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NASA的毅力号火星探测车使用SuperCam超强激光来蒸发岩石进行成分探测

发布时间:2021-01-13 14:35:37 | 人气:77

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江苏激光联盟导读:

火星上到底有没有生命体存在,火星上的岩石由什么组成.本期带大家了解NASA的毅力号火星探测车中使用的SuperCam超强激光来探测火星岩石的组成和是否有有机物存在(火星远古生物生命体存在证据)的科学探测。


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毅力号火星探测车各部分功能部件的图片,携带有3D打印的部件,安装在机械手臂的末端的精密X射线光谱仪(PIXL)和MOX

▲图解:携带有3D打印的部件,安装在机械手臂的末端的精密X射线光谱仪(PIXL)和MOXIE的船体右舷上。该设备的大脑,或者称之为天线塔,包含一个激光仪器,称之为SuperCam,该设备可以蒸发岩石材料并研究其产生的等离子体 的化学成分



毅力号火星探测车上的SuperCam是一个利用超强激光的岩石蒸发仪器,可以帮助科学家来探究火星的化石.

发射了一个新的携带激光的机器人到火星上进行科学探测。但不像科幻小说中的激光用来打仗,这次是用来研究距离火星地面表面大约20英尺(7米)深的地方的矿物学特性和化学性质。这一设备可以帮助科学家找到火星上的微生物化石的信号。

在2020年的火星探测车中毅力号科学探测器中的7个科学仪器之一的SuperCam,在2020年夏季进行了发射,该SuperCam是由成百上千的部件所组成的,将会把比较典型的几个一定尺寸的仪器,可以安装在麦片盒大小的空间中.该设备会从探测车的头部激发一个脉冲的激光束的,将岩石从一定距离使得部分岩石发生蒸发,从而提供足够有用的信息来分析岩石的微生物信号,这是这次发射的重要任务之一。

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火星毅力号探测器SuperCam的超强激光工作图(艺术构图)


在这里,江苏激光联盟带领大家领略一下是什么使得这一设备变得如此专业的?

遥不可及?

使用激光束可以帮助研究人员识别火星上的矿物,它可以实现机器人手臂不能触及的地方或由于区域过大导致火星探测车不能触及的区域.这一设备使得研究人员可以在确定是否要探测车做进一步的分析的时候来分析一个目标.尤其令人感兴趣的是:在液态水中的矿物,如陶土,碳酸盐和硫酸盐等.众所周知,液态水的存在对于生命体的存在至关重要,包括微生物,这在火星上几十亿年前也许会存在.

科学家同时使用SuperCam获得的信息来帮助他们来确定什么地方的岩石的芯部的样品适合样品缓存系统来抓取样品.火星探测车毅力号在2020年实现在一个金属管中收集这些岩石的芯部样品,最终将其沉积在一个预定位置用于将来的任务以取回和将其带回地球进行研究.

激光聚焦

SuperCam是好奇号火星探测车的化学探头的新一代产品.同它的前任一样,SuperCam可以使用一个红外的激光束来加热材料,加热材料时温度可以达到大约18,000华氏温度(10,000摄氏度)—一个称之为激光诱导击穿光谱技术(laser induced breakdown spectroscopy, or LIBS ) — 来蒸发它.一个特殊的相机可以从这些岩石中所产生的等离子体中来确定这些岩石的化学组成.

2020年火星探测器——毅力号火星探测器的一个重要的组成单元SuperCam,将会在火星上进行测试,测试时将会使用激光来对岩石进行气化和研究岩石材料的化学成分

同好奇号火星探测车的化学成分探测一样(ChemCam),将会使用人工智能技术来在驱动的过程中寻找寻找值得探索的岩石目标,当操作人员不属于圈内的专业人士的时候,可以使用这一人工智能系统来发挥作用。此外,这一升级后的人工智能,可以使得SuperCam对每一个非常小的岩石特征的特定点进行探测。

SuperCam的另外一个特征就是它上面安装有一个绿色的激光,这一绿色激光用来探测表面材料的分子组成。这一激发的绿色的激光束可以激发样品中的化学键,并产生一个取决于元素成分的信号来——这一技术称之为拉曼光谱(Raman spectroscopy)。SuperCam 同时使用绿色激光来造成矿物和碳基化学材料发射出光或者发出荧光来。

矿物和有机化学物质发出的荧光具有不同的速率,因此SuperCam的光探测特征的快门可以实现在一次快达100纳秒的速度——这一速度如此之快,非常少的光的光子能够有机会进入。改变快门的速度(这是一种称之为时间分辨的发光光谱,即time-resolved luminescence spectroscopy)将会使得科学家可以更好的确定这些物质中存在的成分。

而且,SuperCam还可以使用从太阳中反射过来的可见光和红外光来研究岩石中的矿物含量和沉积物的含量。这一可见光和红外光的探测技术作为拉曼光谱的补充,每一种技术均对不同的矿物材料的类型比较敏感。

带麦克风检查的激光器

SuperCam还包括一个麦克风,因此科学家可以听见激光每一次击打目标时的声音。由激光击打岩石所带来的微妙的变化所造成的爆裂的声音主要取决于岩石材料的性质。

这一麦克风作为一个实用的技术,通过告诉我们一些关于距离我们一定距离的岩石的信息。但我们同时也可以实用它来直接的记录火星景观或者探测车旋转时的声音。

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2020年 毅力号火星探测车中 的 SuperCam正在经过科学家的测试及其组成图(右图)

