13.07.2012 / Autor: Ralph-Mirko Richter

Das Alphapartikel-Röntgenspektrometer APXS

Wie bereits seine drei Vorgängermissionen, der im Jahr 1997 im Rahmen der Pathfinder-Mission aktive Marsrover Sojourner und die beiden Rover Spirit und Opportunity, wird auch der neueste Marsrover der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der Rover Curiosity, über ein Alpha Particle X-ray Spectrometer (kurz APXS) verfügen.

Funktionsweise

NASA, JPL-Caltech

Bild vergrößernIngenieure des JPL bei dem Montage des APXS.
(Bild: NASA, JPL-Caltech)

Bei dem "Alpha Particle X-ray Spectrometer" (zu deutsch "Alphapartikel-Röntgenspektrometer", kurz "APXS") handelt es sich um ein Spektrometer, mit dessen Hilfe die prozentuale chemische Zusammensetzung von Marsgesteinen und Marsböden ermittelt werden kann. Das APXS macht sich dabei das Prinzip der Röntgenfluoresenzspektroskopie und der Partikel-indizierten Röntgenemission (PIXE) zunutze. Das Instrument besteht aus einer im Inneren der "Warm Electronics Box" des Rovers befindlichen Elektronik-Einheit und einem am Ende des Instrumentenarms von Curiosity montierten Sensorkopf, welcher eine Isotopenquelle - es handelt sich hierbei um eine Menge von ungefähr 800 Mikrogramm des über eine Halbwertszeit von 18,1 Jahren verfügenden radioaktiv strahlenden Isotops Curium-244 - beherbergt.

University of Guelph

Die Funktionsweise des APXS.
(Bild: University of Guelph)
Im Vorfeld einer durchzuführenden Messung wird dieser an seinem Ende 1,7 Zentimeter durchmessende Sensorkopf direkt auf dem zu untersuchenden Objekt aufgesetzt. Durch diese Bodenberührung wird ein Kontaktring in das Innere des Sensorkopfes gedrückt, welcher dabei über eine interne Mechanik zwei Türen öffnet. Diese Türen, welche während der Zeiten, in denen keine Messungen erfolgen, geschlossen sind, sollen verhindern, dass der in der Marsatmosphäre enthaltene Staub unkontrolliert in den Sensorkopf eindringen kann.

Die Isotopenquelle sendet nach dem Öffnen der beiden Türen bei der anschließenden Messung eine Alphastrahlung in Form von Heliumkernen aus, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sobald die Heliumkerne in der zu untersuchenden Bodenformation auf andere Atomkerne treffen, wird die Alphastrahlung dabei abhängig von der Atommasse der getroffenen Atome auf eine charakteristische Art und Weise reflektiert und gestreut. Die reflektierte Strahlung wird anschließend von einem im Inneren des Kopfstückes befindlichen Röntgenstrahlen-Detektor aufgefangen und vermessen. Durch die Ermittlung des Winkels der erfolgten Ablenkung und der dabei auftretenden Energie ergeben sich genaue Daten über die Masse der für die Ablenkung verantwortlichen Atomkerne, woraus sich wiederum auch die dafür verantwortlichen chemischen Elemente bestimmen lassen.

Aus der sich so ergebenden Zusammensetzung der verschiedenen Moleküle kann wiederum auf das zugrunde liegende Mineral und daraus auf die chemische Zusammensetzung der untersuchten Bodenformation geschlossen werden. Des weiteren geben die Messungen beispielsweise Auskunft über stattgefundene Verwitterungsprozesse oder frühere Aktivitäten von Wasser auf der Marsoberfläche. Mit dieser Methode lassen sich speziell leichte Elemente wie Natrium, Magnesium, Aluminium und Schwefel identifizieren und ihre Mengenanteile in der untersuchten Gesteinsprobe bestimmen. Aber auch schwerere Elemente wie zum Beispiel Eisen, Nickel oder Zink lassen sich auf diese Weise detektieren.

Der Einsatz eines APX-Spektrometers im Rahmen einer Marsrovermission ist bei der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA fast schon Tradition. Auch die drei Vorgängermissionen Curiositys, der im Rahmen der Pathfinder-Mission im Jahr 1997 aktive Marsrover Sojourner und die beiden im Januar 2004 auf dem Mars gelandeten Rover Spirit und Opportunity, waren mit jeweils einem dieser Spektrometer ausgerüstet.

