konzipiert, dass es Infrarotlicht in einzelne Wellenlängen zerlegt. Diese Zerlegung erzeugt einen schillernden Farbton.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler versucht haben, die chemische Zusammensetzung der Oberfläche Europas zu kartieren ( J. Geophys. Res.: Planets 1995, DOI: 10.1029/95JE01766 ). MISE ist ein Abkömmling des Near Infrared Mapping Spectrometer (NIMS), das an Bord der Galileo- Raumsonde mitflog , sagt Blaney. Obwohl NIMS Bilder von kleinen Bereichen der Oberfläche Europas aufnahm, waren diese spärlich und mit Strahlungsrauschen behaftet. Die längeren Wellenlängen waren besonders anfällig für Strahlungsrauschen, sagt Blaney, weil das Signal-Rausch-Verhältnis von vornherein niedrig war. Unglücklicherweise war Europas Strahlungsumgebung damals noch nicht gut erforscht, und NIMS war nicht in der Lage, bei Wellenlängen über 2.500 nm zuverlässige Daten zu sammeln, sagt sie.
Heute wissen Forscher, dass die Strahlungsintensität in der Nähe des Jupiters die zweitstärkste in unserem Sonnensystem ist und nur von der Strahlungsintensität der Sonne übertroffen wird. Die Masse des Planeten erzeugt ein starkes Magnetfeld, das geladene Teilchen aus dem umgebenden Weltraum einfängt und beschleunigt. Europa liegt nahe genug, um ständig von diesen Teilchen bombardiert zu werden. Auf der Mondoberfläche zu stehen wäre, als stünde man in einem laufenden Atomreaktor, sagte ein Forscher gegenüber C&EN.
Um diese raue Umgebung zu überstehen, wird die gesamte Elektronik, die die Instrumente von Europa Clipper steuert , in einem Tresor aus Tantal und Aluminium im Herzen des Raumfahrzeugs aufbewahrt. Die zentimeterdicken Wände sind leicht genug, um das Raumfahrzeug unbelastet zu halten, bieten aber gleichzeitig genügend Schutz, damit die Elektronik funktioniert. Auch die Flugroute von Europa Clipper bietet einen gewissen Schutz. Anstatt Europa zu umkreisen, wird es in einer ellipsoiden Umlaufbahn um Jupiter fliegen. Während der Vorbeiflüge an Europa taucht es in die Umgebung mit höherer Strahlung ein, verlässt sie danach aber wieder in sicherere Räume.
Mit diesen Strahlenschutzmaßnahmen wird MISE in der Lage sein, die längerwelligen Bereiche zu erkennen, die am häufigsten mit organischen Stoffen in Verbindung gebracht werden und die NIMS übersehen hat. „Wir erschließen einen neuen Wellenlängenbereich, der für viele der noch offenen Fragen wirklich diagnostisch sein wird“, sagt Blaney. Durch die Kombination von Verbesserungen bei der Stabilität und Kalibrierung des Instruments werde MISE ein viel differenzierteres Verständnis der Oberflächenzusammensetzung Europas liefern können, sagt sie.
Die von EIS aufgenommenen optischen Bilder werden, wenn sie mit den infraroten Zusammensetzungskarten überlagert werden, den MISE-Forschern helfen, die Quellen aller Verbindungen zu bestimmen, die sie auf der Oberfläche finden. Man kann davon ausgehen, dass Moleküle in und um Krater, die durch Kometeneinschläge entstanden sind, aus dem Weltraum stammen, sagt Blaney. Es besteht auch die Möglichkeit, Moleküle zu finden, die aus dem Ozean stammen.
EINE GISCHT AUS MEERESMOLEKÜLEN AUF EUROPAS OBERFLÄCHE
Wissenschaftler vermuten, dass Fontänen aus eiskaltem Meerwasser durch das Eis brechen und Moleküle aus dem Wasser auf Europas Oberfläche bringen könnten. Die Strahlung des Jupiters wird chemische Reaktionen auf der Oberfläche auslösen. Die Instrumente des Europa Clipper werden das Material untersuchen. Das Europa Imaging System wird Fotos der Fontänen aufnehmen, das Mapping Imaging Spectrometer für Europa wird die chemische Zusammensetzung rund um die Fontänen kartieren und der Surface Dust Analyzer und das Mass Spectrometer for Planetary Exploration/Europa werden die molekulare Zusammensetzung der Fontänen bestimmen.
