Labore & Techniken
Laser induzierte Plasmaspektroskopie (LIBS)
LIBS (von Engl. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) ist eine spektroskopische Technik, die für den Einsatz als Nutzlast in robotischen Planetenerkundungsmissionen von großem Interesse ist. Dabei wird ein gepulster Laser verwendet, um Probenmaterial abzutragen und ein kleines Plasma zu erzeugen. Die Plasmaemissionen werden mit einem Spektrometer aufgezeichnet. Die Spektren zeigen intensive atomare, ionische und molekulare Merkmale, die den Elementen in der Probe und der umgebenden Atmosphäre entsprechen.
Mit LIBS können fast alle Elemente gemessen werden, was es zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Gesteinen und Böden auf der Erde und anderen planetaren Körpern macht. Da das Instrument nur optischen Zugang zu einer Probe benötigt, können Messungen über Entfernungen von mehreren Metern durchgeführt werden.
Das erste LIBS-Instrument, das in der Weltraumforschung eingesetzt wurde, ist das ChemCam-Instrument an Bord von NASAs Curiosity Rover. Es sammelt seit 2012 LIBS Daten von der Oberfläche des Mars. Sein Nachfolger SuperCam auf dem neuesten NASA Mars-Rover Perseverance kombiniert LIBS mit Raman- und Infrarotspektroskopie und verfügt zusätzlich über ein Mikrofon.
Ramanspektroskopie
Die Raman-Spektroskopie ist eine gängige Labortechnik zur Analyse von unbekannter Materie anhand inelastisch gestreuter Strahlung. Charakteristische Schwingungen in Mineralien und Molekülen wie organischen Verbindungen werden angeregt und erzeugen somit charakteristische Raman-Spektren, welche die Identifizierung der Proben ermöglichen. Die Technik ist daher sehr vielversprechend für die in-situ Erkundung planetarer Körper und kann sowohl für die Analyse von Gesteinen und Böden als auch für die Suche nach möglichen Spuren von Leben eingesetzt werden. Auf dem Perseverance Rover der NASA befinden sich die ersten beiden Raman-Sensoren in der Raumfahrt: SHERLOC und als Teil des SuperCam Instruments.
Das am DLR-OS entwickelte RAX-Instrument für die MMX-Mission der JAXA zum Phobos wird das dritte Raman-Instrument für extraterrestrische Anwendungen sein.
Referenzen:
T. Hagelschuer, U. Böttger, M. Buder , Y. Bunduki, Y. Cho, E. Dietz, T., H.-W. Hübers, S. Kameda, E. Kopp, A. Moral Inza, M. Pertenais , G. Peter , A. Pohl, O. Prieto-Ballesteros, K. Rammelkamp, S. Rockstein, S. Routley, S. Rufini, F. Rull, C. Ryan, T. Säuberlich, F. Schrandt, S. Schröder, S. Ulamec, K. Westerdorff, “RAX: The Raman spectrometer for the MMX Phobos rover.”, Proceedings of IAC 2022, IAC-22-A4.4.8 (2022).
S. Schröder, U. Böttger, M. Buder , Y. Bunduki, Y. Cho, E. Dietz, T. Hagelschuer, H.-W. Hübers, S. Kameda, E. Kopp, A. Moral Inza, M. Pertenais , G. Peter , A. Pohl, O. Prieto-Ballesteros, K. Rammelkamp, S. Rockstein, S. Routley, S. Rufini, F. Rull, C. Ryan, T. Säuberlich, F. Schrandt, S. Ulamec, T. Usui, K. Westerdorff, “RAX: The Raman Spectrometer on the MMX Rover for in-situ Surface Analysis on Phobos”, 54th LPSC, #2549 (2023).
Kombination von LIBS und Raman-Spektroskopie
In unserer Gruppe untersuchen wir auch das Potenzial von kombinierten LIBS/Raman-Instrumenten mit einem miniaturisierten Laboraufbau unter Verwendung eines gepulsten LIBS-Lasers und eines Dauerstrich-Raman-Lasers. Wir untersuchen die Auswirkungen von LIBS auf die anschließende Raman-Spektroskopie sowie Ansätze zur optimalen Analyse der kombinierten Daten.
