Zelfs als de Perseverance rover Mars nadert, technologie aan boord werpt zijn vruchten af ​​op aarde.

Een laserlichtsensor die bacteriën in een wond kan identificeren klinkt misschien vergezocht, maar het wordt nu al realiteit mede dankzij NASA's Mars Exploration Program. De technologie gaat voor het eerst naar Mars op Perseverance, die deze maand op de Rode Planeet zal landen, maar het detecteert al sporenverontreinigingen in de farmaceutische productie, afvalwater behandeling, en andere belangrijke operaties op aarde.

Dat is niet de enige technologie die op weg is naar Mars en die op de grond al zijn vruchten afwerpt. Hier op aarde, deze innovaties verbeteren ook de productie van printplaten en hebben zelfs geleid tot een speciaal boorontwerp voor geologen.

Geologen een pauze geven

Honeybee Robotics werkt sinds de jaren negentig aan robotmissies naar Mars en andere planetaire lichamen. waaronder een aantal projecten gefinancierd door Small Business Innovation Research (SBIR)-contracten van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. Een van de belangrijkste bijdragen die uit dat werk voortkwamen, was de technologie voor het verzamelen van monsters, inclusief een boor voor het verwijderen van steenkernen. Een half dozijn boorkronen die zijn ontwikkeld op basis van onderzoek dat meer dan 20 jaar geleden begon, zijn nu voor het eerst in de ruimte, klaar voor gebruik in de koepel van de rover, of "hand, " aan het einde van zijn robotarm.

Op aarde, na het boren van een kern met een holle beitel, een geoloog gebruikt meestal een schroevendraaier of ander gereedschap om het monster af te breken en eruit te trekken. Dit kan resulteren in een gefragmenteerd of zelfs besmet monster. Een robot had iets anders nodig.

Honeybee uit New York bedacht een afbreekbuis die in een boorbeitel was genest. Nadat de kern is geboord, de afbreekbuis roteert ten opzichte van het bit, het verschuiven van de centrale as en het afbreken van de kern. In tegenstelling tot andere afbreekmethoden, zoals knijpen in de basis van de kern, de afbreekbuis oefent druk uit over de lengte van het monster, het risico op versnippering te verkleinen.

Honeybee heeft grinders geleverd, scheppen, en andere bemonsteringssystemen die op eerdere Mars-missies vlogen. Dit is de eerste keer dat de boortechnologie van het bedrijf naar Mars gaat. omdat het de eerste keer is dat NASA een toekomstige missie heeft gepland om monsters van het Marsoppervlak terug naar de aarde te brengen. Perseverance zal die monsters verzamelen en verpakken.

"Het is het belangrijkste onderdeel van de voorbeeldretourmissie, " zei Keith Rosette, die het bemonsterings- en cachingsysteem van de rover voor JPL beheerde. "Je kunt echt geen monster op Mars verzamelen als je geen boor hebt die het kan ophalen."

Terwijl het krijgen van een voorbeeld van een retourvoertuig van Mars een groot aantal uitdagingen met zich meebrengt, het stelt onderzoekers in staat vrijwel onbeperkt te testen met een breed scala aan instrumenten, zei Rosette. "In plaats van te proberen al die instrumenten naar Mars te brengen, het is minder uitdagend en zelfs waardevoller om monsters terug te brengen."

In de tussentijd, Honeybee heeft zijn gepatenteerde afbreekbits gecommercialiseerd in boorgereedschapsets voor geologen op aarde. De bits kunnen worden gebruikt met een standaard boor, de technologie gemakkelijk en betaalbaar maken, zei Kris Zacny, Honeybee vice-president en directeur van exploratietechnologie.

Honeybee is ook in gesprek geweest met bedrijven die geïnteresseerd zijn in het gebruik van de bits voor de sanering van nucleaire rampen, waar het te gevaarlijk is om menselijke onderzoekers te sturen. zei Zacny. "Als er betonnen tanks lekken, bijvoorbeeld, dan kunnen robots naar binnen gaan en monsters nemen om de stralingsniveaus te controleren."