Bildnachweis: Adaptiert von NASA/JPL-Caltech/Yang H. Ku/C&EN
Natürlich ist der offensichtlichste Ort, um Verbindungen aus den Ozeanen zu finden, die aus der Oberfläche austretenden Salzwasserfontänen , aber es gibt keine schlüssigen Beweise für solche Fontänen. Stattdessen, sagt Blaney, wird MISE andere, dauerhaftere geologische Merkmale untersuchen.
Fotos von Galileo zeigen Stellen, an denen die Eishülle des Mondes gegen sich selbst gedrückt hat oder auseinandergebrochen und hin- und hergeschoben wurde. Diese Regionen sind relativ jung. Wenn die MISE-Forscher also Moleküle auf oder um diese tektonischen Strukturen herum finden, sagt Blaney, sollten sie daraus schließen können, dass diese Verbindungen aus dem Ozean stammen.
Obwohl Blaney sich am meisten über die Fähigkeit von MISE freut, organische Stoffe zu erkennen, da dies neue Daten liefern wird, weist sie auch darauf hin, dass organische Moleküle sehr anfällig für Strahlungsabbau sind und auf Europas rauer Oberfläche wahrscheinlich schnell zerfallen werden. Glücklicherweise geht die Bestimmung der Bewohnbarkeit Europas über die Suche nach kohlenstoffbasierten Molekülen hinaus. „Bewohnbarkeit erfordert auch chemische Gradienten“, sagt sie, und zu wissen, welche Ionen im unterirdischen Ozean vorhanden sind, wird aufschlussreich sein. Diese Arten könnten alle organischen Stoffe überdauern, die sie begleiten, wenn sie aus dem Ozean durch Oberflächenrisse nach oben gelangen.
Obwohl MISE eine höhere Empfindlichkeit als sein Vorgänger aufweist, schränken die breiten Infrarotspitzen, die viele Moleküle gemeinsam haben, MISEs Fähigkeit, bestimmte Molekülarten zu unterscheiden, von Natur aus ein. „Im Grunde suche ich nur nach den primären Streckungen, wie den C–H-Streckungen bei 3,4 [µm]“, sagt Blaney. Die beiden Massenspektrometer, die mit MISE fliegen, werden jedoch in der Lage sein, genau zu bestimmen, welche chemischen Arten auf Europa und in seiner dünnen Atmosphäre vorhanden sind. Sie sagt, dass „alle Instrumente synergetisch arbeiten“ und letztendlich ein vollständiges Bild der Chemie Europas zeichnen.
EUROPA VERKOSTEN
Es mag unmöglich klingen, Proben von der Oberfläche eines Mondes zu nehmen, ohne tatsächlich auf ihm zu landen, aber genau das ist die Aufgabe des Surface Dust Analyzer (SUDA, ausgesprochen „soo-duh“) an Bord des Europa Clipper . SUDA ist ein Flugzeit- Massenspektrometer vom Reflektron-Typ , sagt der leitende Forscher des Instruments, Sascha Kempf von der University of Colorado Boulder . Das Instrument wurde am Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik der CU Boulder gebaut. Es verfügt über ein einzigartiges Design, das es SUDA ermöglicht, die Oberfläche Europas indirekt zu „bekosten“, während es durch die dünne Atmosphäre des Mondes saust.
Das vergoldete, eimerartige Instrument wird mit offenem Mund fliegen, um die winzigen Staub- und Eispartikel einzufangen, die durch den konstanten Bombardement von Mikrometeoriten von der Oberfläche geschleudert werden. An Bord von Europa Clipper wird SUDA schnell genug dahinflitzen, dass die eingefangenen Staubpartikel ionisieren und ein Plasma bilden, wenn sie auf die Rückseite des Instruments prallen. Das elektrische Feld des Instruments wird die entstehenden Ionen dann in einen De“Wenn wir zufällig ein Partikel sammeln, das ein gefrorenes Bakterium enthält, werden wir es wissen““Wenn wir zufällig ein Partikel sammeln, das ein gefrorenes Bakterium enthält, werden wir es wissen“tektor in der Mitte der Aufprallplatte lenken. Wie bei allen Flugzeit-Massenspektrometern wird die Zeit zwischen Ionisierung und Detektion die Masse und Identität der chemischen Spezies im Partikel verraten; schwerere Ionen werden hinter leichteren zurückbleiben.
Der Unterschied zwischen SUDA und einem Flugzeit-Massenspektrometer besteht laut Kempf hauptsächlich in der Kontrolle der Injektion und der anschließenden Ionisierung einer Probe. „Für uns ist jedes einzelne Teilchen anders“, sagt er, „und wir können nicht vorhersagen, wann das Teilchen eintreffen wird.
