SuperCam ist eines von sieben wissenschaftlichen Instrumenten, die den Rover US Perseverance (Mission March 2020 ) ausrüsten , der seit Anfang 2021 im März die Oberfläche des Planeten erkundet . Das Hauptziel dieser Mission besteht darin, Bodenproben zu sammeln, die möglicherweise Spuren von Lebewesen enthalten haben. Die Karotten werden im Rahmen einer anschließenden Mission zur Analyse zur Erde zurückgebracht. Die Aufgabe von SuperCam besteht darin, eine erste Fernanalyse (bis zu 7 Meter) der Zusammensetzung des Bodens und des umgebenden Gesteins durchzuführen, um Ziele von wissenschaftlichem Interesse zu identifizieren und den geologischen Kontext bereitzustellen.
SuperCam verwendet vier verschiedene Techniken, um die Zusammensetzung von Boden, Gestein und der Atmosphäre aus der Ferne zu bestimmen: LIBS- Spektroskopie und Raman-Spektroskopie, die die elementare und molekulare Zusammensetzung durch Analyse des Lichts bestimmen, das aus dem Bombardement mit einem Laser resultiert, Spektroskopie sichtbarer und Infrarotreflexion, die bei der Identifizierung hilft Mineralien und eine Farbkamera, die Informationen über Gesteinstextur und -morphologie liefert. Schließlich enthält SuperCam ein Mikrofon.
Supercam ist der Erbe des ChemCam-Instruments, das an Bord des Curiosity-Rovers (Mars Science Laboratory Mission) installiert ist, das seit 2012 den Marsboden erforscht. Wie ChemCam wird es gemeinsam vom Institut für Astrophysik und Planetologie (Frankreich) entwickelt, das liefert den optischen Kopf, den Laser und das Infrarotspektrometer und das Los Alamos National Laboratory (USA), das die Raman- und LIBS-Spektrometer liefert.
Die Entwicklung von SuperCam begann im Juli 2014, als das Instrument als Teil der Nutzlast des amerikanischen Rovers Perseverance (Mission Mars 2020 ) ausgewählt wurde, der ab 2021 die Oberfläche des Planeten Mars erkunden sollte. Das SuperCam- Instrument ist eine stark verbesserte Version des französisch-amerikanischen Instruments ChemCam ist seit 2012 an Bord des Rovers Curiosity , der die Oberfläche des Mars erforscht. Seit letzterem verwendet SuperCam einen Laser, um die Oberflächenschicht des Zielgesteins zu verdampfen und ein Plasma zu erzeugen . Dies wird analysiert, um die elementare Zusammensetzung von Gesteinen zu bestimmen. Aber während ChemCam zwei Funktionen hatte (LIBS-Spektroskopie und einen Schwarzweiß-Imager), hat SuperCam fünf Funktionen: LIBS-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, Passiv-Infrarot-Spektroskopie, Farbbildgeber und Mikrofon. ChemCam wird gemeinsam vom amerikanischen LANL, das für drei der Spektrometer ( Body Unit ) verantwortlich ist, und dem Forschungsinstitut für Astrophysik und Planetologie (IRAP) der Universität Paul Sabatier in Toulouse in Frankreich, das die Leitung von die vom Mast getragene Unterbaugruppe ( Mast Unit ) bestehend aus dem Laser, dem optischen Teil, dem Imager, dem Infrarotspektrometer und dem Mikrofon. Der Auftraggeber der französischen Beteiligung wird von der französischen Raumfahrtbehörde ( CNES ) unterstützt. Wissenschaftlicher Leiter ist Roger Wiens von Los Alamos und sein Stellvertreter Sylvestre Maurice von IRAP.
An der Entwicklung des Instruments und der Analyse der erzeugten Daten sind etwa 300 Personen in Frankreich (verteilt auf 15 Labors und 25 Unternehmen), 200 Personen in den Vereinigten Staaten und mehrere Personen in Spanien beteiligt. Die wichtigsten beteiligten französischen Labors sind die führenden Unternehmen IRAP und LESIA . Die beiden wichtigsten Industrieintegratoren sind Thales für den Laser und 3D PLUS für den Imager. Die Kosten der französischen Beteiligung vom Entwurf bis zur Datenverwertung betragen rund 40 Mio. € (Gesamtkosten der Mission ~ 2 Mrd. €).
