Labore & Techniken

Mit LIBS können fast alle Elemente gemessen werden, was es zu einem nützlichen und leistungsfähigen Analyseverfahren für die chemische Zusammensetzung von Gesteinen und Böden auf anderen planetaren Körpern macht. Da das Instrument nur optischen Zugang zu einer Probe benötigt, können Messungen über Entfernungen von mehreren Metern durchgeführt werden.

Das erste LIBS-Instrument, das in der Weltraumforschung eingesetzt wurde, ist das ChemCam-Instrument an Bord von NASAs Curiosity Rover. Es sammelt seit 2012 LIBS Daten von der Oberfläche des Mars. Sein Nachfolger SuperCam auf dem neuesten NASA Mars-Rover Perseverance kombiniert LIBS mit Raman- und Infrarotspektroskopie und verfügt zusätzlich über ein Mikrofon. Unser Team ist in beiden Missionen an dem Betrieb der Instrumente ChemCam und SuperCam sowie an der Auswertung der auf dem Mars gewonnenen Daten beteiligt

Ramanspektroskopie

Die Raman-Spektroskopie ist eine gängige Labortechnik, die zur Analyse von Struktur und Bindungen in einer Probe eingesetzt wird. Dabei wird eine Probe mit einem Laser bestrahlt und das reflektierte Licht spektral zerlegt. Gegenüber dem ursprünglichen Laserlicht können dabei aufgrund von Wechselwirkungen mit der Probe Farbverschiebungen auftreten, die in den Raman-Spektren sichtbar werden. Minerale und organische Verbindungen haben charakteristische Raman-Spektren, anhand derer sie direkt identifiziert werden können. Daher ist die Technik besonders für die in-situ-Planetenerkundung von großem Interesse und kann dort sowohl für die Analyse von Gesteinen und Böden als auch für die Suche nach möglichen Spuren von Leben eingesetzt werden. Der Perseverance-Rover der NASA ist mit zwei Raman-Instrumenten, SHERLOC und SuperCam, ausgestattet, welche auch die ersten extraterrestrisch eingesetzten Raman-Instrumente sind.

Das von DLR-OS entwickelte RAX-Instrument für die MMX-Mission der JAXA zum Phobos wird das dritte Raman-Instrument in der extraterrestrischen Forschung sein.

Referenzen:

T. Hagelschuer, U. Böttger, M. Buder , Y. Bunduki, Y. Cho, E. Dietz, T., H.-W. Hübers, S. Kameda, E. Kopp, A. Moral Inza, M. Pertenais , G. Peter , A. Pohl, O. Prieto-Ballesteros, K. Rammelkamp, S. Rockstein, S. Routley, S. Rufini, F. Rull, C. Ryan, T. Säuberlich, F. Schrandt, S. Schröder, S. Ulamec, K. Westerdorff, “RAX: The Raman spectrometer for the MMX Phobos rover.”, Proceedings of IAC 2022, IAC-22-A4.4.8 (2022).

S. Schröder, U. Böttger, M. Buder , Y. Bunduki, Y. Cho, E. Dietz, T. Hagelschuer, H.-W. Hübers, S. Kameda, E. Kopp, A. Moral Inza, M. Pertenais , G. Peter , A. Pohl, O. Prieto-Ballesteros, K. Rammelkamp, S. Rockstein, S. Routley, S. Rufini, F. Rull, C. Ryan, T. Säuberlich, F. Schrandt, S. Ulamec, T. Usui, K. Westerdorff, “RAX: The Raman Spectrometer on the MMX Rover for in-situ Surface Analysis on Phobos”, 54th LPSC, #2549 (2023).

Kombination von LIBS und Raman-Spektroskopie

In unserer Abteilung untersuchen wir auch das Potenzial von kombinierten LIBS/Raman-Instrumenten mit einem miniaturisierten Laboraufbau unter Verwendung eines gepulsten LIBS-Lasers und eines kontinuierlichen Raman-Lasers. Dabei interessieren wir uns besonders für die Auswirkungen von LIBS auf anschließende Raman-Messungen sowie Methoden zur optimalen Analyse der kombinierten Daten.

