Quelle: NASA's New Mars Rover Will Use X-Rays to Hunt Fossils

NASAs Mars 2020 Perseverance Rover hat einen anspruchsvollen Weg vor sich: Nachdem er die beschwerliche Eintritts-, Abstiegs- und Landephase der Mission am 18. Februar 2021 durchlaufen hat, wird er mit der Suche nach Spuren mikroskopischen Lebens aus der Zeit vor Milliarden von Jahren beginnen. Deshalb ist er mit PIXL ausgerüstet, einem Präzisions-Röntgengerät mit künstlicher Intelligenz (KI).

Die Abkürzung PIXL steht für "Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry" und ist ein Instrument in Lunchbox-Größe, das sich am Ende des 2 Meter langen Roboterarms von Perseverance befindet. Die wertvollsten Proben des Rovers werden mit einem Kernbohrgerät am Ende des Arms gesammelt und dann in Metallröhren verstaut, die Perseverance auf der Marsoberfläche ablegen wird, um sie bei der zukünftigen Mars Sample Return Mission zur Erde zu bringen.

Nahezu jede Mission, die erfolgreich auf dem Mars gelandet ist, von den Viking-Landern bis zum Curiosity-Rover, hat eine Art Röntgenfluoreszenzspektrometer mitgeführt. PIXL unterscheidet sich von seinen Vorgängern vor allem durch die Fähigkeit, Gestein mit einem starken, fein fokussierten Röntgenstrahl abzutasten, um herauszufinden, wo - und in welcher Menge - Chemikalien auf der Oberfläche verteilt sind.

"Der Röntgenstrahl von PIXL ist so fein, dass er Merkmale so klein wie ein Salzkorn lokalisieren kann. Dadurch können wir aus bestimmten Texturen in einem Gestein auf bestimmte Chemikalien schließen", sagte Abigail Allwood, PIXLs Hauptforscherin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.

Gesteinstexturen werden ein wesentlicher Anhaltspunkt bei der Entscheidung sein, welche Proben es wert sind, zur Erde zurückgebracht zu werden. Auf unserem Planeten entstanden aus uralten Bakterienschichten unverwechselbar geformte Gesteine, so genannte Stromatolithen, und sie sind nur ein Beispiel für versteinertes altes Leben, nach dem Wissenschaftler suchen werden.

PIXL öffnet seine Staubschutzhülle während der Tests im Jet Propulsion Laboratory der NASA. PIXL ist eines von sieben Instrumenten auf dem Marsrover Perseverance der NASA und befindet sich am Ende des Roboterarms des Rovers. Quelle: NASA/JPL-Caltech

Eine KI-getriebene Nachteule

Um die besten Zielobjekte zu finden, ist PIXL auf mehr als nur einen Präzisions-Röntgenstrahl angewiesen. Es braucht auch einen Hexapod - eine Platform mit sechs mechanischen Beinen, das PIXL mit dem Roboterarm verbindet und durch künstliche Intelligenz geführt wird, um höchste Treffsicherheit zu erreichen. Nachdem der Arm des Rovers in die Nähe eines interessanten Felsens gebracht wurde, verwendet PIXL eine Kamera und einen Laser, um die Entfernung zu berechnen. Dann führen diese Beine winzige Bewegungen aus - in der Größenordnung von nur 100 Mikrometern, was etwa der doppelten Breite eines menschlichen Haares entspricht -, so dass das Gerät das Ziel abtasten und die in einem briefmarkengroßen Bereich gefundenen Chemikalien abbilden kann.

"Der Hexapod findet von selbst heraus, wie er seine Beine noch näher an ein Felsziel heranführen und strecken kann", sagte Allwood. "Er ist wie ein kleiner Roboter, der es sich am Ende des Armes des Rovers gemütlich gemacht hat."

Dann misst PIXL Röntgenstrahlen in 10-Sekunden-Impulsen von einem einzigen Punkt auf einem Gestein, bevor das Instrument 100 Mikrometer geneigt wird und eine weitere Messung durchführt. Um eine briefmarkengroße chemische Karte zu erstellen, muss dies unter Umständen Tausende von Malen im Laufe von acht oder neun Stunden gemacht werden.

Dieser Zeitrahmen ist zum Teil das, was die mikroskopischen Justierungen von PIXL so schwierig macht: Die Temperatur auf dem Mars ändert sich im Laufe eines Tages um mehr als 38 Kelvin, was dazu führt, dass sich das Metall am Roboterarm von Perseverance um bis zu 13 Millimeter ausdehnt und zusammenzieht. Um die thermischen Kontraktionen, mit denen PIXL zu kämpfen hat, zu minimieren, wird das Instrument seine Arbeit nur nach Sonnenuntergang durchführen.

