Entwicklung einer neuen Analysemethode:
Einführung und Umsetzung der Laser Plasma Spekroskopie

In den vergangenen Jahren erlebte die planetologische Forschung spektakuläre Erfolge. In der Mission PATHFINDER sorgte der Rover auf der Mars-Oberfläche mit seinem chemischen Meßinstrument weltweit für enorme Aufmerksamkeit. Die gewonnen Elementzusammensetzungen der Mars-Gesteine und des Mars-Staubes tragen entscheidend zum Verständnis des Mars - seines gegenwärtigen Zustands und seiner Entwicklungsgeschichte - bei. Das eingesetzte chemische Meßinstrument APX (Alpha-Proton-X-Ray Spektrometer) analysierte während der gesamten Missionsdauer selbsttätig sechs Staubproben und fünf "Felsen". Eine Einzelmessung dauerte ca. 24 Stunden. Die untersuchte Fläche hatte jeweils einen Durchmesser von vier Zentimetern und die sog. Informationstiefe betrug ca. ein Hundertstel eines Millimeters. Die Staubschicht, die auf allen Oberflächen der Felsen vorhanden ist, behinderte die Analysen erheblich. Insgesamt wurden die Häufigkeiten von elf Elementen gemessen, die in einer Mindestkonzentration von 0.5 Gew.% vorlagen. Elemente mit geringeren Konzentrationen waren der Analyse nicht zugänglich. Die Unsicherheiten der Konzentrationen der Hauptelemente Aluminium, Silizium und Eisen betragen etwa 10%, die der übrigen Elemente mindestens 30%. So spektakulär diese Erfolge sind, so gibt es mindestens eine andere Meßmethode mit entscheidenden Vorteilen gegenüber APX. Sie beruht auf der spektralen Analyse des Rekombinationsleuchtens des einige 10.000 K heißen Plasmas, das der Laserverdampfung eines Festkörpers folgt: die Laser Plasma Spektrometrie (LPS). In einem gegenwärtig laufenden Projekt wird vorgeschlagen, dieses Verfahren im Weltraum einzusetzen. Die Anwendung von LPS auf planetaren Oberflächen erfordert u.a. Miniaturisierung, Minimierung von Gewicht und Energieverbrauch, Optimierung der automatischen on-board-Auswertung, Garantie der Stabilität des gesamten Aufbaus. Besonderheiten der Laser Plasma Spektrometrie: Die tatsächlichen und erwarteten Vorteile von LPS gegenüber APX lassen sich mit folgenden Stichworten zusammenfassen:

1. Prinzipiell sind alle Elemente (außer den Edelgasen) oberhalb einer Mindestkonzentration von 0.01 Gew.% zugänglich.
2. Das analysierte Volumen der Einzelmessung beträgt 1 mm² (Fläche) x 0.02 mm (Tiefe).
3. Eine Messung einschließlich der on-board-Auswertung dauert weniger als eine Minute.
4. Deshalb sind leicht viele Einzelmessungen möglich, insbesondere von gröberen Sandkörnern (sog. coarse fines), die im Fall Mars vorwiegend durch Wind oder im Fall Merkur vorwiegend durch Einschlagsprozesse von weit her zum Landegebiet transportiert wurden. Damit wird das sehr beschränkte Untersuchungs-gebiet entscheidend erweitert.
5. Die Laserverdampfung erlaubt Tiefenprofil-Messungen bis zu 2 mm. Damit verfälschen weder oberflächliche Staubschichten noch Oberflächenkomponenten (wie Sonnenwind in Merkur-Steinen) die Zusammensetzung der Untersuchungsobjekte. Die Komponenten können im Meßprozess getrennt werden.
6. Die Verfolgung der Intensitätskurven läßt Rückschlüsse auf den Phasenzustand des untersuchten Materials zu.
7. LPS erfordert keinerlei Probenvorbereitung, die in jedem Fall in-situ außerordentlich aufwendig, wenn nicht gar unmöglich ist.
8. Von der Erde mitgenommene Eichtargets erlauben eine in-situ-Kalibration. Dies ermöglicht wiederum die on-board-Auswertung und minimiert die Datenmenge.
9. LPS arbeitet im Vakuum und in (fast) jeder planetaren Atmosphäre, ist also zum Einsatz sowohl auf dem Mars - hier ist eine Vielzahl von Landungen geplant - als auch auf Merkur - Ziel der nächsten planetaren Cornerstone-Mission der ESA - geeignet.

LPS kam bisher nicht im Weltraum zum Einsatz, weil erst jetzt geeignete kleine Dioden-Laser zur Verdampfung des Probenmaterials zur Verfügung stehen. Es wird als Ergebnis der jetzt laufenden Studie erwartet, daß auch die Miniaturisierung eines mechanisch robusten optischen Spektrometers bei hoher spektraler Auflösung gelingt. Nach deren Abschluß wird für LPS eine begleitende Phase-B-Studie bei der ESA beantragt. Die für den Weltraum notwendige Miniaturisierung von LPS läßt auch die exploratorische Anwendung von LPS im Gelände erwarten, die industrie-relevanter Entwicklungen bedarf. Alle Weltraumexperimente sind langfristig. Es dauert, Missionen zu planen, Experimente weltraumtauglich zu bauen, sie zu Planeten zu bringen, die erhaltenen Daten auszuwerten und die Ergebnisse zu interpretieren. Weltraummissionen und -experimente sind auch risikobehaftet, finanziell wie technisch, und können scheitern. So ist ihre Einbindung in die normale geowissenschaftliche Laborforschung von Vorteil und die ausschließliche Ausrichtung einer Arbeitsgruppe auf Weltraumexperimente von Nachteil. Den Weltraumaktivitäten der Abteilung Analytische Planetologie entsprechen deshalb jeweils die zugehörigen Laborforschungen. Die Abteilung stellt deshalb ein besonders geeignetes Umfeld für die Entwicklung von LPS dar.

Drittmittelgeber:

European Space Agency (ESA)

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Elmar K. Jessberger und das LPS-Team