Referenzen:

S. Schröder, K. Rammelkamp, F. Hanke, I. Weber, D.S. Vogt, S. Frohmann, S. Kubitza, U. Böttger, H.-W. Hübers (2019), “Effects of pulsed laser and plasma interaction on Fe, Ni, Ti and their oxides for LIBS Raman analysis in extraterrestrial environments.“, Journ. of Raman Spectroscopy 51, 1667, https://doi.org/10.1002/jrs.5650.

K. Rammelkamp, S. Schröder, S. Kubitza, D.S. Vogt, S. Frohmann, P.B. Hansen, U. Böttger, F. Hanke, H.-W. Hübers (2019), “Low-level LIBS and Raman data fusion in the context of in situ Mars exploration.“, Journ. of Raman Spectroscopy 51, 1628, https://doi.org/10.1002/jrs.5615.

LIBS für Mars, Mond und andere Körper des Sonnensystems

Die von uns entwickelten LIBS-Aufbauten sind mit Simulationskammern kombiniert, die evakuiert und mit verschiedenen Gasgemischen gefüllt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, den atmosphärischen Druck und die Zusammensetzung der Atmosphäre anderer Planeten zu simulieren. Zur Simulation der Marsatmosphäre wird ein Gasgemisch aus > 95% CO₂ bei Drücken von 6-8 mbar verwendet. Mit unseren Versuchsaufbauten können wir Drücke von bis zu 10^-5 mbar erreichen.

Neben Machbarkeitsstudien mit Fokus auf aktuell relevante Fragestellungen im Kontext laufender und zukünftiger planetarer Missionen, wie z.B. für Mond und Mars, entwickeln und testen wir auch Prototyp-Komponenten.

Referenzen:

K. Rammelkamp, S. Schröder, B.A. Lomax, E. Clavé, H.-W. Hübers (2024), "LIBS for prospecting and Raman spectroscopy for monitoring: two feasibility studies for supporting in-situ resource utilization", Front. Space Technol. 5:1336548. https://doi.org/10.3389/frspt.2024.1336548 .

S. Schröder, K. Rammelkamp, D.S. Vogt, O. Gasnault, H.-W. Hübers (2019), “Contribution of a martian atmosphere to laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) data and testing its emission characteristics for normalization applications.”, Icarus 325, 1, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.02.017.

D.S. Vogt, S. Schröder, K. Rammelkamp, P.B Hansen, S. Kubitza, H.-W. Hübers (2020), “CaCl and CaF emission in LIBS under simulated Martian conditions.“, Icarus 35, 113393, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.113393.

D.S. Vogt, S. Schröder, L. Richter, M. Deiml, P. Weßels, J. Neumann, H.-W. Hübers (2022), “VOILA on the LUVMI-X Rover: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for the Detection of Volatiles at the Lunar South Pole”, Sensors 22, 9518, https://doi.org/10.3390/s22239518.

Vakuum-UV-LIBS

Neben der Erforschung von LIBS im üblicherweise verwendeten Spektralbereich zwischen 230 nm und 900 nm untersuchen wir auch das Potential des Vakuum-UV-Spektralbereichs zwischen 100  nm und 200 nm, in dem viele interessante Elemente (z.B. C, H, N, O, P, S, Cl) ihre stärksten Emissionslinien haben. Dieser Spektralbereich wird meist von den Molekülen in der Atmosphäre absorbiert und ist daher besonders interessant für LIBS-Anwendungen unter Vakuumbedingungen, wie z.B. auf atmosphärenlosen Körpern wie dem Mond.

Referenz:

S. Kubitza, S. Schröder, E. Dietz, S. Frohmann, P. B. Hansen, K. Rammelkamp, D. S. Vogt, H.-W. Hübers (2020) “Detecting sulfur on the Moon: The potential of vacuum ultraviolet laser-induced breakdown spectroscopy.”, Spectrochim Acta B 174, 105990, https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.105990.

