Mars Rover 2020 - SuperCam

Instrumento polivalente que se unirá al Rover 2020 a Marte: la 'SuperCam'

LANL. MARS 2020 SUPERCAM

El instrumento SuperCam del rover Mars 2020 de la NASA tendrá haces láser infrarrojos y verdes para el análisis remoto de la química mediante espectroscopía de ruptura inducida por láser (LIBS) y análisis de minerales con espectroscopía Raman remota. Los rayos rojo y verde se disparan en diferentes momentos. Los diversos haces verdes representan un escaneo del objetivo, realizado utilizando pulsos de láser secuenciales.

SUPERCAM - Características

El SuperCam en el rover Mars 2020 examina las rocas y los suelos con una cámara, un láser y espectrómetros para buscar compuestos orgánicos que puedan estar relacionados con la vida pasada en Marte. Puede identificar la composición química y mineral de objetivos tan pequeños como una punta de lápiz desde una distancia de más de 20 pies (7 metros).

PRINCIPAL TAREA: Identificar la composición química de rocas y suelos, incluyendo su composición atómica y molecular.

UBICACIÓN:          Montado en la "cabeza" del mástil largo del Rover.

MASA:                     Cabeza del sensor montado en el mástil: 12 libras (5,6 kilogramos)

                                  Electrónica montada en el cuerpo Rover: 10.6 libras (4.8 kilogramos)

                                  Objetivo de calibración: 0.5 libra (0.2 kilogramos)

POTENCIA:           17.9 vatios

VOLUMEN:             Cabezal del sensor: aproximadamente 15 por 9 por 8 pulgadas (38 por 24 por 19 centímetros)

OBJETIVO DE CALIBRACIÓN:   1.18 pulgadas de diámetro (3 centímetros)

RETORNO DE DATOS:                 15.5 megabits por experimento o cerca de 4.2 megabits por día

"El láser de SuperCam es excepcionalmente capaz de limpiar a distancia el polvo de la superficie, dando a todos sus instrumentos una visión clara de los objetivos".

“SuperCam” es capaz de identificar los tipos de sustancias químicas que podrían ser evidencia de vida pasada en Marte.

"SuperCam" es un superhéroe para hacer descubrimientos en Marte. Sus cámaras tienen visión súper, y sus espectrómetros tienen súper sentidos para identificar la composición química de las rocas marcianas y el "suelo" (regolito). SuperCam puede ver a través de grandes distancias para medir los objetivos no alcanzables por otras herramientas del rover. Es una versión mejorada del láser ChemCam en Mars Rover Curiosity: SuperCam también puede analizar minerales y moléculas, y tomar color en lugar de imágenes en blanco y negro.

Para habilitar estas medidas, SuperCam es, de hecho, muchos instrumentos en uno.

-         Para mediciones de composición elemental, integra las capacidades remotas de espectroscopía de ruptura inducida por láser (LIBS) del exitoso instrumento ChemCam incluido en la carga útil del vehículo explorador Curiosity que actualmente explora Marte. LIBS usa un láser de 1064 nm para investigar objetivos a una distancia de hasta 7 m del rover.

-         Además, SuperCam también realiza espectroscopía Raman (a 532 nm para investigar objetivos a una distancia de hasta 12 m del vehículo móvil), espectroscopía de fluorescencia temporal (TRF), espectroscopía de reflectancia visible e infrarroja (VISIR) (400 - 900 nm, 1.3 - 2,6 μm) a distancia para proporcionar información sobre la mineralogía y la estructura molecular de las muestras consideradas, así como para poder buscar directamente los materiales orgánicos.

-         Finalmente, SuperCam también adquiere imágenes de alta resolución de las muestras en estudio utilizando una microimagen remota a color (RMI). La recopilación de datos proporcionados por este conjunto de mediciones correlacionadas en una muestra puede usarse para determinar directamente la geoquímica y la mineralogía de las muestras.

