Terwijl de NASA Curiosity-rover over het oppervlak van Mars zwerft, zijn ChemCam legt de chemische samenstelling van zijn omgeving vast met een speciaal ontworpen lasersysteem. Het is de krachtigste laser om op het oppervlak van een andere planeet te werken. De uitbarsting van infrarood licht die het afvuurt duurt slechts een paar miljardsten van seconden, maar het is krachtig genoeg om de plek die het raakt te verdampen bij meer dan 8, 000°C. Zelfs op afstand, de ChemCam kan rotsen en grond onderzoeken met behulp van een proces dat Laser Induced Breakdown Spectroscopie (LIBS) wordt genoemd, waar laserbursts componenten vernevelen en exciteren en spectrale beelden hun chemische handtekeningen vastleggen.

Hier op aarde, wetenschappers bouwen al de volgende generatie ChemCam met indrukwekkende upgrades en gloednieuwe spectrale mogelijkheden voor de NASA Mars 2020-rover, genoemd naar het jaar van de geplande lancering. Naast een sneller LIBS-systeem, de SuperCam zal een geheel nieuw geleidingsgekoeld lasersysteem bevatten om de niet-destructieve analysecapaciteit van RAMAN-spectroscopie te bieden, in staat om op koolstof gebaseerde handtekeningen van organische materialen te detecteren.

Samen met het Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) en het onderzoeksinstituut voor astrofysica en planetologie (IRAP), Thales Group bevindt zich in de laatste fase van het testen van het compacte SuperCam-systeem dat uiteindelijk zware omstandigheden op Mars zal doorstaan. Ze hebben al een volledige gebouwd en getest, representatief model, de resultaten van dit onderzoek worden gepresenteerd tijdens het OSA Laser Congress, 1-5 oktober 2017 in Nagoya, Japan.

In tegenstelling tot de LIBS-only functionaliteit van Curiosity, dit nieuwe instrument zal kunnen schakelen tussen een LIBS-modus en een Raman-modus van laseren, een methode die twee verschillende laserkleuren vereist om moleculaire vibratie-energieën te exciteren en te onderzoeken voor zijn niet-destructieve chemische identificatie. De tweede kleur wordt geproduceerd door een kristal dat de frequentie van 1064 nanometer verdubbelt die wordt gebruikt voor LIBS-metingen - dat nu 10 keer zoveel opnamen produceert in elke burst van de laser voor snellere bemonstering.

Deze tweede, Een straal van 532 nanometer stelt Mars 2020 in staat om moleculaire structuren te detecteren die duidelijk zichtbaar zijn in organische materie - bewijs van vorig leven. De nieuwe optische architectuur die nodig is om de twee werkingsmodi te produceren, echter, was niet zonder uitdagingen.

De verbeterde LIBS-oscillator maakt gebruik van een door diode gepompt Nd:YAG-kristal, in tegenstelling tot ChemCam's Nd:KGW, die de langere bursts biedt, maar nieuwe methoden vereist om functionaliteit over een groot temperatuurbereik te garanderen. Omdat de Nd:YAG absorbeert over een smal frequentiebereik om bij een bepaalde temperatuur te laseren, de SuperCam gebruikt een meerkleurige gestapelde diode die met een breed spectrum kan pompen om rekening te houden met een temperatuurbereik.

"Deze laser werkt in burst-modus, maar met deze laser kunnen we 1000 opnamen maken in één burst terwijl de ChemCam-laser 10 keer minder was, " zei Eric Durand, een van de ontwikkelaars van SuperCam bij Thales Group, Frankrijk. "We pompen deze laser in de lengterichting met een stapel die breedband uitzendt, zodat wanneer de temperatuur verandert, het ND:YAG-kristal absorbeert nog steeds het licht en de laser kan zonder temperatuurregeling worden gebruikt boven 50 tot 60 graden."

Nog een complicatie toevoegend aan temperatuurregeling, het KTP-kristal dat het groen produceert, frequentie verdubbeld licht vereiste extra stabilisatie.

"Het moeilijkste was om het temperatuurbereik ook met de groene golflengte te bereiken, omdat we de efficiëntie over het hele bereik moeten behouden, en het was alleen mogelijk door het KTP-kristal een beetje te verwarmen, ' zei Durand.

De temperatuurstabilisatie die nodig is om het systeem uitgelijnd en werkend te houden voor beide modi, is moeilijk genoeg om in een laboratorium te bereiken, maar dit systeem is ontworpen om dezelfde stabiliteit te hebben op de rover terwijl deze het rotsachtige terrein van Mars doorkruist. Bovendien, het moet voldoen aan de strikte afmetingen en gewichtsbeperkingen die gepaard gaan met ruimtereizen en vrij blijven van verontreinigingen die de componenten zouden vernietigen - een prestatie die werd bereikt door het instrument af te dichten met laserlassen.

De robuuste en krachtige capaciteiten van de nieuwe SuperCam zullen een onschatbare chemische sonde zijn voor de Mars 2020-rover en kunnen een hele reeks nieuwe bevindingen hier op aarde tot leven brengen.