Oberflächenuntersuchungen

University of Guelph

Der schematische Aufbau des APXS.
(Bild: University of Guelph)
Allerdings handelt es sich bei dem im Rahmen der Curiosity-Mission verwendeten APXS um eine technische Weiterentwicklung des Spektrometers. "Das APXS von Curiosity wurde für diese Mission modifiziert", so Prof. Dr. Ralf Gellert von der University of Guelph in Ontario/Kanada, der für dieses Instrument verantwortliche Wissenschaftler. "Im Rahmen der Mars Exploration Rover-Mission [gemeint sind hiermit die beiden Marsrover Spirit und Opportunity] benötigten wir fünf bis zehn Stunden, um die gleichen Informationen zu erhalten, welche wir jetzt in lediglich zwei bis drei Stunden sammeln werden. Wir hoffen, dass wir so deutlich mehr Messungen durchführen können."

Eine daraus resultierende signifikante Verbesserung im Vergleich zu den vorher verwendeten APX-Spektrometern besteht in einer gegebenenfalls erfolgenden Kühlung des für die Messungen benötigten Röntgenstrahlen-Detektors. Das als Strahlungsquelle verwendete Curium-244 gibt aufgrund seiner Radioaktivität eine relativ große Wärmemenge von etwa drei Watt pro Gramm an seine Umgebung ab. Um die Messergebnisse nicht zu verfälschen darf der lediglich 10 Quadratmillimeter große Sensor jedoch keiner zu hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt sein. Die im Rahmen der Mars Exploration Rover-Mission verwendeten APX-Spektrometer - diese verfügten über baugleiche Röntgenstrahlen-Detektoren wie Curiosity - konnten ihre Messungen deshalb lediglich während der kalten Marsnächte oder in den frühen Vormittagsstunden durchführen. Das APXS der Curiosity-Mission kann dagegen dank eines speziellen Kühlsystems - es handelt sich hierbei um ein Peltier-Element - gegebenenfalls auch während des Marstages aktiv sein, wobei der Röntgenstrahlen-Detektor auf eine Temperatur von minus 35 Grad Celsius gekühlt wird. Auch diese Weiterentwicklung wird dazu führen, dass Curiosity deutlich mehr Messungen durchführen wird als seine Vorgänger.

Eine lediglich zehnminütige Messung wird bereits einen ersten, groben Überblick über die Zusammensetzung der untersuchten Probe liefern. Elemente wie Natrium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Kalzium, Eisen oder Schwefel können dabei ab einem Mengenanteil von etwa 0,5 Prozent eindeutig nachgewiesen werden. Im Rahmen einer dreistündigen Messung wird es dagegen möglich sein, die Zusammensetzung der untersuchten Materialprobe detailliert zu entschlüsseln. Dabei kann zum Beispiel das Element Nickel ab einem Mengenanteil von etwa 100 ppm nachgewiesen werden. Die Nachweisgrenze von Brom liegt dagegen in diesem Zeitrahmen bei sogar lediglich etwa 20 ppm.

MPCh Mainz

Dieses Röntgenspektrum der Gesteinsformation "McKittrick" fertigte das APX-Spektrometer von Opportunity im Jahr 2004 nur wenige Tage nach der Landung auf dem Mars an. Durch die Messungen konnte der Anteil verschiedener chemischer Elemente im Marsboden ermittelt werden.
(Bild: MPCh Mainz)
Das wissenschaftliche Hauptziel des APXS besteht darin, den geologischen Kontext des Geländes zu bestimmen, auf dem sich Curiosity bewegt. Durch die ermittelten Spektren wird es möglich sein, die Prozesse zu charakterisieren, welche zur Bildung der Gesteine und Böden geführt haben und das Ausmaß der Erosion zu bestimmen, welcher diese in der Vergangenheit ausgesetzt waren. Die hohe Präzision und die geringen Nachweisgrenzen des Spektrometers speziell für verschiedene salzbildende Elemente wie Schwefel, Brom oder Chlor erlauben dabei die Identifikation lokaler Anomalien in der Zusammensetzung der Oberfläche und die Auswahl spezieller Proben, welche anschließend durch weitere analytische Instrumente des Rovers (zum Beispiel durch CheMin) näher untersucht werden können.

Die Untersuchung der Marsatmosphäre und des Wettergeschehens

Zusätzlich zu der Untersuchung der Böden und Gesteine auf der Marsoberfläche kann das APXS theoretisch allerdings auch für die direkte Untersuchung der Marsatmosphäre sowie der Analyse der jahreszeitlich bedingten Veränderungen in deren Zusammensetzung und der damit verbundenen dynamischen Vorgängen genutzt werden.

Neben verschiedenen Spurengasen wie zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserdampf oder auch Methan besteht die Lufthülle unseres Nachbarplaneten zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid, welches dabei mit einen Anteil von 95,32 Prozent vertreten ist. Zwei weitere bedeutende Bestandteile der Marsatmosphäre sind Stickstoff (2,7 Prozent) sowie das mit einem Mengenanteil von 1,6 Prozent vorhandene Edelgas Argon. Diese Mengenanteile sind jedoch nicht konstant, sondern sie verändern sich vielmehr in einem bestimmten, jahreszeitlich bedingten Rhythmus.