Las mediciones de SuperCam pueden adquirirse rápidamente sin la necesidad de colocar el rover o el brazo móvil sobre el objetivo, lo que facilita mediciones rápidas y eficientes durante las operaciones de Marte. Como se ha demostrado por ChemCam, el láser SuperCam se puede utilizar para "despegar" polvo de las superficies a una distancia con el fin de obtener una mejor visión de las superficies sólidas en Marte, sin tener que conducir hasta muestras y realizar manipulaciones con el brazo móvil o herramientas asociadas

SuperCam es un esfuerzo continuo entre Los Alamos y la institución de investigación IRAP en Toulouse, Francia, y la Agencia Espacial Francesa (CNES), con la colaboración adicional de la Universidad de Hawai y la Universidad de Valladolid (UVA) en España.

Roger Wiens - Investigador principal del Laboratorio Nacional Los Alamos - Los Alamos, Nuevo México

La emoción se está acumulando dentro del equipo SuperCam cuando el instrumento ingresa en las etapas finales de ensamblaje y prueba hacia un lanzamiento anticipado a bordo del rover Mars 2020 de la NASA. Solo este mes, las dos partes principales de un modelo de ingeniería avanzada se entregaron e integraron para realizar pruebas de rendimiento.

SuperCam es una versión trucada de ChemCam, que actualmente opera a bordo del rover Mars Curiosity. ChemCam dispara un rayo láser infrarrojo en rocas y suelos marcianos. El rayo vaporiza una pequeña cantidad de roca, creando un plasma caliente. ChemCam luego mide los colores de la luz en el plasma, que proporcionan pistas sobre la composición elemental del objetivo. Llamamos a la técnica de espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS). Una cámara proporciona fotografías muy detalladas de los objetivos del láser, que también ayudan a determinar la geología de la superficie.

Desarrollado conjuntamente por Los Álamos con la agencia espacial francesa para la misión rover Mars 2020 de la NASA, SuperCam combina capacidades remotas de química e imágenes con dos técnicas de mineralogía. Con estas mejoras sobre su predecesora ChemCam (que ahora opera en el rover Mars Curiosity), SuperCam será aún más capaz de estudiar la mineralogía y detectar compuestos relacionados con la posibilidad de vida en Marte. SuperCam también está equipado con un micrófono para capturar las primeras grabaciones de audio del planeta rojo. La NASA ha llamado SuperCam una "navaja suiza de instrumentos" debido a su versatilidad. El láser es fabricado por Thales.

Los datos de ChemCam han revolucionado nuestra comprensión de la geología y la atmósfera de Marte. Ha medido cantidades de elementos tan raros como el litio y el boro, mientras que observa elementos más abundantes en más de medio millón de espectros enviados desde el planeta rojo. Sus descubrimientos han contribuido a nuestra comprensión actual de Marte como un planeta una vez más cálido y más habitable.

SuperCam rendirá aún más detalles que ChemCam. Promete combinar las capacidades químicas remotas y las imágenes de ChemCam con dos técnicas de mineralogía, lo que la hace más capaz de estudiar la mineralogía y la presencia de compuestos relacionados con la posibilidad de vida en la superficie de Marte.

Una de las técnicas de mineralogía es la espectroscopía infrarroja (IR). El sensor de infrarrojos utiliza la luz recogida por el telescopio más grande (11 centímetros) compartido por todas las técnicas ópticas. El espectrómetro IR de SuperCam cubre el rango espectral de 1.3-2.6 micras, conocido como "infrarrojo de onda corta" o "infrarrojo cercano" para distinguirlo de los rangos de "infrarojo medio" o "infrarrojo térmico" de longitud de onda más larga (este último utilizado en los Mars Rovers de Exploración).

¿Por qué ese rango espectral? El infrarrojo cercano puede diagnosticar muchos de los minerales de arcilla que anticipamos nos contarán la historia del agua en Marte. Estos minerales absorben luz a longitudes de onda que corresponden a las energías vibratorias de las moléculas en los granos minerales. Los tipos de minerales arcillosos y sus abundancias nos hablan de la naturaleza del agua presente, ya sea fresca o salada, pH ácido o neutro, y si el agua podría haber estado helada o más caliente, y si el agua estuvo presente durante un largo período de tiempo. Todas estas son preguntas críticas para comprender cuán habitable es el medio ambiente, lo que nos ayuda en nuestra búsqueda de material orgánico que pueda dar pistas sobre la actividad biótica del pasado.