Die Designer der Mast - Einheit nach Frankreich beauftragt ist, müssen die gleichen Einschränkungen Volumen, Masse und Stromverbrauch für ChemCam gerecht zu werden , während SuperCam viele zusätzliche Funktionen enthält. Die vom Vorgängerinstrument geerbten Eigenschaften werden schließlich reduziert. Im Dezember 2016 wurde das Critical Design Review des Instruments (CDR Critical Design Review ) erfolgreich bestanden und mit dem Bau des Flugmodells begonnen. Im November 2018, einen Monat vor der Auslieferung der Mast Unit an die JPL (NASA), wurde das Flugmodell nach einem technischen Vorfall unbrauchbar gemacht. Die Teams müssen in 6 Monaten ein neues Flugmodell umbauen und testen. Dieser erweist sich dank der Änderungen in der Behandlung des Spiegels als effizienter als die erste Kopie, die es ermöglichen, seine Kälteleistung zu verbessern. Das Flugmodell wird im Juni 2019 an das Jet Propulsion Laboratory (die NASA-Missionseinrichtung) ausgeliefert. Integrationstests, die zunächst am JPL und dann am Kennedy Space Center stattfinden, werden im Juni 2020 abgeschlossen. L Der Rover startet am . ins All 30. Juli 2020 und landet am 18. Februar 2021 auf dem Boden des Mars. Nach einem Rezept, das von Februar bis Mai 2021 läuft, beginnt der Rover seine wissenschaftliche Mission.
Das bemerkenswerteste Merkmal von SuperCam ist die Verwendung eines Lasers, um aus einer Entfernung (bis zu 7 Meter) die Zusammensetzung des Bodens und der Gesteine in der Nähe des Rovers zu analysieren. Der Laserstrahl sendet kurze Lichtimpulse mit einer Dauer von 5 Nanosekunden über einen kleinen Bruchteil des Bodens. Ihre Energie verdampft das Gestein und erzeugt ein Plasma, dessen Licht vom Teleskop des Instruments mit 110- mm- Optik gesammelt wird . Diese aktive Technik wird verwendet, um LIBS- und Raman-Spektroskopie durchzuführen. Darüber hinaus ermöglicht das Instrument passive Beobachtungen dank eines Reflexionsspektrometers im sichtbaren und nahen Infrarotlicht und einem Imager mit hoher Vergrößerungsleistung, der den Kontext der durchgeführten Analyse liefert. Das von den drei Spektroskopiemethoden erzeugte Licht wird von vier Spektrometern analysiert, die ein Spektrum liefern, das gemäß den Methoden von Ultraviolett (240 Nanometer) bis nahe Infrarot (2,6 Mikrometer) reichen kann.
Das LIBS-Spektrometer ( Laser-Induced Breakdown Spectroscopy ) ist eine erweiterte Version von LIBS ChemCam. Das Instrument nutzt den Laser in der Wellenlänge 1064 nm (roter Laser), um letztendlich die im Gestein vorhandenen chemischen Elemente in einer Entfernung von bis zu 7 Metern zu identifizieren und zu quantifizieren. Das Spektrometer analysiert das Licht der eingestrahlten Anregung im sichtbaren Bereich , das auf der einen Seite im Ultraviolett weitgehend überläuft , und auf der anderen, im sogenannten nahen Infrarotbereich , insgesamt ein Spektralband im Bereich von 240 nm (UV ) bis 850 nm (nahes Infrarot) und dies mit einer variablen Auflösung von 0,09 bis 0,30 nm . Am Ende der physikalischen Messung liefert eine spektrale Datenverarbeitungskette eine sogenannte elementare Zusammensetzung, meist in Gewichtsprozenten der verschiedenen Oxide chemischer Elemente, je nach Verwendung in der Petrologie .
Dieses Spektroskopieverfahren ermöglicht die Bestimmung der wichtigsten chemischen Elemente ( Sauerstoff , Natrium , Magnesium , Aluminium , Silizium , Kalium , Calcium , Eisen ) sowie bestimmter Nebenelemente oder in Form von Spuren ( Schwefel , Phosphor , Wasserstoff , Stickstoff , Titan , Chrom , Nickel , Kupfer , Zink , Rubidium , Arsen , Cadmium , Blei , Fluor , Chlor , Lithium , Strontium , Barium .
Das Passiv- Infrarot-Spektrometer VISIR ( Visible and Infrared Spectroscopy ) des Laboratory for Space Studies and Instrumentation in Astrophysics analysiert nicht das durch Lasereinschläge erzeugte Plasma, sondern verwendet das vom Licht am Boden reflektierte Licht. Es liefert Lichtspektren im sichtbaren nahen Infrarot (400-900 nm ) und im nahen Infrarot (1,3 bis 2,6 Mikrometer), die insbesondere Tone identifizieren. Das Spektrum wird mit Hilfe eines akusto-optischen Dispersionsfilters gewonnen, der von den Instrumenten CRISM ( Mars Reconnaissance Orbiter ) und OMEGA ( Mars Express ) abgeleitet wurde. Die Reichweite des Instruments beträgt 10 Kilometer.
