Im Jahr 2018 soll ein von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebener Rover zum Mars aufbrechen und dort ab Januar 2019 nach Anzeichen von einstigem oder gegenwärtigem Leben suchen. An der Entwicklung der dabei eingesetzten Instrumente sind auch mehrere Institute und Einrichtungen aus Deutschland beteiligt.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Laser Zentrum Hannover e. V..
(Bild: ESA)
Eines der erklärten Aufgabengebiete der Exobiologie ist die Suche nach extraterrestrischem Leben und die Ergründung und Erforschung der Umwelt-bedingungen, welche die Entstehung und Weiterentwicklung von Leben in unserem Universum ermöglichen. Hierzu startet die europäische Weltraumagentur ESA in den Jahren 2016 und 2018 in Kooperation mit der amerikanischen Weltraumbehörde NASA in zwei Etappen die Mission ExoMars. Im Rahmen dieser unbemannten Erkundungsmission zu unserem äußeren Nachbarplaneten wird ab dem Januar 2019 auch ein Rover auf der Oberfläche des Mars zum Einsatz kommen.
Im Gegensatz zu den gegenwärtig von der NASA betriebenen Marsrovern Spirit und Opportunity, welche in erster Linie auf geologische Fragestellungen spezialisiert sind, wird dieser Rover in seiner wissenschaftlichen Zielsetzung in erster Linie auf biologische Untersuchungen ausgerichtet sein und auf dem Mars nach Anzeichen für einstiges oder sogar noch gegenwärtig existierendes Leben suchen.
Eines der zentralen Analyseinstrumente des ExoMars-Rovers wird das “Mars Organic Molecule Analyser”-Instrument MOMA sein. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Massenspektrometer, welches für die Detektion von flüchtigen Molekülen in der Marsatmosphäre und sedimentären Materials eingesetzt werden wird. Im Rahmen seiner Aufgabenstellung soll MOMA bei der Suche nach Spuren von Leben suchen, indem es eventuell vor Ort vorhandene organische Materie identifiziert und analysiert. Sollte man bei diesen Analysen organische Moleküle wie etwa Kohlenwasserstoffe nachweisen können, so könnten diese Hinweise auf mögliche Formen von früherem oder gegenwärtigen Leben auf dem Mars liefern.
Zu den Kernkomponenten von MOMA wird ein weltraumqualifiziertes Laserdesorptions-Massenspektrometer (LD-MS) zählen, welches einen diodengepumpten Festkörperlaser im UV-Spektralbereich beinhaltet. Durch Laserdesorption werden im Verlauf der Analysen nicht verdampfbare Moleküle in die Gasphase gebracht und dabei schwach ionisiert, so dass sie anschließend im Massenspektrometer nachgewiesen werden können. Für diesen Vorgang wird ein kompakter, gepulst betriebener Laser mit einer Emissionswellenlänge von 266 nm und einer Laserpulsenergie von mehr als 250 µJ benötigt. Ein derartiges weltraumgeeignetes Lasersystem steht jedoch bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt weltweit noch nicht zur Verfügung.
Für die Entwicklung und Qualifizierung dieser für das MOMA-Instrument entscheidenden Technologie werden der Gruppe “Space Technologies/Abteilung Laserentwicklung” am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ab sofort Finanzmittel in Höhe von rund drei Millionen Euro aus dem nationalen Förderprogramm “Erforschung des Weltraums” zur Verfügung gestellt. Im aktuellen Vorhaben soll ein bereits existierendes Prototypen-Lasersytem bis zum Jahr 2014 zu einem einsatzreifen Flugmodell weiterentwickelt werden.
(Bild: vH&S, LZH)
Die Hauptaufgabe des LZH besteht dabei in der Entwicklung des eigentlichen Festkörperlaserkopfes. Die dabei gegebenen sehr hohen technischen Anforderungen für einen Weltraumeinsatz erläutert Dr. Jörg Neumann, der zuständige Projektleiter am LZH, mit den folgenden Worten: “Als besonders anspruchsvoll stellen sich die großen Temperaturunterschiede im Tag-Nacht-Wechsel auf dem Mars dar. Dazu kommen mechanische Erschütterungen auf dem Weg zum Mars sowie kosmische ionisierende Strahlung. Die Herausforderung besteht darin, den Laser stabil genug für diese Belastungen zu bauen und dabei gleichzeitig leicht, klein und kompakt.”
Die Ingenieure der Abteilung Laserentwicklung des LZH setzen dabei auf einen passiv gütegeschalteten Nd:YAG-Oszillator, welcher mittels optischer Faser longitudinal gepumpt wird. Das infrarote Licht des Oszillators wird dabei mit Hilfe nichtlinearer Kristalle in ultraviolette Strahlung umgewandelt. Eine thermale Regelung soll auch bei wechselnden Umgebungstemperaturen die Funktionalität des Instruments gewährleisten.
Dr. O. Roders, der zuständige Projektleiter für das MOMA-Instrument am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), sieht in der Kooperation mit dem LZH eine hervorragende Kombination von bereits bestehenden Know-how: “In Hannover arbeiten die absoluten Spezialisten für die benötigte UV-Lasertechnologie. Wir liefern mit unseren Erfahrungen in Bezug auf die Anforderungen extremster Weltraumbedingungen die passende Laserelektronik.”
Bis zu einem weltraumtauglichen Flugmodell liegen zwar noch mehrere Jahre intensiver Entwicklungsarbeit vor der Gruppe, aber erste Tests mit dem Prototypen zeigen bereits vielversprechende Ergebnisse. So konnte der Laserkopf bei den bisher erfolgten Erprobungen ionisierenden Bestrahlungen, mechanischen Vibrationen und einem Thermal-Vakuum-Test erfolgreich widerstehen.
Die Entwicklung des Laserdesorptions-Massenspektrometers wird von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50 QX 1002 gefördert.