Auf seiner sehr exzentrischen Umlaufbahn um die Sonne - der Wert der Exzentrizität der Marsbahn beträgt 0,0935 und weist nach der Umlaufbahn des Planeten Merkur die größte aus dem Sonnensystem bekannte Abweichung einer Planetenbahn von der idealen Kreisbahn auf - durchlebt der Mars eine regelmäßig erfolgende Veränderung in der Dichte und Zusammensetzung seiner Atmosphäre. Sobald auf einer der beiden Hemisphären des Mars der Winter einsetzt, friert das über dem betroffenen Pol in der Atmosphäre befindliche Kohlendioxid aufgrund der damit verbundenen tieferen Lufttemperaturen im großen Umfang aus der Atmosphäre aus und schlägt sich in Form von Trockeneisablagerungen auf der Oberfläche nieder. Im Rahmen dieses Prozesses bildet sich über dem jeweiligen Polargebiet ein ausgedehntes atmosphärisches Tiefdruckgebiet, welches die Luft des Planeten regelrecht in die Richtung des betroffenen Pols zieht.

MPCh Mainz

Bild vergrößernIm Vergleich zu dem bei dem bei der Curiosity-Mission verwendeten APXS hier die schematische Darstellung des MER-APXS.
(Bild: MPCh Mainz)
Mit dem einsetzenden Frühling erhöht sich die Lufttemperatur wieder und das zuvor im festen Zustand auf der Polarkappe abgelagerte Kohlendioxid geht erneut in den gasförmigen Zustand über, was zu einer erneut erfolgenden Verdichtung der Atmosphäre führt. Dadurch bildet sich jetzt über dem betroffenen Pol ein Hochdruckgebiet, welches die Luftmassen wieder in Richtung des Marsäquators schiebt. Hierdurch werden in den oberen Atmosphärenschichten des Mars unter bestimmten Bedingungen Windgeschwindigkeiten von bis zu 650 Kilometern pro Stunde erzeugt.

Das Argon ist von diesem regelmäßig erfolgenden Ausfrieren der Atmosphäre nicht betroffen und verbleibt während des gesamten Marsjahres in einer konstanten Menge in der Marsatmosphäre, da es erst bei viel niedrigeren Umgebungstemperaturen gefriert. Dadurch verändert sich auch ständig das Mengenverhältnis von Kohlendioxid zu Argon. Ein Instrument an Bord des von der NASA betriebenen Orbiters Mars Odyssey, das Gamma Ray Spectrometer (GRS), konnte so in der Vergangenheit nachweisen, dass am Südpol des Mars während des dort herrschenden Winters die Argonkonzentration etwa sechs mal höher ausfällt als während der wärmeren Jahreszeiten.

Im Rahmen dieses Prozesses der abwechselnden Sublimation und Resublimation des Kohlendioxids und der sich dadurch bedingt bildenden Hoch- und Tiefdruckgebiete kommt es zu einer stetig erfolgenden Vermischung zwischen den Luftmassen im Bereich des Äquators und den Luftmassen über den Polargebieten. Um den zeitliche Ablauf dieser Vermischung und die sich dabei ergebenden Veränderungen zu untersuchen, ermittelt das GRS von Mars Odyssey die Argonkonzentration in einer mehrere hundert Kilometer hohen Luftsäule, welche sich von der obersten Atmosphärenschicht bis zur Planetenoberfläche erstreckt.

Allerdings sind solche Argon-Messungen auch von der Oberfläche des Mars aus möglich. So wurden die APX-Spektrometer der beiden Marsrover Spirit und Opportunity in der Vergangenheit in regelmäßigen Abständen dazu eingesetzt, um die Argonkonzentration in den Operationsbereichen der Rover zwischen dem Instrument und der Planetenoberfläche zu ermitteln.

Die Messungen der beiden Rover haben dabei gezeigt, dass die Argonkonzentration in der Atmosphäre an deren Landeplätzen nicht konstant ist, sondern dass sie sich vielmehr mit dem Wechsel der Jahreszeiten verändert. Diese Veränderung der Argonkonzentration folgt dabei der gesamten Veränderung der atmosphärische Druckverhältnisse, erfolgt jedoch nicht synchron mit dem zeitlichen Ablauf der Veränderungen. Vielmehr ist eine Verzögerung von mehreren Monaten zwischen dem maximalen Argon-Kohlendioxid-Mischungsverhältnis und dem Zeitpunkt des maximalen Atmosphärendrucks zu beobachten. Außerdem zeigte sich bei den Orbiter-Messungen des GRS, dass an beiden Polen ein unterschiedlicher Grad der Kohlendioxidfreigabe erfolgt. Die Menge des an den äquatornahen Positionen der Rover nachgewiesenen Argons wird dabei durch die Effizienz gesteuert, mit der sich die Marsatmosphäre in den Landegebieten der beiden Rover - dem Meridiani Planum und dem Gusev-Krater - vermischt.