Die mit dieser Spektroskopietechnik nachgewiesenen Mineralien sind Silikate ( Pyroxene , Olivin , Serpentine , Smektit , Talkum , Kaolinit , Zeolithe ), Sulfate (Mono- und Polyhydrate), Karbonate , Verbindungen von astrobiologischem Interesse ( Borate , Nitrate und Phosphate ), Wassermoleküle (adsorbiert, interstitiell, Eis) und hydratisierte Salze .
Das zeitaufgelöste Raman- und Lumineszenz (TRR/L) Raman /Fluoreszenz- Spektrometer verwendet den Laser in der Wellenlänge 532 nm (grün), um die Moleküle in Schwingung zu versetzen. Ein kleiner Teil des Lichts interagiert mit Molekülen und ändert die Wellenlänge. Dieses "Raman-Signal" ist sehr schwach und muss verstärkt werden. Es wird vom Spektrometer analysiert und ermöglicht die Identifizierung der im Target vorhandenen Mineralien und Moleküle. Die bereitgestellten Informationen sind komplementär zu denen, die das unten beschriebene Infrarotspektrometer liefert. Für diese Art der Analyse beträgt die Reichweite des Lasers 12 Meter.
Die mit dieser Spektroskopietechnik nachgewiesenen Mineralien sind die gleichen wie die im Reflexions-Infrarot beobachteten, jedoch mit besserer Empfindlichkeit gegenüber organischen Stoffen und einem viel kleineren analysierten Bereich.
Der Remote Micro-Imager (RMI ) ist eine Farbkamera mit hoher räumlicher Auflösung , die hinter dem Schmidt-Cassegrain-Teleskop (110 mm Öffnung und 563 mm Brennweite) platziert ist und ein mikroskopisches Bild erzeugen kann, das auf die vom Laser anvisierte Zone zentriert ist Bereitstellung von Elementen des geologischen Kontexts: Textur des Gesteins und im Falle eines Bodens Eigenschaften wie seine Heterogenität, seine Struktur und sein Zusammenhalt. Die Kamera wird auch verwendet, um die Eigenschaften der Atmosphäre zu messen: vertikale Profile, Eigenschaften von schwebendem Wasserdampf sowie anderen schwebenden Gasen, Staub und Wassereispartikeln. Das Sichtfeld beträgt 18,8 Milliradian und die räumliche Auflösung von mehr als 80 Mikroradian deckt 4 Pixel ab und kann Details von 0,24 Millimetern in 3 Metern Entfernung erkennen. Mit RMI können Sie Bilder bis ins Unendliche aufnehmen . Die Kamera verfügt über einen Autofokus, der eine der beiden folgenden Techniken verwenden kann: Erfassung der Reflexion des zu fotografierenden Ziels durch den Laserstrahl durch eine Fotodiode , die kontinuierlich arbeitet oder, bevorzugte Methode, mehrere aufeinanderfolgende Fotos des Ziels mit unterschiedlichen Öffnungen und Bestimmung der optimalen Blende durch Softwareanalyse des Kontrasts der resultierenden Bilder. Beim Aufnehmen eines Bildes können mehrere Funktionen implementiert werden: Vier Bilder mit unterschiedlichen Blendenöffnungen erstellen, Bilder mit unterschiedlichen Brennweiten zusammenführen, Fotos mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zusammenführen, um die Bereichsdynamik (HDR) zu verbessern. Das panchromatische Bild wird von der CASPEX-Kamera ( Color CMOS Camera for Space Exploration ) gewonnen, bestehend aus einem 4 Megapixel CMOS CMV4000-Detektor der Firma AMS CMOSIS, der mit Farbfiltern und Mikrolinsen über jedem Pixel ausgestattet ist, Elektronik und Detektor sind in einem kompakte kubische Baugruppe der Firma 3D PLUS .
