ChemCam

ChemCam ist ein LIBS-Instrument (Laser-induzierte Plasma-Spektroskopie) auf dem Curiosity-Rover, der 2012 auf dem Mars eingesetzt wurde. Es schießt einen fokussierten Infrarot-Laser auf Gesteins- und Bodenziele bis zu 7 Metern Entfernung ab, verdampft eine dünne oberflächliche Schicht und analysiert das vom entstehenden Plasma ausgestrahlte Licht, um die Elementarzusammensetzung zu bestimmen. Das Instrument verbindet eine 1,3-Megapixel-Kamera mit einem Spektrometer, das Emissionslinien im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich misst. Dies ermöglicht Geologen auf der Erde, die Marsgeologie zu analysieren, ohne dass der Rover Proben physisch berühren oder bohren muss.

Der Laser selbst ist ein Nd:KDP-Kristall (Neodym-Kaliumdihydrogenphosphat), der bei 1064 Nanometern im nahinfraroten Bereich arbeitet. Jeder Laserpuls dauert etwa 5 Nanosekunden und liefert etwa 14 Millijoule Energie, fokussiert auf einen Fleck von etwa 400 Mikrometern Durchmesser in der Zielentfernung. Das Spektrometer erfasst Licht in drei Kanälen: ultraviolett (240, 340 nm), sichtbar (390, 600 nm) und infrarot (600, 900 nm), mit einer Auflösung, die ausreicht, um einzelne Elemente von Wasserstoff bis Eisen in relativer Häufigkeit zu unterscheiden.

Leistung unter Mars-Bedingungen

LIBS funktioniert in der dünnen Marsatmosphäre (etwa 600 Pascal, weniger als 1 % des Drucks auf der Erde) wirksam, weil der Laser unabhängig von der umgebenden Luft sein eigenes lokalisiertes Plasma erzeugt. Allerdings hat die Ansammlung von Marsstaub auf den Optiken die Leistung zeitweise beeinträchtigt; der Rover hat Reinigungsbürsten zur Wartung der Kameraobjektive. Temperaturschwankungen zwischen minus 125 Grad Celsius nachts und 20 Grad Celsius tagsüber können die Stabilität des Laserstrahls beeinflussen, obwohl das Instrument Thermalkompensationssysteme enthält. Staubteufelsturm und abrasiver Regolith mit scharfkantigen Silikatpartikeln stellen laufende Wartungsherausforderungen dar.

Das Instrument liefert eine qualitative Elementaranalyse statt einer absoluten Quantifizierung. Bediener verwenden Kalibrierziele (magmatische Gesteinsstandards) auf dem Rover-Deck, um Messungen für Atmosphärenschwankungen und Instrumentendrift zu normalisieren, und vergleichen dann unbekannte Ziele mit diesen Baselines. Die Technik ist hervorragend bei der Erkennung leichter Elemente wie Kohlenstoff und Wasserstoff in oxidierten Formen und bei der Unterscheidung von Hauptgesteinstypen (Basalt, Andesit, magmatisch versus sedimentäre Zusammensetzung), kann aber ohne ergänzende Daten von anderen Instrumenten des Rovers die Wasserstoffhäufigkeit nicht direkt messen oder die genaue Mineralogie nicht bestimmen.

ChemCam funktioniert als Aufklärungsinstrument, das ressourcenintensivere Analysen lenkt. Wenn LIBS ein geologisch interessantes Ziel identifiziert, kann der Rover seinen Bohrer oder das Alpha-Partikel-Röntgen-Spektrometer (APXS) zur Direktmessung positionieren, um eine höhere Präzision zu erreichen. Dieser hierarchische Ansatz maximiert die wissenschaftliche Ausbeute angesichts von Energiebeschränkungen: eine vollständige Analysesequenz verbraucht etwa 10 Wattstunden pro Ziel nur für ChemCam, im Vergleich zu deutlich höherem Energiebedarf für Bohrungen und Probenerhitzung, die von anderen Bordgeräten erforderlich sind.