La espectroscopía Near-IR ha sido utilizada ampliamente desde la órbita por los instrumentos CRISM y OMEGA (en la nave espacial Mars Reconnaissance Orbiter y Mars Express, respectivamente), pero esta es la primera vez que la espectroscopía en este rango de longitud de onda se desplegará en la superficie de Marte.

LESIA, un grupo de investigación francés de las ciencias espaciales en las afueras de París, proporciona el espectrómetro IR. El espectrómetro IR complementa el rango de espectroscopia visible proporcionado por ChemCam y por los otros espectrómetros de SuperCam (240-850 nanómetros). La espectroscopía IR requiere un detector de bajo ruido y un entorno frío para maximizar la luz IR del objetivo y minimizar el ruido IR del material circundante. Todas las superficies a temperatura ambiente o más cálida se emiten en el infrarrojo. Las pruebas en LESIA recientemente han confirmado el buen comportamiento térmico y el bajo nivel de ruido del sistema SuperCam.

LESIA / Observatoire de Paris. PRUEBAS DE LESIA IR

Los ingenieros de LESIA, cerca de París, se preparan para la prueba de infrarrojos de la unidad SuperCam Mast, vista desde la parte posterior. El telescopio de la unidad está en el cuadro cuadrado a la izquierda; se está alineando con un equipo de calibración óptica. El espectrómetro IR cuelga debajo del resto de la unidad. Los espejos dirigen la luz del teleobjetivo hacia el espectrómetro IR. El láser, utilizado para la espectroscopía LIBS y Raman, es el cilindro de la derecha.

La otra técnica de mineralogía de SuperCam es la espectroscopía Raman, que utiliza un láser para estimular moléculas en la superficie de una roca o suelo. Es un rayo láser verde más suave que los pulsos que vuelan la superficie para LIBS. En la técnica de espectroscopía Raman, la mayor parte de la luz láser se refleja en la misma longitud de onda que se envió, pero una pequeña fracción de la luz interactúa con las moléculas, cambiando la longitud de onda en proporción a la energía vibratoria de los enlaces moleculares.

Observando espectralmente la luz Raman devuelta podemos identificar los minerales. Raman es complementario a la espectroscopía IR, ya que las dos técnicas observan diferentes vibraciones moleculares. La mayoría de las personas piensa en Raman como una técnica in situ que utiliza un rayo láser continuo, pero los expertos han demostrado que al usar un láser pulsado y los intensificadores de imágenes, el espectro de Raman se puede ver a algunos metros de distancia. SuperCam será pionero en esta técnica remota de Raman en Marte.

La técnica de Raman ha resultado engañosa para SuperCam de varias maneras. El rayo láser debe alinearse muy cuidadosamente con el pequeño campo de visión del espectrómetro. A una distancia de 10 metros, su campo de visión tiene menos de un centímetro de ancho. Puede que no creas que es demasiado difícil golpear con un láser, pero el rayo láser Raman pasa por un periscopio con el último espejo montado en el medio de la ventana del teleobjetivo de la SuperCam.

IRAP. TRAYECTORIAS DE SUPERCAM

Los caminos ópticos de los dos rayos láser producidos alternativamente por el láser de SuperCam son diferentes. El pulso infrarrojo se expande a un haz amplio en el teleobjetivo principal y luego se enfoca al objetivo para LIBS. El haz verde rodea el telescopio y su trayectoria es más difícil de mantener la alineación, especialmente con respecto al último espejo, que está montado en el medio de la ventana.

Las pruebas sobre las condiciones parecidas a las de Marte mostraron inicialmente que el rayo se movía cuando la ventana se flexionaba ligeramente (¡unos pocos micrómetros!) Con la temperatura. Peor aún, cuando nuestros colegas franceses en Toulouse probaron el telescopio para asegurarse de que sobreviviría al golpe causado por el disparo de los pernos explosivos del rover durante el aterrizaje, la trayectoria del rayo se movió de nuevo. Poco a poco en el transcurso del año pasado, con mejoras de diseño y más de 50 pruebas de choque, el haz se ha vuelto más y más estable.