De technologie is uitgevonden door wijlen Honeybee's hoofdingenieur Tom Myrick. "Tom zou buitengewoon trots zijn geweest dat zijn uitvinding een verschil had gemaakt voor planetaire missies, ' zei Zacny.

Startvideo's van Mars

Het verzamelen van monsters voor terugkeer naar de aarde is niet de enige eerste die ingenieurs hebben gepland voor Perseverance. Voor de eerste keer, NASA heeft een systeem gebouwd dat video van hoge kwaliteit kan terugsturen van de dramatische opeenvolging van binnenkomst en landing van een rover.

Terwijl de Curiosity-rover een reeks gecomprimeerde beelden terugstuurde die het oppervlak van Mars tijdens de afdaling lieten zien, Intrede van doorzettingsvermogen, herkomst, en landingspakket bevat zes high-definition camera's en een microfoon die bedoeld is om al het drama van de "zeven minuten terreur" vast te leggen tussen het raken van de buitenste atmosfeer en het landen. Naast het kijken naar het oppervlak van de planeet, de camera's zijn gepositioneerd om te zien hoe de parachutes zich ontvouwen en ook om terug te kijken naar de afdaling en naar beneden naar de rover terwijl de twee gescheiden zijn.

De cameracomponenten zijn kant-en-klare modellen, maar de printplaat die hun interface en stroom beheert, is ontworpen door JPL. Het werd toen gebouwd door Tempo Automation uit San Francisco. opgericht in 2013, net nadat NASA de Mars 2020-missie aankondigde, Tempo gebruikte het werk om zijn productieprocessen te verbeteren.

Zoals de naam al doet vermoeden, De focus van Tempo Automation is snel, geautomatiseerde productie van printplaten, zelfs in kleine hoeveelheden. Een set tools die het bedrijf daartoe aanbiedt, is het proces om elk onderdeel "traceerbaar, " om bij te houden wie het heeft aangeraakt en wat ermee is gedaan op elk punt in het productieproces van het bord, evenals uit welk onderdeel het stuk afkomstig is. Deze informatie maakt het gemakkelijker om de oorzaak van een probleem te achterhalen en te zien welke andere boards mogelijk zijn getroffen, zei Tempo-medeoprichter Shashank Samala.

Om te voldoen aan de strenge documentatievereisten van JPL, Tempo heeft röntgenfoto's toegevoegd, ionische reinheidsgegevens, en gegevens van een geautomatiseerde optische inspectie voor elk onderdeel, dit alles maakt nu deel uit van de standaardprocedure van het bedrijf.

Een tool die uniek is voor Tempo is wat het fabricagesimulatie noemt:software die een computer-aided design (CAD)-model vertaalt in een fotorealistische weergave van hoe het uiteindelijke bord eruit zal zien. Een team maakte een prototype van de tool toen het JPL-werk begin 2018 begon, en dat werk hielp hen het te voltooien, zei Samala. Het debuteerde het volgende jaar.

Met de simulatie kunnen klanten hun ontwerpen controleren op problemen of gebreken voordat de productie begint, hij zei. "Een simpele fout kan veel geld en tijd kosten."

Hoewel het is ontworpen om klanten te helpen hun ontwerpen af ​​te ronden, het bedrijf ontdekte dat het ook intern nuttig was. Het fabricageproces kan leiden tot discrepanties tussen het originele CAD-model en het eindproduct, Samala uitgelegd. De simulatie "dient als een bron van waarheid op de fabrieksvloer, om de intentie van de ontwerper te communiceren. Het eerste waar we naar kijken is de simulatie."

Hij zei dat het leveren van een product dat aan de NASA-normen voldeed, het bedrijf heeft geholpen om in verschillende andere ruimtesystemen te komen, inclusief satellieten en raketten.