“
Bildnachweis: NASA/CU Boulder/Glenn AsakawaDer Maschinenbauer Marc Miller greift in die Vakuumkammer, um die Blendentür des Surface Dust Analyzer zu schließen. Während des Flugs von
Europa Clipper fliegt Staub von Europas Oberfläche in die gähnende Öffnung, prallt auf die Zielplatte und ionisiert, wodurch Plasma entsteht.
Bildnachweis: LASPDas Labor des Instituts für die Modellierung von Plasma, Atmosphären und kosmischem Staub unterhält und betreibt zwei Staubbeschleuniger, von denen der größere zur Simulation der Staubeinschläge verwendet wurde, die der Surface Dust Analyzer des Europa Clipper über Europa erwarten kann.
Um die Zufälligkeit jeder Ionisierung auszugleichen, hat sein Team spezielle Elektronik eingebaut, die sofort aufzeichnet, wenn Staub auf die Rückseite des Instruments trifft. Diese Empfindlichkeit bedeutet, dass SUDA die Uhr für die Ionen, die auf den Enddetektor zurasen, präzise starten kann.
Um die Leistungsfähigkeit der Elektronik und des Gesamtdesigns von SUDA zu testen, waren spezielle Einrichtungen erforderlich, die Staub mit der gleichen Geschwindigkeit abschießen können, mit der sich das Instrument bewegt, also etwa 4–5 km/s. Um diese Simulationen von Vorbeiflügen durchzuführen, verwendete das SUDA-Team einen Staubbeschleuniger, der vom Institute for Modeling Plasma, Atmospheres, and Cosmic Dust (IMPACT) der CU Boulder betrieben wird.
Die interdisziplinäre Einrichtung von IMPACT beherbergt zwei Staubbeschleuniger in einem großen, lagerähnlichen Labor. Der größere Beschleuniger steht im Mittelpunkt, wobei sich die lange Röhre, die von seinem Körper ausgeht, fast über die gesamte Länge des Raums erstreckt.
Instrumente aller Art können in einer Kammer am Ende der Röhre platziert werden, sagt John Fontanese, ein IMPACT-Forscher , der den Beschleuniger für Gastwissenschaftler bedient. Ein 3-MV-Stromimpuls schickt metallbeschichtete Staubpartikel beliebiger Größe mit unterschiedlicher Geschwindigkeit – manchmal über 100 km/s – durch die Beschleunigerröhre und diese Partikel bombardieren Instrumente oder Materialien, die in dieser Kammer platziert sind ( Rev. Sci. Instrum. 2012, DOI: 10.1063/1.4732820 ).
Fontanese sagt, dass man die Geschwindigkeit der auftreffenden Partikel kontrollieren muss, um sicherzustellen, dass „wir so testen, als würden wir fliegen“. Damit die Forscher den Staub filtern können, registrieren zwei Detektoren die Geschwindigkeit eines Partikels, wenn es vom Beschleuniger wegrast, und senden ein Signal zum Öffnen eines elektrostatischen Tors, wenn das Partikel mit der gewünschten Geschwindigkeit fliegt.
Tests im IMPACT-Labor haben gezeigt, dass Staub nicht das einzige Material ist, das durch einen Aufprall ionisiert wird. Einige Staubpartikel könnten mit so viel Kraft auf die Zielplatte treffen, dass Metallionen von der Oberfläche hochgeschleudert werden und mikroskopisch kleine Krater hinterlassen.
Um die unerwünschten Auswirkungen auf den Detektor und die Daten zu minimieren, beschichtete das Team das Titantarget mit Iridium. Iridium ist hart, stabil und erzeugt schwere Ionen, sagt Kempf. Wenn also ein starker Aufprall Metallionen in den Detektor bläst, überlappen sich die resultierenden Iridiumlinien im Massenspektrum nicht mit interessanteren Linien, wie denen von hydratisierten Salzen oder möglicherweise Aminosäuren.
Wenn wir zufällig ein Partikel sammeln, das ein gefrorenes Bakterium enthält, werden wir es wissen. Sascha Kempf, Physikprofessor, University of Colorado Boulder
„SUDA ist speziell dafür konzipiert, Aminosäuren zu erkennen“, sagt Kempf, und es ist empfindlich genug, um die Biomoleküle in Konzentrationen von einigen ppm im Eis Europas zu erkennen. Doch das Vorhandensein einzelner Aminosäuren ist kein sicheres Zeichen für Bewohnbarkeit unter Europas Eis. Was das Team wirklich suchen wird, sind die Fingerabdrücke mehrerer Aminosäuren in Verhältnissen, die dem entsprechen, was wir hier auf der Erde durch Leben produzieren.