Un segundo desafío fue el espectrómetro Raman en sí mismo. Necesitaba una resolución mucho mayor y una mayor eficiencia óptica que los espectrómetros de ChemCam. Así pasamos un año rediseñando y reconstruyendo cuidadosamente el espectrómetro para compensar la resolución más baja del intensificador, al mismo tiempo que proporcionamos un espectro de alta resolución. Se veía bien en el papel, pero anticipamos ansiosamente la primera prueba completa del instrumento, que lo diría todo.

LANL. ESPECTRÓMETRO DE TRANSMISIÓN SUPERCAM MARS 2020

Vista recortada del espectrómetro de transmisión utilizado para la espectroscopía Raman remota en SuperCam. La luz entra desde un haz de fibra óptica en el que está montada la ranura de apertura. El dicroico (izquierda) divide la luz en dos trazas. De las dos rejas lado a lado, una es un compuesto, dividiendo la luz en una tercera traza, todas las cuales son intensificadas y recogidas por un solo detector CCD que las lee en tres ventanas de digitalización secuencial.

Entonces, a principios de abril de 2018, llegamos al momento de la verdad: probar el instrumento con todos sus componentes. Nuestros colegas franceses del Instituto de Astrofísica y Ciencias Planetarias de Toulouse nos enviaron el modelo de ingeniería de la unidad del mástil, la parte que se encuentra sobre el rover. Contiene el láser, el teleobjetivo, la cámara de alta resolución y el espectrómetro IR. 

LANL. LLEGADA DE LA UNIDAD DE MÁSTIL SUPERCAM

Acaba de llegar de Francia: la unidad de mástil SuperCam llega a la Oficina de Los Alamos Mars 2020 desde Francia en su contenedor de transporte transatlántico. Los miembros del equipo de Francia y Estados Unidos están listos para desempaquetar y probar el instrumento. El láser, el teleobjetivo, la cámara de alta resolución, el micrófono y el espectrómetro infrarrojo son aportados por la Agencia Espacial Francesa, CNES. El instrumento está integrado en el Laboratorio Nacional Los Alamos.

Lo conectamos con entusiasmo pero con cuidado con los espectrómetros y componentes electrónicos construidos en Los Álamos. Llamamos a eso la unidad del cuerpo, ya que se encuentra en el cuerpo del rover. Las dos unidades están conectadas por cables eléctricos y una fibra óptica que lleva la luz del telescopio a los espectrómetros. Una capa de oro muy fina recubre ambas unidades para ayudarlas a mantener sus temperaturas.

LANL. INTEGRACIÓN DE LAS UNIDADES DE MÁSTIL Y CUERPO DE SUPERCAM

Las dos partes del instrumento SuperCam se muestran montadas en un banco óptico. Las dos unidades están conectadas por cables electrónicos y una fibra óptica (cable azul a la izquierda).

ESPECTROS DE MINERALOGÍA RAMAN A DISTANCIA

Se compara un espectro SuperCam Raman del yeso mineral tomado con 20 disparos de láser a 2 metros de distancia con un ejemplo in situ de "libro de texto" de la base de datos espectral RRUFF. El espectro SuperCam tiene una resolución casi equivalente (líneas de emisión angostas) al ejemplo del libro de texto. El eje y es relativo "cuenta". Las alturas relativas de algunos de los picos varían de forma natural entre las muestras. El yeso es un mineral simple de observar con la espectroscopía Raman. Se realizarán pruebas más rigurosas una vez que el instrumento esté controlado térmicamente, lo que mejora significativamente la relación señal / ruido.

A medida que vemos el fruto de cada uno de estos avances, estamos cada vez más entusiasmados con los datos que se obtendrán del instrumento SuperCam. Promete desempeñar un papel clave en la exploración de una nueva región de Marte en la que se recogerán muestras para el posible retorno futuro a la Tierra.

Fuente

Planetary Sociaty/

Roger Wiens - Investigador principal del Laboratorio Nacional de Los Alamos - Los Alamos, Nuevo México

NASA/Instituto de Astrofísica y Ciencias Planetarias de Toulouse – Francia/ Agencia Espacial Francesa (CNES)

Universidad de Hawai y la Universidad de Valladolid (UVA) en España.