In de tussentijd, Chris Basset, die de printplaat bij JPL heeft ontworpen, kijkt uit naar het moment dat de camerabeelden worden teruggestraald vanaf Mars na de landing van Perseverance op 18 februari, 2021. "Dit is zo ver buiten wat we gewoonlijk doen dat het superspannend is, "zei hij. "Ik kan niet wachten om die beelden te zien."

Ultraviolette lasers scannen op chemische aanwijzingen

Een andere technologie waarvan de wortels ver teruggaan in NASA's Mars Exploration Program, vliegt ook voor het eerst op Perseverance en heeft veel potentiële toepassingen hier op aarde.

Toen twee oude collega's Photon Systems in 1997 oprichtten, onderzoek toonde een ongelooflijke belofte voor spectrometers - apparaten die licht gebruiken om de samenstelling van een monster te bepalen - die werken bij diep-ultraviolette (UV) golflengten. Deze hadden het potentieel om een ​​bacterie te identificeren of zelfs de kleinste chemische sporen te detecteren. Maar bronnen voor licht in het bereik van 220 tot 250 nanometer waren te groot, zwaar, en gevoelig voor omgevingsinvloeden, en had veel andere problemen.

William Hug en Ray Reid wilden een miniatuur ontwikkelen, lichtgewicht, robuuste diep-UV-laserbron voor spectroscopie in het veld. Hun eerste externe investering kwam in 1998 uit een paar SBIR-contracten met JPL, die geïnteresseerd was in een spectrometer die nucleïnezuren en aminozuren kon detecteren, organische materialen die fundamenteel zijn voor al het bekende leven. Vanaf dat moment, de Covina, Het in Californië gevestigde bedrijf heeft een aantal NASA SBIR's ontvangen, meestal met JPL, evenals financiering van NASA-programma's gericht op het ontwikkelen van instrumenten voor planetaire en astrobiologische wetenschap.

Nu zal het ruimteagentschap het eerste grote rendement behalen op zijn lange investering in de technologie:Perseverance is uitgerust met het instrument Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), die een Photon Systems-laser gebruikt om voorheen onzichtbare aanwijzingen te vinden in zijn zoektocht naar tekenen van vorig leven op Mars.

Hoewel het team geen bacteriën op Mars verwacht, organische stoffen die zich in het nabije oppervlak bevinden, kunnen worden geïdentificeerd met behulp van SHERLOC. Op aarde, dezelfde technologie kan worden gebruikt om organische stoffen te identificeren voor verschillende andere doeleinden.

Diep-UV-fotonen hebben een sterke wisselwerking met veel materialen, vooral degenen die organische moleculen bevatten. Dit resulteert in een hogere detectiegevoeligheid en grotere nauwkeurigheid in vergelijking met infrarood of zelfs zichtbaar licht laserbronnen.

Diep-UV-spectroscopie is gedaan in onderzoekslaboratoria, maar Hug en Reid bedachten een constructie die veel kleiner was, eenvoudiger, en goedkoper om te bouwen dan enig bestaand alternatief. "Diep-UV-lasers beginnen bij $ 100, 000. Daarom worden ze niet in de industrie gebruikt, " knuffel zei opmerkend dat laboratoriuminstrumenten die de technologie gebruiken, drie laboratoriumtafels in beslag kunnen nemen en een maand nodig hebben om op te zetten.

Een grote uitdaging was het niveau van perfectie dat de technologie vereist. Dezelfde gevoeligheden die kleine, hoogenergetische golflengten om zelfs een virus te detecteren, maken ze kwetsbaar voor de geringste defecten. Een microscopisch kleine imperfectie in een lens of ander oppervlak kan deze verstoren of verstrooien, en Hug zei dat het in meerdere industrieën vooruitgang heeft geboekt om aan de noodzakelijke normen te voldoen.

Photon Systems richt zich op twee soorten spectroscopie waarbij diep-UV-laserbronnen grote voordelen bieden ten opzichte van de al lang bestaande spectrometertechnologie, en SHERLOC zal beide gebruiken. Fluorescentiespectroscopie neemt het licht waar dat de meeste organische en veel anorganische materialen uitzenden wanneer ze worden geëxciteerd door bepaalde ultraviolette golflengten, net als wasmiddel dat gloeit onder een zwart licht. Elk zendt een afzonderlijke spectrale "vingerafdruk" uit.