Referenzen:
S. Schröder, K. Rammelkamp, F. Hanke, I. Weber, D.S. Vogt, S. Frohmann, S. Kubitza, U. Böttger, H.-W. Hübers, “Effects of pulsed laser and plasma interaction on Fe, Ni, Ti and their oxides for LIBS Raman analysis in extraterrestrial environments.“, Journ. of Raman Spectroscopy 51, 1667 (2019).
K. Rammelkamp, S. Schröder, S. Kubitza, D.S. Vogt, S. Frohmann, P.B. Hansen, U. Böttger, F. Hanke, H.-W. Hübers, “Low-level LIBS and Raman data fusion in the context of in situ Mars exploration.“, Journ. of Raman Spectroscopy 51, 1628 (2019).
LIBS für Mars, Mond und andere Körper des Sonnensystems
Unsere LIBS-Aufbauten sind kombiniert mit Simulationskammern, die evakuiert und mit verschiedenen Gasgemischen gefüllt werden können, um den atmosphärischen Druck und die Zusammensetzung zu simulieren, die auf anderen Planeten zu finden sind. Wir verwenden ein Mars-analoges Gasgemisch aus >95% CO2 bei Drücken von 6-8 mbar, um die Marsatmosphäre zu simulieren. Mit unseren Versuchsaufbauten können wir Drücke von bis zu 10E-5 Pa erreichen.
Wir untersuchen auch Anwendungen im Bereich von In-Situ Resource Utilization (ISRU) für den Einsatz auf dem Mond.
Referenzen:
K. Rammelkamp, S. Schröder, B.A. Lomax, E. Clavé, Heinz-Wilhelm Hübers, "LIBS for prospecting and Raman spectroscopy for monitoring: two feasibility studies for supporting in-situ resource utilization", Front. Space Technol. 5:1336548. doi: 10.3389/frspt.2024.1336548 , (2024).
S. Schröder, K. Rammelkamp, D.S. Vogt, O. Gasnault, H.-W. Hübers, “Contribution of a martian atmosphere to laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) data and testing its emission characteristics for normalization applications.”, Icarus 325, 1 (2019).
D.S. Vogt, S. Schröder, K. Rammelkamp, P.B Hansen, S. Kubitza, H.-W. Hübers, “CaCl and CaF emission in LIBS under simulated Martian conditions.“, Icarus 35, 113393 (2020).
D.S. Vogt, S. Schröder, L. Richter, M. Deiml, P. Weßels, J. Neumann, H.-W. Hübers, “VOILA on the LUVMI-X Rover: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for the Detection of Volatiles at the Lunar South Pole”, Sensors 22, 9518 (2022).
Vakuum-UV-LIBS
Neben der Untersuchung von LIBS im üblicherweise verwendeten Spektralbereich zwischen 230 nm und 900 nm untersuchen wir auch das Potenzial des Vakuum-UV-Spektralbereichs zwischen 100 nm und 200 nm, in dem viele interessante Elemente (z.B. C, H, N, O, P, S, Cl) ihre stärksten Emissionslinien haben. Dieser Spektralbereich wird in der Regel in der Atmosphäre absorbiert und ist daher für LIBS-Anwendungen unter Vakuumbedingungen, wie auf atmosphärenlosen Himmelskörpern wie dem Mond, besonders interessant.
Referenz:
S. Kubitza, S. Schröder, E. Dietz, S. Frohmann, P. B. Hansen, K. Rammelkamp, D. S. Vogt, H.-W. Hübers, “Detecting sulfur on the Moon: The potential of vacuum ultraviolet laser-induced breakdown spectroscopy.”, Spectrochim Acta B 174, 105990 (2020).
LIBS für Feldtests
Mit einem tragbaren LIBS-Instrument sind wir in der Lage, in-situ-Feldexperimente an Orten durchzuführen, die geologisch gesehen mit der Umgebung des Mars und des Mondes vergleichbar sind. Die Daten aus diesen Experimenten können mittels multivariater Datenanalyse ausgewertet werden, um statistische Modelle zu erhalten, die geologische Proben klassifizieren oder die Quantifizierung ihrer chemischen Zusammensetzung verbessern können.
Im Rahmen des Helmholtz-Projekts ARCHES wurde ein LIBS-Instrument in eine modulare Nutzlastbox eingebaut, die von der Lightweight Rover Unit (LRU) des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik transportiert werden kann.