LIBS für Feldtests

Mit einem tragbaren LIBS-Instrument können wir in-situ im Gelände Experimente an Orten durchführen, die geologisch gesehen mit dem Mars und dem Erdmond vergleichbar sind. Die Daten aus diesen Feldexperimenten können mittels multivariater Datenanalyse ausgewertet werden, wobei statistische Modelle verwendet werden, um die geologischen Proben zu klassifizieren oder ihre chemische Zusammensetzung zu quantifizieren.

Im Rahmen des Helmholtz-Projekts ARCHES haben wir ein LIBS-Instrument entwickelt, das, in eine modulare Payload-Box eingebaut, von der Lightweight Rover Unit (LRU) des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik gesteuert werden kann.

Referenzen:

S. Schröder, F. Seel, E. Dietz, S. Frohmann, P.B. Hansen, P. Lehner, A.F. Prince, R. Sakagami, B. Vodermayer, A. Wedler, A. Börner, H.-W. Hübers, "A Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Instrument for In-Situ Exploration with the DLR Lightweight Rover Unit (LRU)", Appl. Sci., 14(6), 2467; https://doi.org/10.3390/app14062467, (2024).

K. Rammelkamp, S. Schröder, G. Ortenzi, A. Pisello, K. Stephan, M. Baqué, H.-W. Hübers, O. Forni, F. Sohl, L. Thomsen, V. Unnithan, “Field investigation of volcanic deposits on Vulcano, Italy using a handheld laser-induced breakdown spectroscopy instrument.“, Spectrochim. Acta B 177, 106067, https://doi.org/10.1016/j.sab.2021.106067, (2021).

LIBS-Plasmadynamik und LIBS-Akustiksignal

Um die Analyse der spektralen und auch der akustischen LIBS-Daten vom Mars zu unterstützen, untersuchen wir die Dynamik des LIBS-Plasmas und die Entstehung des akustischen LIBS-Signals in Laborstudien. Dazu kombinieren wir die Messung von zeitaufgelösten Plasmabildern, von Schlierenbildern der Schockwelle und von akustischen Signalen in einem Aufbau.

Mit dem Plasma-Imaging-System können wir die räumliche Verteilung und die zeitliche Entwicklung des LIBS-Plasmas und der darin enthaltenen Elemente sichtbar machen. Solche Messungen ermöglichen ein besseres Verständnis der Dynamik des LIBS-Plasmas, insbesondere in verschiedenen atmosphärischen Umgebungen, wie z.B. auf dem Mars, und können somit zur weiteren Analyse echter Missionsdaten beitragen.

Das Schlieren-Bildgebungssystem kann Dichteänderungen in der Atmosphäre, wie sie durch die LIBS-Schockwelle verursacht werden, sichtbar machen und mit einem Mikrofon werden die dazugehörigen Geräusche aufgenommen. Durch die Kombination der drei Methoden können wir die Entstehung des akustischen Signals über vier Größenordnungen in der Zeit untersuchen und den Einfluss von experimentellen Parametern sowie der Eigenschaften der Probe auf das akustische LIBS-Signals analysieren.

Vogt, D. S., Schröder, S., Frohmann, S., Hansen, P. B., Seel, F., Gensch, M., & Hübers, H. W (2022)., Spatiotemporal characterization of the laser-induced plasma plume in simulated Martian conditions. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 187, 106326, https://doi.org/10.1016/j.sab.2021.106326.

Seel, F., Schröder, S., Vogt, D. S., Dietz, E., Hübers, H. W., & Gensch, M. (2023). Generation and evolution of laser-induced shock waves under Martian atmospheric conditions. Icarus, 394, 115405, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2022.115405.

Maurice, S., Chide, B., Murdoch, N., Lorenz, R. D., Mimoun, D., Wiens, R. C., ... & Williford, K. (2022). In situ recording of Mars soundscape. Nature, 605(7911), 653-658, https://doi.org/10.1038/s41586-022-04679-0.