Chemielabor im Miniaturformat

Für seine eigentlichen Forschungsaufgaben stehen Curiosity gleich sechs Spektrometer, zwei Strahlensensoren, ein Gaschromatograph und ein Umweltsensor zur Verfügung. Auf der Erde würden diese Geräte ein ganzes Labor füllen, für das Mars Science Laboratory mussten die Ingenieure alles in dem 3 x 2,7 x 2,2 Meter großen Rumpf des Rovers unterbringen.

Mit dem Laser der ChemCam kann der Rover Gesteinsoberflächen auch aus der Ferne analysieren. © NASA/JPL-Caltech/LANL

ChemCam: Das Laserauge des Rovers

Am wahrscheinlich auffälligsten ist die ChemCam von Curiosity, denn dieses dreh- und schwenkbare Instrument sitzt an der Spitze seines „Kopfes“. Die wichtigste Komponente der Chemcam ist der Laser. Mit ihm kann Curiosity entferntere Gesteinsoberflächen anvisieren und sie beispielsweise von Staub befreien. Noch entscheidender aber: Der feine Laserstrahl verdampft winzige Mengen des Gesteins und erzeugt dabei kurzzeitig ein extrem heißes Plasma. Das Licht dieses Plasmas fängt ein Spektrometer auf und analysiert daraus die Zusammensetzung.

Noch aus sieben Metern Entfernung kann Curiosity mit seiner ChemCam so feststellen, woraus ein Geröllstück oder der Staub vor ihm besteht, wie häufig die verschiedenen Elemente in der Oberfläche vertreten sind und ob er Eis oder Mineralien mit Wasseranteilen vor sich hat. Ergänzt wird die Chemcam mit einer Mikrokamera und einem Teleskop, das dabei hilft, den Laser zu fokussieren.

SAM: Ein modernes Chemielabor in Kühlschrankgröße

Herzstück des fahrbaren Roboter-Geochemikers ist die „Sample Analysis at Mars instrument suite“ (SAM) – das eigentliche Chemielabor. Das etwa kühlschrankgroße Gerät sitzt an der Vorderseite des Rovers und macht allein die Hälfte seiner gesamten wissenschaftlichen Nutzlast aus. Mit seiner Hilfe kann Curiosity Proben von Marsgestein auf ihre chemischen Komponenten und Isotopen hin analysieren. SAM enthält dafür ein Massenspektrometer, einen Gaschromatographen und ein verstellbares Laserspektrometer. Damit trägt Curiosity im Prinzip die Grundausstattung eines modernen irdischen Chemielabors mit sich herum.

Groß wie ein Kühlschrank: Die Laboreinheit SAM, hier vor dem Einbau in den Rover. © NASA

Mit Hilfe des Massenspektrometers kann der Rover Elemente und Verbindungen anhand ihrer Masse identifizieren und trennen. Der Gaschromatograph erhitzt Proben von Gestein und Staub bis sie verdampfen und analysiert die dabei entstehenden Gase auf ihre Zusammensetzung. Mit dem Laserspektrometer kann der Rover die Anteile verschiedener Isotope in den Proben bestimmen. Das liefert unter anderem Rückschlüsse auf das vergangenen Klima des Roten Planeten.

ChemMin: Mit dem Röntgenstrahl den Mineralen auf der Spur

Um gezielt Minerale zu bestimmen, trägt Curiosity neben SAM das „Chemistry and Mineralogy Instrument“ (ChemMin) mit sich. Es sitzt ebenfalls vorne an seiner „Brust“ und damit in Reichweite des Roboterarms. Das Gerät richtet einen extrem fokussierten Röntgenstrahl auf eine Probe und misst dann das Licht, dass die von dieser energiereichen Strahlung angeregten Elektronen im Mineral zurückwerfen. Weil das Muster dieser Strahlung durch die Kristallstruktur des Materials charakteristisch verändert wird, verrät diese Fluoreszenz, um welches Mineral es sich jeweils handelt.

Da äußere Umstände darüber entscheiden, welche Mineralien sich bilden, verrät die Mineralsorte in einer Gesteinsschicht viel über die vergangenen Klima- und Umweltbedingungen. So entstehen beispielsweise die in Basalt vorkommenden Minerale Olivin und Pyroxen, wenn Lava erkaltet und erstarrt. Jarosit dagegen, das der Marsrover Opportunity bereits in Marssedimenten entdeckte, bildet sich nur in Anwesenheit von Wasser.

Das APXS nutzt das radioaktive Element Curium als Analysehilfe © NASA/JPL-Caltech/ Cornell/ MPI für Chemie/ University of Guelph

APXS: Bombardement mit Alpha-Teilchen verrät Elemente

Etwa so groß wie eine Coladose ist das Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS), das am Roboterarm des Rovers sitzt. Hält Curiosity dieses Gerät in direkten Kontakt zu einer Gesteinsoberfläche, lässt sich bestimmen, welche Elemente darin enthalten sind. Zehn Minuten reichen dabei für einen groben Überblick, soll es genauer sein, muss Curiosity das APXS zwei bis drei Stunden an Ort und Stelle halten.

Das Spektrometer enthält das künstliche radioaktive Element Curium, das bei seinem Zerfall Alpha-Teilchen – Heliumkerne aus je zwei Protonen und Neutronen – freisetzt. Treffen diese Alpha-Teilchen auf die Atome der Gesteinsoberfläche, schlagen sie Elektronen aus ihrer Bahn. Das wiederum setzt Energie frei, die als Röntgenstrahlung vom Spektrometer aufgefangen und gemessen wird.

Nadja Podbregar
Stand: 02.08.2012