Curiosity: la ChemCam supera i 100.000 colpi di laser

Pubblicato Domenica, 08 Dicembre 2013 10:21

Scritto da Elisabetta Bonora

Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS

La Chemistry and Camera (CheCam) di Curiosity, lo strumento utilizzato dal rover per analizzare la composizione chimica delle rocce marziane, ha superato i 100.000 colpi di laser sparati su Marte.

Il traguardo è stato raggiunto, su una roccia chiamata "Itaca" a fine ottobre: il centomillesimo zap faceva parte di una raffica di 300 colpi sparati su 10 porzioni diverse del target, da una distanza di 4.04 metri dalla cima di Curiosity dove è montato il laser.

"Itaca" fa parte della zona di Cooperstown, a Waypoint 2, il secondo punto di interesse individuato dal team di missione lungo il percorso per il Monte Sharp.

Curiosity sol 439 Cooperstown MastCam right mosaic
"Courtesy NASA/JPL-Caltech." processing 2di7 & titanio44

Questa roccia ha un aspetto ruvido ma è liscia nella parte superiore: sembra essere una roccia sedimentaria che sporge dal pavimento del cratere Gale.

Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Nel mosaico in apertura, realizzato con le immagini del micro-imager della ChemCam, è indicato proprio il centomillesimo zap. Nella foto sono mostrati in totale 10 punti colpiti dal laser, ciascuno dei quali, ha ricevuto 30 impulsi.

Curiosity ha analizzato la roccia partendo dal basso, ossia dalla zona più ruvida, verso l'alto dove il materiale sembra più fine ma, nonostante il diverso aspetto, la composizione è simile.

Lo spettro registrato dalla ChemCam, che misura l'intensità della luce a 6.144 lunghezze d'onda, ultraviolette, visibili ed infrarosse, è tipico di una roccia di origine vulcanica (basalto).
In sostanza, Itaca è una roccia sedimentaria, i cui sedimenti hanno origini ignee.
Gli elementi identificati dallo spettro includono: silicio, magnesio, alluminio, calcio, sodio, potassio, ossigeno e titanio, compresi cromo e manganese, non indicati nel grafico.

Credit: NASA/JPL-Caltech/LANL/CNES/IRAP/UNM

Ma come funziona la ChemCam?

La Chemistry and Camera (ChemCam) è uno dei dieci strumenti scientifici a bordo di Curiosity.
E' stata realizzata dall'U.S. Department of Energy del Los Alamos National Laboratory, a Los Alamos, Nuovo Messico, in collaborazione con gli ingegneri finanziati dall'Agenzia Spaziale Francese CNES, l'Università di Tolosa e l'centro di ricerca CNRS.

Utilizza un laser ad infrarossi per eccitare il materiale: l'energia del laser colpisce la roccia e ne eccita gli atomi in superficie, trasformandoli in plasma ionizzato. Quindi, un telescopio riflettore, osserva la luce emessa ed, attraverso una fibra ottica, la invia a tre spettrometri che ne analizzano lo spettro per identificare gli elementi chimici del target.

Credit: J-L. Lacour/CEA/French Space Agency (CNES)

La maggior parte dei bersagli vengono colpiti in diversi punti con 30 impulsi laser per ciascuno.
Ogni zap trasporta più di un millione di watt (1 MegaWatt) per millimetro quadrato, per una durata di 5 miliardesimi di secondo.

Un team internazionale di scienziati sta utilizzando tali dati per caratterizzare la superficie marziana:
"Questi materiali includono polvere, terriccio portato dal vento, sedimenti del bordo del cratere trasportati dall'acqua, venature di solfati e rocce ignee che potrebbero essere state espulse da altre parti di Marte", ha detto Horton Newsom della University of New Mexico di Albuquerque.

La tecnica utilizzata dalla ChemCam è chiamata spettroscopia di ripartizione indotta da laser (LIBS), che da il nome anche ad uno dei due strumenti di telerilevamento della ChemCam stessa.
E' stata utilizzata sulla Terra in ambienti estremi, come l'interno dei reattori nucleari o il fondo del mare e, in via sperimentale, in ambito medico nella ricerca sul cancro.

Lo strumento della ChemCam, quindi, si compone di due elementi: il primo, lo abbiamo appena nominato, è il Laser-Induced Breakdown Spectrometer (LIBS), l'altro è il Remote Micro-Imager (RMI).