Kempf und ein Team von Mitarbeitern beobachteten diese Fingerabdrücke, als sie ein Experiment durchführten, das ein aufregendes und unglaublich unwahrscheinliches Szenario simulierte: das Auffangen eines Eisstückchens, das eine Bakterienzelle umhüllt ( Sci. Adv. 2024, DOI: 10.1126/sciadv.adl0849 ). Die Ergebnisse zeigen, dass SUDA im Kationenmodus die erforderliche Auflösung hat, um das Muster mehrerer Aminosäuren zu erkennen. Im Anionenmodus kann SUDA Fettsäuren erkennen, die für Bakterienzellen charakteristisch sind. „Wenn wir zufällig ein Partikel einfangen, das ein gefrorenes Bakterium enthält“, sagt Kempf, „werden wir es wissen.“
EUROPA RIECHEN
Ein zweites Flugzeit-Massenspektrometer wird sich neben SUDA an Bord von Europa Clipper befinden. Anstatt die von Europas Oberfläche aufgewirbelten Feststoffe zu schmecken, wird das Mass Spectrometer for Planetary Exploration/Europa, kurz MASPEX (ausgesprochen „mass-pecks“), die neutralen Gase in Europas dünner Atmosphäre „riechen“ ( Space Sci. Rev. 2024, DOI: 10.1007/s11214-024-01061-6 ).
Der ursprüngliche Entwurf des Instruments wurde vor fast 20 Jahren für eine Marsmission erstellt, sagt Greg Miller vom Southwest Research Institute , der Leiter des Massenspektrometer-Designteams von MASPEX. Doch die NASA entschied sich stattdessen für den Einsatz eines kleineren Quadrupol-Massenspektrometers und ließ das Flugzeitgerät in einem Labor auf der Erde zurück. Nun ist die Zeit für das Instrument gekommen.
Bildnachweis: SwRIGreg Miller vom Southwest Research Institute zeigt einen frühen Prototyp des Massenspektrometers für Planetenerkundung/Europa.
Für die Europa-Clipper-Mission ist ein Flugzeit-Massenspektrometer einem Quadrupol klar vorzuziehen, sagt Miller. Quadrupole benötigen von Natur aus mehr Zeit, um Ionen zu trennen und zu erkennen, da sie einen Bereich elektrischer Spannungen durchleuchten müssen, um ein vollständiges Massenspektrum zu erzeugen. Dieser Prozess ist langsam, und Zeit ist für die Wissenschaftler von Europa Clipper von entscheidender Bedeutung . Bis ein Quadrupol die richtige Spannung erreicht, um interessante chemische Spezies zu trennen, hat die Raumsonde diese Moleküle möglicherweise bereits hinter sich gelassen. Ein Flugzeit-Massenspektrometer kann die Massen aller Ionen gleichzeitig messen – ein Durchleuchten ist nicht erforderlich – und ist daher ideal, um durch Europas möglicherweise ungleichmäßige Atmosphäre zu rasen.Wir sagen, es hat alles und die Küchenspüle.
Greg Miller, leitender Massenspektrometer-Designer für das Massenspektrometer für Planetenerkundung/Europa, Southwest Research Institute
Die Elektronenionisationsquelle von MASPEX ist so konzipiert, dass sie neutrale Gase in Ionen zerlegt und sie in ein Flugrohr leitet, das von zwei Reflektoren begrenzt wird. Diese speziellen Komponenten wirken wie Spiegel für geladene Teilchen, lassen sie hin und her springen und erhöhen die Distanz, über die die Ionen fliegen, ohne das Flugrohr physisch zu verlängern. Wie lange die Wissenschaftler die Ionen zwischen den Reflektoren hin- und herspringen lassen, hängt ganz davon ab, wie viel Abstand sie erreichen wollen.
„Wir können zwischen den beiden Reflektronen zehn Mikrosekunden bis zehn Millisekunden lang hin- und herspringen“, sagt Miller. „Das entspricht in manchen Fällen einer Speicherung von Ionen über eine Länge von fast einem Kilometer.“ Letztendlich, sagt er, werde dies es Forschern ermöglichen, Ionen mit so ähnlicher Masse wie Kohlenmonoxid und Distickstoff leicht zu trennen, Moleküle, deren Massen sich nur um Tausendstel einer Masseneinheit unterscheiden.
Bildnachweis: NASA/JPL-CaltechNach Jahren der Entwicklung wird das Massenspektrometer für Planetenerkundung/Europa in einen Reinraum des Jet Propulsion Laboratory gebracht. Das ein Meter lange Instrument verfügt über ein Paar interner Reflektoren, die wie Spiegel für Ionen diese hin und her reflektieren. Das Design vergrößert die Bewegungswege der Ionen und verbessert so die Massenauflösung, während das Instrument gleichzeitig kompakt bleibt.