Während der ARCHES-Demonstrationsmission im Juni 2022 an einem Hang des Ätnas auf Sizilien, der einer kargen Mondlandschaft recht ähnlich ist, liefen alle Tests erfolgreich: Die LRU erfasste LIBS-Daten im Feld, die über das Missionsnetzwerk an die Einsatzzentrale übertragen und mit einer vom Team entwickelten Software visualisiert und analysiert wurden.
Ein autonomer mobiler Roboter, der mit einem LIBS-Instrument ausgestattet ist, kann nicht nur für die Erkundung extraterrestrischer Oberflächen eingesetzt werden, sondern auch für terrestrische Zwecke, z. B. für die Suche nach bestimmten Materialien in schwer zugänglichen oder für Menschen unzugänglichen und gefährlichen Gebieten.
Referenzen:
S. Schröder, F. Seel, E. Dietz, S. Frohmann, P.B. Hansen, P. Lehner, A.F. Prince, R. Sakagami, B. Vodermayer, A. Wedler, A. Börner, H.-W. Hübers, "A Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Instrument for In-Situ Exploration with the DLR Lightweight Rover Unit (LRU)", Appl. Sci., 14(6), 2467; https://doi.org/10.3390/app14062467, (2024).
K. Rammelkamp, S. Schröder, G. Ortenzi, A. Pisello, K. Stephan, M. Baqué, H.-W. Hübers, O. Forni, F. Sohl, L. Thomsen, V. Unnithan, “Field investigation of volcanic deposits on Vulcano, Italy using a handheld laser-induced breakdown spectroscopy instrument.“, Spectrochim. Acta B 177, 106067 (2021).
LIBS-Plasmadynamik und LIBS-Akustiksignal
Um die Analyse der spektralen und akustischen LIBS-Daten vom Mars zu unterstützen, untersuchen wir die Dynamik des LIBS-Plasmas und die Erzeugung des akustischen LIBS-Signals in Laborstudien. Dazu verwenden wir einen Laboraufbau mit dem spektrale und zeitaufgelöste Plasmabilder, Schlierenbilder der Schockwelle und akustische Aufzeichnungen gemessen werden können.
Mit dem Plasma-Imaging-System können wir die räumliche Verteilung und die zeitliche Entwicklung des LIBS-Plasmas und bestimmter Spezies darin visualisieren. Diese Messungen helfen uns dabei, die Auswirkungen verschiedener atmosphärischer Umgebungen, wie die auf dem Mars, besser zu verstehen und damit die Auswertung der Marsdaten zu verbessern.
Das Schlieren-Bildgebungssystem kann Dichtevariationen zeigen, wie sie durch die LIBS-Stoßwelle hervorgerufen werden, und das Mikrofon kann zur Aufnahme des akustischen LIBS-Signals verwendet werden.
Durch die Kombination aller drei Methoden können wir die Erzeugung des akustischen Signals über vier Größenordnungen in der Zeit untersuchen und den Einfluss der experimentellen Parameter und der Eigenschaften der Probe auf die Erzeugung des akustischen LIBS-Signals analysieren.
Laborstudien zum akustischen LIBS-Signal bei Umgebungsbedingungen wie auf dem Mars sind von besonderer Bedeutung, da der neueste Mars Rover Perseverance der NASA eine Sensorsuite namens SuperCam an Bord hat und damit zum ersten Mal in der Geschichte der Weltraumforschung LIBS-Spektralfähigkeiten mit akustischen LIBS-Aufzeichnungen kombiniert.
Referenzen:
Vogt, D. S., Schröder, S., Frohmann, S., Hansen, P. B., Seel, F., Gensch, M., & Hübers, H. W. (2022). Spatiotemporal characterization of the laser-induced plasma plume in simulated Martian conditions. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 187, 106326.
Seel, F., Schröder, S., Vogt, D. S., Dietz, E., Hübers, H. W., & Gensch, M. (2023). Generation and evolution of laser-induced shock waves under Martian atmospheric conditions. Icarus, 394, 115405.
Maurice, S., Chide, B., Murdoch, N., Lorenz, R. D., Mimoun, D., Wiens, R. C., ... & Williford, K. (2022). In situ recording of Mars soundscape. Nature, 605(7911), 653-658.
Laboraufbauten
DLR
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