"PIXL ist eine Nachteule", sagte Allwood. "Die Temperatur ist nachts stabiler, und das lässt uns zu einer Zeit arbeiten, in der es auf dem Rover weniger Bewegung gibt."

Der Hexapod von PIXL in Bewegung: Der Hexapod, eine Platform mit sechs mechanischen Beinen, ist ein wichtiger Teil des PIXL-Instruments an Bord von NASAs Marsrover Perseverance. Der Hexapod ermöglicht PIXL, langsame, präzise Bewegungen auszuführen, um näher an bestimmte Teile einer Felsoberfläche heranzukommen und sich auf diese auszurichten. Dieses GIF wurde erheblich beschleunigt, um zu zeigen, wie sich der Hexapod bewegt. Quelle: NASA/JPL-Caltech

Röntgenstrahlen für Kunst und Wissenschaft

Lange bevor die Röntgenfluoreszenz auf den Mars gelangte, wurde sie von Geologen und Metallurgisten zur Identifizierung von Materialien verwendet. Schließlich entwickelte sie sich zu einer Standardtechnik in Museen, um die Herkunft von Gemälden zu ermitteln oder Fälschungen aufzuspüren.

"Wenn Sie wissen, dass ein Künstler typischerweise ein bestimmtes Titanweiß mit einer einzigartigen chemischen Signatur von Schwermetallen verwendet hat, könnte dieser Nachweis helfen, ein Gemälde zu authentifizieren", so Chris Heirwegh, ein Röntgenfluoreszenz-Experte im PIXL-Team am JPL. "Oder Sie können feststellen, ob eine bestimmte Art von Farbe aus Italien und nicht aus Frankreich kommt, indem Sie sie mit einer bestimmten Kunstrichtung aus dieser Zeitperiode in Verbindung bringen."

Für Astrobiologen ist die Röntgenfluoreszenz eine Möglichkeit, Geschichten aus der Vergangenheit zu lesen. Allwood verwendete sie, um festzustellen, dass Stromatolithgestein, welches in ihrem Heimatland Australien gefunden wurde, mit einem Alter von 3,5 Milliarden Jahren zu den ältesten mikrobiellen Fossilien der Erde gehört. Die Kartierung der chemischen Zusammensetzung von Gesteinstexturen mit PIXL gibt den Wissenschaftlern Anhaltspunkte für die Interpretation, ob eine Probe eine versteinerte Mikrobe sein könnte.

PIXLs Nachtlicht: PIXL benötigt Bilder von seinen Zielobjekten, um sich selbstständig positionieren zu können. Leuchtdioden umgeben seine Öffnung. Sie beleuchten das Objekt um Bilder aufzunehmen, wenn das Instrument nachts arbeitet. Mit Hilfe künstlicher Intelligenz bestimmt PIXL anhand der Bilder, wie weit es von einem zu scannenden Ziel entfernt ist. Quelle: NASA/JPL-Caltech

Mehr über die Mission

Ein Hauptziel der Mission von Perseverance auf dem Mars ist die Astrobiologie, einschließlich der Suche nach Anzeichen für mikrobielles Leben. Der Rover wird auch das Klima und die Geologie des Planeten untersuchen, den Weg für die Erforschung des Roten Planeten durch bemannte Missionen ebnen und die erste planetarische Mission sein, die Marsgestein und Regolith (zerbrochenes Gestein und Staub) sammeln und aufbewahren wird.

Spätere Missionen, die derzeit von der NASA in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA in Erwägung gezogen werden, würden Raumfahrzeuge zum Mars schicken, um diese Proben von der Oberfläche einzusammeln und zur Erde für eine genauen Analyse zurückzubringen.

Die Mission Mars 2020 ist Teil eines größeren Programms, das Missionen zum Mond als Vorbereitung auf die Erforschung des Roten Planeten durch den Menschen einschließt.

Mit dem Auftrag Astronauten bis 2024 zum Mond zurückzuschicken, wird die NASA bis 2028, durch die Artemis Missionen, eine nachhaltige menschliche Präsenz auf und um den Mond etablieren.

Das JPL, das für die NASA von Caltech in Pasadena, Kalifornien, geleitet wird, baute und verwaltet den Betrieb der Rover Perseverance und Curiosity.

Erfahren Sie mehr über die Mission Mars 2020 unter: https://www.nasa.gov/perseverance