Während die Wissenschaftler den gesamten Sublimations-Resublimations-Zyklus von Kohlendioxid in der Marsatmosphäre relativ gut verstehen, besteht bisher noch kein allzu gutes Verständnis der in der Äquatornähe erfolgenden Durchmischung der Atmosphäre, welches das dortige Auftreten und "Verhalten" des Argons erklären könnte. Es wird allerdings allgemein vermutet, dass hierfür das Auftreten einer Hadley-Zelle verantwortlich ist. Diese Zelle sorgt für eine Zirkulation der Marsatmosphäre zwischen der Äquatorregion, wo die Luft erwärmt wird, und den polwärts gerichteten Breiten, wo sie wieder abkühlt. Die Luftmassen können sich im Rahmen dieser Hadley-Zelle allerdings lediglich bis etwa zum 60. nördlichen beziehungsweise südlichen Breitengrad bewegen. Dort treffen sie auf einen Wirbel von sich schnell um den Pol bewegenden Winden und werden von diesen beiden zirkumpolaren Luftwirbeln blockiert.

NASA, JPL-Caltech, MPCh Mainz

Bild vergrößernEin Bild des im Rahmen der MER-Mission verwendeten Sensorkopfes des APXS.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, MPCh Mainz)
Diese zirkumpolaren Luftwirbel wurden übrigens erst beim Einbremsmanöver des Marsorbiters Mars Odyssey in dessen Umlaufbahn im Herbst 2001 entdeckt und sind bisher ebenfalls noch nicht vollständig verstanden. Es wird allerdings vermutet, dass auch diese polaren Luftwirbel eine bedeutende Rolle bei der Verteilung von Argon und Kohlendioxid, aber auch von Wasserdampf und Staub in der Marsatmosphäre einnehmen müssen. Durch das Studium der Argonkonzentration an den Landestellen der Rover Spirit und Opportunity erhielten die Marsforscher einen ersten Einblick in die äquatornahe Zirkulation und Durchmischung der Marsatmosphäre, woraus sich wiederrum Rückschlüsse auf die Hadley-Zellen und die zirkumpolaren Luftwirbel ziehen lassen. Das Verständnis der hierbei erfolgenden Prozesse ist jedoch eine der Grundvoraussetzungen für das Verständnis der atmosphärischen Aktivitäten, welche das Wettergeschehen auf dem Mars bestimmen.

Durch die Messungen des im Rahmen der Curiosity-Mission eingesetzten APXS lassen sich diese bisher erhaltenen Einblicke in die Marsatmosphäre eventuell noch weiter vertiefen. Bisher stehen entsprechende Argon-Messungen allerdings noch nicht auf dem Untersuchungsprogramm der an dem APX-Spektrometer beteiligten Wissenschaftler.

"Die [bisherigen] Marsrovermissionen haben einen Menge Fragen beantwortet. Aber sie haben zugleich auch eine Vielzahl neuer Fragen eröffnet", so Dr. Ralf Gellert. "Curiosity wurde dazu entwickelt, um dort weiterzumachen, wo Spirit und Opportunity aufgehört haben."

Das für die Curiosity-Mission verwendete APXS wurde von der kanadischen Weltraumagentur CSA finanziert und von der Firma MDA Space Missions gebaut. Die für den wissenschaftlichen Betrieb des APXS erforderlichen Finanzmittel werden durch die CSA, die NASA und durch die University of Guelph zur Verfügung gestellt. Der Principal Investigator des APXS, Prof. Dr. Ralf Gellert, war bereits an der Entwicklung der beiden im Rahmen der Mars Exploration Rover-Mission zum Mars gesandten APXS-Spektrometer beteiligt, welche am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz erfolgte. In den folgenden Missionsjahren war Dr. Gellert neben der Weiterentwicklung der eingesetzten Software an der Auswertung der durch diese beiden Instrumente gelieferten Daten beteiligt.

Um die Aktivitäten und Messresultate des Curiosity-APXS auf dem Mars besser nachvollziehen und das Instrument optimal kalibrieren zu können, wurde auf dem Campus der University of Guelph eine spezielle Simulationskammer errichtet, in der ein baugleiches APXS unter nachgestellten "Marsbedingungen" betrieben werden kann. Die aktuellen Forschungen der Arbeitsgruppe um Dr. Gellert konzentrieren sich neben der eigentlichen Curiosity-Mission auf die Weiterentwicklung der APXS-Hardware und die Entwicklung der damit verbundenen Software. Entsprechende Analysesysteme könnten im Rahmen zukünftiger Forschungsmissionen zum Mars, zu dessen beiden Monden Phobos und Deimos, zu verschiedenen Asteroiden oder auch zu dem Erdmond zum Einsatz kommen.