Das SuperCam-Instrument enthält ein MIC- Mikrofon, das sich am optischen Kopf befindet und mit der Farbkamera gekoppelt ist. Das Mars-Mikrofon zeichnet die Knackgeräusche der vom Laser erzeugten Plasmafunken auf, aus denen sich verschiedene physikalische Parameter (Härte und Dichte) ableiten lassen, wodurch die Analyse von LIBS-Spektren verbessert wird. Diese Geräusche, bildlich oft auch als „Lasereinschläge“ bezeichnet, sind bis zu einer Entfernung von 4 Metern hörbar. Die sehr dünne Marsatmosphäre schränkt die Schallausbreitung stark ein, die im Vergleich zur Erde um 20 Dezibel gedämpft wird. Das Mikrofon zeichnet auch die Geräusche auf, die von den Mechanismen des Rovers "Perseverance" erzeugt werden (Turmdrehung, Rollgeräusche usw.), was bei einer Fehlfunktion helfen soll, eine Diagnose zu erstellen. Schließlich nimmt dieses Mikrofon die Geräusche des Planeten Mars auf, wenn sie von der sehr dünnen Atmosphäre (Wind, Donner) übertragen werden. Das Instrument, das nicht Teil der wissenschaftlichen Nutzlast ist, wurde vom Verein The Planetary Society finanziert und ist identisch mit dem bereits 1999 von diesem Verein gesponserten Modell. Es besteht hauptsächlich aus einer elektronischen Karte und wiegt etwa 50 Gramm.
35 Targets werden verwendet, um die verschiedenen Subsysteme des Instruments zu kalibrieren und das SCCT ( SuperCam Calibration Target ) zu bilden. Sie sind auf einer Titanplatte montiert , die sich links neben dem Stromgenerator ( RTG ) unter einer der Hauptkommunikationsantennen befindet. Zu den Zielen gehören 23 geologische Proben, 5 Ziele zur Kalibrierung des Passiv-Infrarot-Spektrometers, eine organische Probe, ein Diamant, vier Ziele zur Kalibrierung des Imagers und ein Stück Mars-Asteroiden, das von der Erde geborgen wurde und für eine Aufklärungsoperation des Erde, öffentlich. Passive Ziele, die nicht vom Laser gereinigt werden, sind von einem Permanentmagneten umgeben, der die Ansammlung von Marsstaub (dieser ist teilweise magnetisiert) reduziert. Die Entwicklung dieser Teilmenge liegt in der Verantwortung der Universität Valladolid .
SuperCam hat eine Gesamtmasse von 10,6 kg, verteilt auf das im Mast untergebrachte optische Modul ( Masteinheit 5,6 kg ), die Spektrometer im Gehäuse des Rovers ( Körpereinheit 4,8 kg ) und die zur Kalibrierung des Instruments verwendeten Ziele (0,2 kg .). ), die am oberen Deck an der Rückseite des Rovers befestigt sind. Die Daten , die durch den optischen Kopf gesammelt werden die Spektrometern der übertragenen Körpereinheit durch eine optische Faser . Das Gerät verbraucht im Betrieb 17,9 Watt. Es erzeugt ein durchschnittliches Datenvolumen von 4,2 Megabit pro Tag.
SuperCam verfügt über vier Spektrometer, die jeweils einen Teil des vom Instrument beobachteten Spektralbandes abdecken und von einer oder mehreren Spektroskopietechniken verwendet werden. Das Infrarotspektrometer befindet sich in der Masteinheit, während sich die anderen drei in der Körpereinheit befinden .
| Spektralband analysiert | Ultraviolett | Lila | Sichtbar | Infrarot |
|---|---|---|---|---|
| Spektrometertyp | Czerny-Turner-Monochromator | EELS | AOTF | |
| Position | Rahmen | Rahmen | Rahmen | Mast |
| Spektroskopie-Typ | LIBS | LIBS und VISIR (sichtbar und infrarot) | Raman, LIBS, VISIR | BESUCH |
| Detektor | CCD | ICCD | Fotodiode | |
| Wellenlängen (nm) | 240–340 | 385–475 | 535–855 | 1300–2600 |
| Anzahl der Kanäle | 2048 | 2048 | 6000 | 256 |
| Auflösung | 0,20 nm | 0,20 nm | 0,3–0,4 nm | 30 / cm² |
| Sichtfeld | 0,7 mrad | 0,7 mrad | 0,7 mrad | 1,15 mrad |
SuperCam kann auf verschiedene Weise verwendet werden. Ein typischer Ablauf beginnt mit der Auswahl eines Zielobjekts (Felsen etc.) durch das wissenschaftliche Team auf der Erde aus den vom Rover aufgenommenen Fotos und der Übertragung der Koordinaten des zu analysierenden Gesteins an den Computer des „Rover sowie“ die Reihenfolge der auszuführenden Befehle. Das Ziel kann auch durch die an Bord befindliche AEGIS-Software, die einen Mustererkennungsalgorithmus verwendet, autonom oder auch blind bestimmt werden. Folgender Arbeitsablauf wird eingeleitet: