Raman Spektrometer für MMX (RAX)
DLR
Das Raman Spektrometer für MMX (RAX) ist ein wissenschaftliches Instrument für den Rover IDEFIX im Rahmen der japanischen Martian Moons eXploration (MMX) Mission. Das DLR-Institut für Weltraumforschung (WR) hat die Entwicklung des Instruments geleitet und führt weiterhin das zugehörige wissenschaftliche Team an. WR nutzt hierfür die langjährigen Erfahrungen in den Bereichen der Anwendungen von Raman-Spektroskopie in der Planetenforschung und der Entwicklung von Spektrometern für die Weltraumforschung. RAX ist ein besonders kompaktes und leichtes Instrument mit einem Gesamtgewicht von 1,5 kg und wird die mineralogische Zusammensetzung der Oberfläche des Marsmonds Phobos untersuchen.
Wissenschaftlichen Ziele
RAX ist ein besonders kompaktes Raman-Spektrometer zur Identifizierung der Minerale auf dem Marsmond Phobos. Das Instrument liefert Raman-Spektren in einem Spektralbereich bis 4000 cm-1 mit einer Auflösung von 10 cm-1. Die Messungen werden dazu beitragen, die Frage nach der Herkunft von Phobos zu beantworten weil verschiedene Mineralien mit verschiedenen Entstehungsszenarien in Zusammenhang gebracht werden können. Dazu sollen die RAX-Messungen mit Daten von Gesteinen und Mineralien anderer Instrumente auf dem Mars verglichen werden. Des Weiteren ist ein Vergleich mit Proben geplant, die im Rahmen der MMX-Mission zur Erde zurückgebracht werden.
RAX Design
Das RAX-Instrument ist ein besonders kleines und leichtes Raman-Spektrometer basierend auf einem 532 nm CW-Laser, einem Gitterspektrometer und einem CMOS-Sensor.
Das Instrument muss den extremen Umgebungsbedingungen auf Phobos standhalten, wie z.B.:
- extreme Temperaturschwankungen (-55 bis +70 ℃ für die Lagerung und -40 bis +5 ℃ für den Betrieb),
- schnelle Tageszyklen,
- Staub (kann Optiken und Aktuatoren verunreinigen),
- Vakuum (erschwert die Wärmeverteilung im Instrument) und
- Strahlung (beeinflusst/beschädigt Optik- und Elektronikkomponenten).
- Das Instrument muss außerdem in den außergewöhnlich kompakten Rover passen.
Das RAX-Instrument besteht aus zwei physisch getrennten Einheiten: der RAX-Laserbaugruppe (RLA) und dem RAX-Spektrometermodul (RSM). Das Autofokus-Subsystem (AFS), das für die Fokussierung des Lasers auf der Oberfläche von Phobos bestimmt ist, ist im RSM untergebracht. Das gesamte RAX-Instrument hat ein Volumen von ca. 81 × 125 × 98 mm³ und eine Masse von ca. 1,5 kg. Das DLR- Institut für Weltraumforschung hat das RSM entwickelt. Verantwortlich für die Entwicklung von AFS sind die University of Tokyo, JAXA, und die Rikkyo University, Japan. Das RLA wird vom Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) bereitgestellt und der Universität Valladolid, Spanien, die die RLS-Lasereinheit für die ExoMars Mission entwickelt und gebaut haben.
Das RLA ist ein kompaktes Lasermodul, das einen 532 nm Laserstrahl mit einer variablen Leistung von bis zu 35 mW emittiert und ist ein Flugersatzteil der für die ExoMars-Mission entwickelten Lasereinheit des RLS Instruments. Das RLA führt dem RSM über eine optische Faser Laserlicht zu. Der kollimierte Laserstrahl wird durch das AFS, das eine Eingangslicht-Shuttle-Objektivlinse (LSO) und einen Aktuatormechanismus umfasst, auf die Oberfläche von Phobos fokussiert. Das Streulicht wird vom Eintrittsobjektiv gesammelt und kollimiert und an das Spektrometermodul gesendet. Im RSM sind eine Reihe von Optiken wie dichroitischer Spiegel, Kollimatorlinsen, Schlitz, Transmissionsgitter, Raman-Kantenfilter und Kameraobjektive montiert. Das Bild aus dem Spalt wird mit dem 3D-plus-CMOS-Sensor aufgenommen. Im RSM ist die Elektronik zur Steuerung des Laser- und Fokusaktuators untergebracht. Der Laserspotdurchmesser auf der Probe ist 50 µm groß, um ein hohes Raman-Signal und eine unbeschädigte Probe zu gewährleisten. Der Abstand zwischen der untersten Spitze des LSO und dem Laserfokus beträgt 78 mm. Der Hub des LSO und seine Auflösung sind konstruktionsbedingt länger als 13 mm bzw. feiner als <50 µm.
Die autonome Fokussierung erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt senkt sich der Rover mithilfe seiner Beine so weit ab, bis RAX seinen Arbeitsabstand zur Probe erreicht hat. Sobald RAX in der Lage ist, die optimale Fokusposition zu erreichen, beginnt die Feinfokusprozedur und damit der zweite Schritt. Hierfür wird der Laser eingeschaltet und der AFS-Aktuator bewegt, bis die optimale Fokusposition, bei der das Signal-zu-Rauschverhältnis eines potentiellen Ramansignals am größten ist, erreicht ist. Um diese Position zu bestimmen, werden der Signalkontrast auf dem Sensor des Spektrometers und die Signalstärke des zurückgestreuten Laserlichts ausgewertet.
Projektpartner
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
University of Tokyo
Rikkyo University, Japan
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA)
University of Valladolid, Spain