▲图解:2020年 毅力号火星探测车中的主要科学探测仪器 SuperCam,正在进行测试,将使用激光来蒸发岩石和用它来研究火星表面的岩石材料的成分



NASA的下一代探测器

2020年的火星探测器属于第三次使用这一特定的麦克风在火星表面进行记录。在1990年晚期,同样设计的探测器火星极地着陆者,坠毁在表面上。在2008年,凤凰号登陆火星探寻使团经历了电子问题,造成了麦克风的使用受到阻碍。

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▲图解:2020年的火车探测器毅力号中安装有23个相机.许多相机都是在好奇号火星探测车的基础上进行了升级,只有一少部分是此次探测额外新增加的相机(上图)。在这个图中,NASA的毅力号火星探测车还使用了行星X射线岩石精密化学测试仪(Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL))。该设备位于火星探测车的机器臂的末端,这一X射线光谱仪将会帮助研究人员来研究岩石中的古代微生物的信号(下图)



NASA2020火星探测车

NASA 2020的火星探测器包含有23个相机来获得全景图,揭示障碍物,研究大气,帮助科学仪器进行探测.

团队协作工作的结晶

SuperCam是在位于墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室的领导下开展工作的,在此处发展了相应的科学仪器.该仪器的部件包括数个光谱仪,电子控制仪器以及相关的软件等.

桅杆单元是数个法国研究中心的实验室和法国的大学在法国航天局的合约下发展和制造的.火星探测车上的校准靶材是西班牙的巴亚多利德大学提供的.

而美国的NASA的JPL(推进实验室)则完成构建和操控火星2020探测车的发射指导任务,该任务在总部华盛顿进行.

这一设备上的科学相机包括:

  • Mastcam-Z

  • SuperCam

  • PIXL

  • SHERLOC

  • WATSON

Mastcam-Z相机

Mastcam-Z是一对相机,用来获得彩色的图片和视频,三维的立体图像,并且具有一个功能强大的变焦距镜头。好奇号火星探测车上的Mastcam相机一样,毅力号火星探测车上的Mastcam-Z由两个复制相机系统安装在桅杆上,在岩石上支撑站起来。相机挨在一起对同一点进行拍照,提供同我们人眼观察时所看到的3D视景图像,甚至比仅仅使用人眼观察的效果还要好。这些相机同时还具有变焦功能,从而可以观察到远距离的详细信息。

SuperCam相机

SuperCam对准岩石目标发射出一束激光,达到机器臂所不能到达的岩石表面,然后分析蒸发的岩石来揭示其元素组成。这一相机同好奇号火星探测车上的化学探测器 ChemCam相类似,SuperCam发射出一个直径不到1mm的激光束,达到距离超过20英尺(大约为7米)的岩石。该设备中的相机和光谱仪就会检测岩石的化学组成。它会寻找有机的成分,有机成分是同火星中的过去的生命体是密切相关的。当激光击打岩石的时候,它会产生等离子体,这一等离子体是极端热的气体,由自由漂浮离子和电子所组成。一个机载的光谱仪记录等离子体的谱线,该谱线能够揭示材料的化学成分。

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SuperCam科学仪器在2020年毅力号火星探测车中进行岩石探测发射激光时的艺术构图


PIXL

PIXL使用X射线荧光来识别目标点的化学成分,其识别的目标物体大小可以小于一个精制食盐的晶粒。该设备中包含一个微环境摄像机(Micro-Context Camera)来提供同元素成分图相关的照片,可以清晰的从视觉层面观察到目标区域的元素特征。

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PIXL 的六足动物的设计(上图)和进行分析时的场景图

▲图解:NASA毅力号火星探测车是一个由6个机械臂所组成,其上面的类似六足动物的设计是PIXL仪器的关键部件.这一六足动物的设计使得PIXL可以缓慢,精确的移动到非常接近火星表面特定区域的某点进行探测,如上面的上图所示.PIXL 需要自动的获得岩石目标物体位置的图片.当仪器在夜间工作的时候,发光二极管在开始时就循环照明和获得岩石目标的照片.使用人工智能技术,PIXL依靠图像来决定目标物体扫描的时候 距离有多远(见上图中的下部图片)



SHERLOC

SHERLOC的主要工具是光谱仪和激光,但它同时也使用宏观相机来获得待研究区域极端近距离的照片.这就提供给科学家相关的信息来研究待研究的岩石的环境信息所需要的织构。

WATSON

WATSON相机是探测车手臂或者说在毅力号火星探测车机械臂末端的旋转机架上的一个工具.这一工具几乎同好奇号火星探测车上的 火星手持透镜成像仪一样.WATSON 可以捕获SHERLOC在火星矿物目标中所收集的非常详细的信息的巨大信息量的上下文图像.WATSON可以提供岩石和岩石表面碎片和灰尘中非常精细的织构和组织结构.由于WATSON可以在机器手臂上来回移动,它同时可以利用另外一个机器手臂上的仪器提供火星部件和目标物体的地理信息.例如,它可以探测出氧气制造设备MOXIE 中的氧,来帮助检测在入口处的灰尘聚集的程度来进行氧摄取。

WATSON 的校准目标连接在探测车的前面。它包含一个公制标准条形图来帮助校准科学仪器。


本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品,如需转载请标明来源,谢谢合作支持!


来源:NASA/JPL, Los Alamos National Laboratory,Space Sci Rev (2021) 217:4 https://doi.org/10.1007/s11214-020-00777-5

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