Das MASPEX-Designteam fügte einige zusätzliche Komponenten hinzu, um die Fähigkeiten des Instruments zu erweitern. Ein Gerät ist ein Kryokühler, eine Art Minikühlschrank, der einen Hauch von Europas Atmosphäre bei unter 100 K einfängt und speichert. Die Probe kann an das Massenspektrometer gesendet werden, wenn Europa Clipper den entferntesten Punkt seiner Umlaufbahn um Jupiter erreicht hat, sagt Miller. An dieser Position werden die Raumsonde und ihre Instrumente geringerer Strahlung ausgesetzt sein, und MASPEX könnte in der Lage sein, chemische Spezies mit niedriger Konzentration zu erkennen, die sonst im Strahlungsrauschen in der Nähe von Europa untergehen würden, sagt Miller.
Die Forscher haben MASPEX außerdem mit einem integrierten Kalibrierungssystem ausgestattet, um die Daten quantifizieren zu können. Konkret hat das Team einen hermetisch versiegelten Titanbehälter mit der häufig verwendeten Kalibrierungsverbindung Perfluortributylamin eingebaut. Wenn die Zeit gekommen ist, werden die Wissenschaftler einen Strom anlegen, um die Versiegelung aufzubrechen, kontrollierte Mengen des Perfluortributylamins freizusetzen und das Instrument neu zu kalibrieren oder abzustimmen.
„[MASPEX] hat eine Menge Fähigkeiten, wahrscheinlich mehr, als irgendjemand jemals auf die Idee gebracht hätte, in das Instrument zu integrieren“, sagt Miller. „Wir sagen, es hat alles und das, was man braucht.“
EUROPA CLIPPER LEGT AB
Insgesamt werden neun wissenschaftliche Instrumente den Platz an Bord von Europa Clipper teilen . Ein Radar, ein Magnetometer und ein Plasmainstrument werden jeweils detaillierte Informationen über Europas innere Struktur zur Erde senden. Eine Wärmebildkamera und ein Ultraviolettspektrograph werden Lücken in den von EIS und MISE erfassten Daten schließen. Gemeinsam werden diese Instrumente die noch offenen Fragen aus früheren Missionen beantworten.
Alle neun dieser Instrumente wurden bereits in Laboren in den USA entworfen, gebaut und kalibriert. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels wurden alle Instrumente strengen Umwelttests unterzogen und einzeln an Europa Clipper angebracht . Jetzt wird das fertige Raumschiff für die letzte Etappe seiner Reise zur Erde vorbereitet: die Reise vom Reinraum des JPL in Kalifornien zum Kennedy Space Center in Florida.
Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/Johns Hopkins APL/Ed WhitmanEine Gruppe von Forschern in Ganzkörperanzügen arbeitet in einem Reinraum und untersucht den Hauptkörper von Europa Clipper . Die Kleidung schützt das Raumschiff vor Staub und Ölen.
Florida bedeutet natürlich Feuchtigkeit, also hat das MISE-Team dafür gesorgt, dass alles Wasser, das vom Start in Cape Canaveral mitkommt, verdunstet, bevor MISE mit der Bildgebung beginnt, und so die eisige IR-Signatur des Mondes nicht beeinträchtigt. „Wenn wir starten, schalten wir Heizungen im Instrument ein, um eine Temperatur zu halten, die über der Temperatur liegt, bei der Wasser auf unserer Optik kondensiert“, sagt MISE-Teamleiter Blaney. Nach ein paar Jahren sollte das gesamte Wasser im Weltraum verloren gegangen sein.
Die Isolierung um MISE hat genügend Zeit zum Trocknen – obwohl der Start noch in diesem Jahr erfolgt, ist der erste Vorbeiflug von Europa Clipper an Europa erst für 2031 geplant. Viele der Instrumentenwissenschaftler werden dabei sein, um den Raumfahrer zu seiner Reise zu verabschieden, aber es wird noch eine letzte Gelegenheit geben, sich von der Raumsonde zu verabschieden.
Zwei Jahre nach dem Start wird Europa Clipper an der Erde vorbeifliegen und die Masse des Planeten für eine letzte Schwerkraftunterstützung nutzen. „Er wird wie ein heller Punkt am Himmel aussehen“, sagt Projektmitarbeiter Phillips.
Quelle: https://cen.acs.org/physical-chemistry/astrochemistry/Searching-ingredients-life-Europa/102/i16
Christian Dauck 