“Vanwege onze expertise als bouwers van instrumenten die minuscuul zijn en onder extreme omstandigheden functioneren, heeft ESA ons destijds geselecteerd om een spectrometer te ontwikkelen met unieke eigenschappen. In dit optische meetinstrument combineren we twee technieken om grondmonsters op Mars nauwkeurig te kunnen analyseren.” Aldus projectmanager ir. Erik Boslooper en onderzoeker dipl.-ing. Berit Ahlers van TNO.

ExoMars is de tweede Europese missie van ESA naar de planeet. Uit gegevens die de Mars Express sinds 2003 oplevert, ontdekten onderzoekers sporen van waterdamp en ijs. Eerst waren het vanaf de jaren zestig vooral Russen en Amerikanen die met ruimtevaartuigen onderzoek deden naar de geologie van en het klimaat op Mars. De belangstelling voor Mars vloeit voort uit het feit dat deze van de acht planeten in ons zonnestelsel het meest op de aarde lijkt. Mars doet net iets langer over het draaien om de eigen as dan de aarde: een dag op Mars (sol) duurt 24 uur plus een kleine veertig minuten. Mars kent net als de aarde seizoenen, hoewel ze daar twee keer zo lang duren en het oppervlak kent ook vulkanen, valleien, zandduinen en poolkappen.

De maan is bijna 400.000 kilometer van de aarde verwijderd; de afstand tussen aarde en Mars varieert tussen de 75 en 375 miljoen kilometer. Slechts één keer per twee jaar doet zich de ideale omstandigheid voor een ruimtevaartuig met minimale energie naar Mars te sturen. En met de huidige stand van de technologie duurt het zelfs dan nog ongeveer een jaar om er te komen. “Daarom zijn alle deadlines voor het ontwikkelen van de hard- en software keihard. De lancering van het ruimtevaartuig is jaren geleden al uitgesteld tot 2013, maar de planning is sinds 2006, toen we de opdracht binnenhaalden, heel strak.”

Dubbele wetenschappelijke uitdaging

Het optische instrument Raman / LIBS Elegant Bread Board is bedoeld als prototype dat uiteindelijk samen met andere instrumenten aan boord van een robotwagentje in 2015 op Mars moet landen om daar bodemonderzoek te doen. TNO heeft het samen met wetenschappelijke instellingen elders ter wereld en gespecialiseerde bedrijven ontwikkeld.

De wetenschappelijke uitdaging is volgens het TNO-team niet alleen dat het instrument aan extreme eisen moet voldoen wat betreft volume, massa en elektrisch vermogen, maar ook dat het twee tot nu toe compleet gescheiden technologieën in zich herbergt. “Raman en LIBS zijn twee totaal verschillende technieken. Die twee samenbrengen in één instrument is wereldwijd nog nooit vertoond. Dat ESA ons dat toevertrouwt, is op zich al een compliment”, aldus Boslooper en Ahlers.

Een spectrometer is een optisch instrument dat op een speciale manier licht kan opvangen en analyseren. De spectrometer Raman maakt een moleculaire analyse van organische verbindingen en mineralen en levert waardevolle informatie over de aanwezigheid van water of ijs. De krachtige LIBS-laser creëert een plasma en maakt een soort vingerafdruk van de samenstellende elementen. Stof en weersinvloeden worden hierbij verwijderd.

“Raman en LIBS vullen elkaar in dit bijzondere instrument mooi aan’, zegt Ahlers. ’Het gaat er uiteindelijk om dat een klein voertuigje met zes wielen over Mars rijdt en monsters verzamelt van het oppervlak en uit de bodem. Die worden met behulp van de spectrometer geanalyseerd. Daaruit kan dan, samen met de resultaten van de andere instrumenten, blijken of er leven op Mars was of is.”

Internationaal netwerk

Voor de ontwikkeling van de spectrometer hebben de TNO-experts ondersteuning gekregen van een internationaal team van wetenschappers op uiteenlopende vakgebieden. Zo werkten vooraanstaande hoogleraren geologie en chemie van de Amsterdamse Vrije Universiteit en verschillende buitenlandse universiteiten aan specificaties op basis waarvan het instrument ontwikkeld is. Verder zijn er gespecialiseerde bedrijven in verschillende Europese landen geselecteerd om als toeleverancier van onderdelen te fungeren.

Boslooper: “TNO leverde de specificaties voor de toeleverende bedrijven. Wij waren verantwoordelijk voor het assembleren, integreren en het testen van alle onderdelen in onze cleanrooms. Slijpen, lijmen, inbouwen van de meest verfijnde materialen en dat allemaal met de kleinst mogelijk toegestane toleranties. Dat is onze specialiteit. Concurrenten? We opereren internationaal in een heel klein wereldje waarin iedereen elkaar kent en waarin uitwisseling van kennis onderling en met het bedrijfsleven centraal staat.”

Volgens de TNO-onderzoekers zal de spectrometer uiteindelijk ook goed bruikbaar kunnen zijn voor andere toepassingen dan alleen onderzoek op Mars: “Het instrument moet in de ruimte kunnen functioneren ongeacht grote temperatuurverschillen en is in hoge mate schokbestendig. Op de aarde zou de spectrometer dus ook bruikbaar kunnen zijn onder andere extreme omstandigheden. Bijvoorbeeld on-site analyse van bodemmonsters en gesteenten voor de olie en gasindustrie. Dat is ook de kracht van TNO: wat wij hier voor de ruimtevaart ontwikkelen, doen we samen met collega’s van defensie, ICT, bouw of gezondheid. En al die kennis wisselen we weer uit met wetenschappers elders in de wereld en met het bedrijfsleven. Dat is ook het mooie van dit werk: je bent nu bezig met het ontwikkelen van een klein instrument dat over een jaar of vijf op Mars landt en daar misschien leven aantoont.”

Inmiddels is het Elegant Bread Board in de zomer van 2008 afgeleverd aan de klant en wordt er nu gewerkt aan het vluchtmodel. Boslooper: “De eisen en specificaties worden nog doorlopend aangescherpt. Het gewicht van de spectrometer zal nog verder omlaag moeten, al horen we pas in de loop van volgend jaar hoeveel precies. In de tussentijd kunnen we niet afwachten, maar moeten we hard aan de slag met het terugbrengen van volume en gewicht. Een technologische uitdaging van jewelste.”