La ChemCam, in pratica permette, agli scienziati di ottenere alcune importanti informazioni base su un gran numero di target, compresi quelli in posizioni poco accessibili per altri strumenti del rover. Alcuni di essi, poi, vengono selezionati per ulteriori indagini.
La ChemCam è anche in grado di lavorare in spettroscopia passiva ma in questo modo l'individuazione degli elementi rimane senz'altro più difficile e meno precisa.

LIBS è stato progettato per operare tra i - 30 e i +30 gradi Celsius, fino a 2 milioni di impulsi.
Si concentra su bersagli entro 7 metri dal rover, producendo uno spot tra i 0,3 e i 0,6 mm di diametro.
L' energia che raggiunge il campione è circa il 50% della luce iniziale emessa.

Curiosity è alto 2,2 metri e la ChemCam è proprio in cima: questo, insieme alla distanza a cui viene scelto di utilizzare il laser, permette di ottenere dei fori praticamente perpendicolari anche quando il target è in piano.

La luce del plasma generato viene raccolta da un telescopio di tipo Cassegrain da 110 millimetri di diametro e concentrata su un cavo in fibra ottica lungo 6 metri.
La fibra trasporta la luce a tre spettrometri che registrano gli spettri in un range dai 240 ai 850 nanometri, in 6.144 canali.

Naturalmente, tutte le ottiche devono esser state opportunamente selezionate per lavorare alle gamme richieste.

L'immagine che segue mostra la simulazione di un raggio laser che colpisce un bersaglio metallico, sulla Terra e su Marte. Nel test, condotto presso un laboratorio di prova del Los Alamos National Laboratory, è stata simulata la pressione atmosferica del Pianeta Rosso, che, essendo solo l'un per cento di quella terrestre al livello del mare, consente al plasma di espandersi e diventare più luminoso.

Credit: LANL

Il target di calibrazione della ChemCam si trova sul ponte del rover a 1,54 metri dallo strumento e comprende nove campioni di materiali selezionati dagli scienziati per Marte, più una placca di titanio con bordo verniciato.

Nella seguente immagine, dall'alto a sinistra abbiamo:
- quattro campioni di vetro sintetizzato che rappresentano le rocce ignee marziane;
- una grafite naturale che si trova in un fiume del Perù;
- sotto, quattro tipi di ceramiche che rappresentano le rocce sedimentarie;
- la placca di titanio per la calibrazione della lunghezza d'onda e i test diagnostici del laser.

Credit: NASA/JPL-Caltech

Il RMI è il sistema visivo del LIBS ma a differenza di quest'ultimo non ha limitazioni di distanza per il target.

La fotocamera ha restituito ad oggi oltre 1.600 immagini riprendendo non solo bersagli mirati ma anche scorci del paesaggio lontano. Il risultato non è certo paragonabile ai panorami della MastCam o alla definizione del MAHLI ma è comunque suggestivo.

Curiosity ChemCam gif-movie sol 475
"Courtesy NASA/JPL /Caltech/MSSS" processing 2di7 & titanio44

Il RMI ha un campo visivo di 19 milliradianti e il CCD della fotocamera è un 1024 x 1024 pixel.

La seguente foto, che rappresenta un dollaro fotografato da tre metri di distanza, aiuta a comprendere la modalità di ripresa.

Credit: NASA/JPL-Caltech/LANL

Su Marte il risultato appare meno nitido: le immagini della ChamCam mostrano una definizione ed illuminazione più elevata al centro mentre sono più scure e sfocate verso l'esterno.
Questo dipende da una capacità di messa a fuoco localizzata (d'altra parte, il principale scopo dello strumento è quello di supporto visivo al LIBS) e dal livello di illuminazione ambientale.
Alla fine, le elaborazioni richiedono non poco lavoro per riuscire ad ottenere risultati soddisfacenti.

Segue un esempio: un'immagine raw del sol 443 ed il nostro mosaico a colori.

 Credit: NASA/JPL-Caltech/LANL

Curiosity sol 443 ChemCam stack
"Courtesy NASA/JPL-MSSS Caltech/LANL" processing 2di7 & titanio44

Alcuni riferimenti:
- http://www.msl-chemcam.com/
- http://msl-scicorner.jpl.nasa.gov/Instruments/ChemCam/
- http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2012-256