Raman-spectroscopie, anderzijds, observeert het licht dat een molecuul verstrooit, waarvan sommige zullen verschuiven naar verschillende golflengten als gevolg van interactie met trillingen van moleculaire bindingen in het monster. Deze verschuivingen in golflengte kunnen worden gebruikt om de materialen in een monster te identificeren. De hoger-energetische fotonen van UV-licht wekken een veel sterker Raman-verstrooiingssignaal op van organische moleculen dan licht met een lagere frequentie. En omdat diep-UV-licht niet aanwezig is in natuurlijke fluorescentie of in zonlicht, het gebruik van deze zeer korte golflengten elimineert storingsbronnen.

In recente jaren, het bedrijf is begonnen met het ontwikkelen van de technologie tot producten, inclusief handsensoren en apparaten die persoonlijke blootstelling aan verontreinigingen bewaken, evenals laboratoriumapparatuur. Hun grootste markten zijn nu in de farmaceutische, voedselverwerking, en afvalwaterzuiveringsindustrieën, zei knuffel. Diepe UV kan bepaalde verbindingen identificeren en meten in veel lagere concentraties dan welke andere methode dan ook, ongeëvenaarde precisie in kwaliteitscontrole, of het nu gaat om het meten van de actieve ingrediënten in geneesmiddelen of het zorgen voor de netheid van machines en faciliteiten.

Bij afvalwaterzuivering, de technologie kan verontreinigingen identificeren en meten, waardoor de operator het behandelingsproces op maat kan maken en energie kan besparen voor ozoninfusie en beluchting. "Voor een kleine afvalwaterzuiveringsinstallatie het hele systeem betaalt zichzelf terug in minder dan een maand, ' zei knuffel.

Een toepassing waarin het leger heeft geïnvesteerd, is het identificeren van bacteriën en virussen. Uitzoeken welke bacteriën in een wond aanwezig zijn, bijvoorbeeld, zou helpen bij het lokaliseren van het juiste antibioticum om het te behandelen, in plaats van breedspectrumantibiotica te gebruiken die het risico lopen resistentie tegen geneesmiddelen te veroorzaken.

en snel, betaalbare diep-UV-spectroscopie veelbelovend voor medisch onderzoek, van diagnostiek tot het identificeren van eiwitten, peptiden, en ander biologisch materiaal.

"NASA is tot nu toe een constante metgezel geweest op onze reis, en de laser is slechts een deel van het verhaal, " zei Hug. "Het zijn ook de diep-UV Raman- en fluorescentie-instrumenten die we in de loop der jaren voor NASA en het ministerie van Defensie hebben gebouwd en die nu voor doorbraken zorgen voor de farmaceutische industrie, afvalwater, en de waterkwaliteit in het algemeen, en nu klinisch testen op virussen."

Op Mars, SHERLOC gaat op zoek naar organische materialen en analyseert de mineralen rond mogelijke tekenen van leven, zodat onderzoekers hun context kunnen begrijpen, zei Luther Beegle, hoofdonderzoeker voor SHERLOC bij JPL. Dit zal meer details verschaffen over de geschiedenis van Mars en ook helpen bij het identificeren van monsters voor terugkeer naar de aarde. Het instrument, die ook een camera bevat die in staat is tot microscopische beeldvorming, in staat zijn om de minerale en organische samenstelling van een gesteente tot in detail in kaart te brengen, levert veel belangrijke gegevens op.

"We gaan een spiksplinternieuwe meting doen op Mars, ' zei Beegle. 'Dit is iets dat nog nooit eerder is geprobeerd. We denken dat we echt de naald in de Mars-wetenschap gaan verplaatsen en een aantal geweldige monsters gaan vinden om mee terug te nemen."