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Investigation of the Solar System with in situ Mass Spectrometry

English title Investigation of the Solar System with in situ Mass Spectrometry
Applicant Wurz Peter
Number 207409
Funding scheme Project funding
Research institution Physikalisches Institut Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Astronomy, Astrophysics and Space Sciences
Start/End 01.04.2022 - 31.03.2024
Approved amount 821'657.00
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Keywords (7)

Jupiter and Moons; Astrobiology; Mercury; Moon; Interstellar Gas; Planetary Atmospheres; Detection of microbial fossils

Lay Summary (German)

Lead
Für viele Fragestellungen zur Untersuchung des Ursprunges und der Entwicklung unserer Planeten und planerer Kleinkörper spielt das Wissen um deren derzeitige chemische Zusammensetzung eine zentrale Rolle. Zusätzlich ist auch die Isotopenverteilung mancher chemischer Elemente von wesentlicher Bedeutung, z.B. als Zeuge für die zeitliche Entwicklung des Objektes, für die Altersbestimmung eines Objektes oder als Anzeichen eines eventuellen biologischen Ursprungs des untersuchten planetaren Materials. Sowohl Messungen von Bodenmaterial wie auch der Atmosphäre sind notwendig.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Zur Erforschung der Merkuratmosphäre haben wir ein Massenspektrometer entwickelt, welches auf der Raumsonde BepiColombo/ESA seit 2018 zum Merkur unterwegs ist, und die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre messen wird. Aus diesen Daten werden wir mit Hilfe unseres Atmosphärenmodels die chemische Zusammensetzung des Merkurbodens ermitteln. Merkur, als innerster Planet, und mit einer sehr alten Oberfläche, aus der Frühzeit des Sonnensystems, ist ein wichtiger Informant für die Entstehungsgeschichte der terrestrischen Planeten.  

Zur Erforschung von Jupiters Eismonden entwickeln wir ein hochempfindliches Massenspektrometer für die Atmosphären von Europa, Ganymed und Kallisto. Der Start der Raumsonde JUICE/ESA ist für 2023 angesetzt. Diese Monde sind gemeinsam mit Jupiter aus der ursprünglichen protosolaren Gas- und Staubscheibe entstanden, haben sich jedoch chemisch anders entwickelt als Jupiter, was Rückschlüsse auf den Entstehungsprozess dieser Monde und die ursprüngliche Gas- und Staubscheibe erlaubt. 

Wir entwickeln kompakte Laserablations Massenspektrometer für den Einsatz auf Raumsonden die für eine Landung auf planetaren Körpern vorgesehen sind. Solche Instrumente entwickeln und bauen wir für Missionen zum Mond, Mars, und Europa. Diese Instrumente führen autonom chemische Analysen von Material von der Oberfläche und dem nahen Untergrund durch, sowie die Bestimmung von deren Isotopenverteilung (z.B. Schwefelisotope für potentielles biologisches Material oder Bleiisotope zur Altersbestimmung des Gesteins). Durch die Kombination von Messungen der chemischen Zusammensetzung und ausgewählten Isotopen soll der Nachweis Mikroben in Bodenproben, z.B. auf der Marsoberfläche, ermöglicht werden. 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unsere Arbeit wird neue Informationen über die chemische Zusammensetzung des polaren Mondbodens liefern, dessen flüchtiges Material erfassen (Wasser, Methan, ...) welches im Oberflächengestein enthalten ist und quantifizieren. Durch die Messung von chemischen Substanzen die in Zusammenhang mit Leben stehen können wir Rückschlüsse auf die mögliche Präsenz von derzeitigen oder früheren Leben auf diesen planetaren Objekten machen. Durch die Entwicklung von leistungsstarken und sehr kompakten wissenschaftlichen Instrumenten, ist deren Anwendung für die Feldforschung auf der Erde denkbar, wo portable, also sehr kompakte Geräte gefragt sind.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.03.2022

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
184657 Investigation of the Solar System with in situ Mass Spectrometry 01.04.2019 Project funding

Abstract

Space exploration missions are highly competitive and long-term projects easily covering more than a decade, starting with the design of a new instrument, its performance evaluation with respect to the science questions of the mission, its technical realisation, and finally the analysis of the received data from the system during the mission. Currently, we are engaged in several major international space missions. Three space missions are presently in high activity phases, with strong and crucial scientific involvement of PhD students that are funded by SNF. Jupiter and its moons: For ESA’s mission JUICE, which will explore the Jupiter system, we provide the neutral gas mass spectrometer (NIM) and contribute to the particle consortium (PEP). With NIM we will study the chemical composition of the icy moons Europa, Ganymede and Callisto. In 2020, we completed the two NIM flight models. We will test them against the physical and environmental conditions expected in the Jupiter environment, and perform detailed calibrations at our facilities. To support the science phase of JUICE, we run unique laboratory experiments simulating the icy surfaces of these moons and their response to particle radiation, eventually forming their exospheres. The Interstellar Medium: NASA is implementing the IMAP mission with launch in February 2025 as follow-up to the successful IBEX mission. In a collaboration with the Princeton University, NJ, USA, we are contributing hardware to IMAP, perform instrument calibration, and will participate in the science phase of IMAP. Currently, we are in the hardware phase for the IMAP instrumentation and calibration. We also continue to be active in the science phase of the IBEX where we analyse flight data to study the local interstellar medium and its interaction with the heliosphere. Moon: To study the chemical composition of the soils at the lunar poles, we contribute two instruments to the Luna-Resurs and Luna-Glob missions, a neutral gas mass spectrometer for the study of volatiles and a laser-based mass spectrometer for the study of solids. In May 2022 Luna-Glob will launch and science operations near the lunar south pole will be executed using our LASMA instrument. Moreover, we have been selected to possibly contribute such an instrument to assist the field studies of the astronauts on the lunar surface during the Artemis mission of NASA.Mercury: The BepiColombo mission of the European Space Agency (ESA) to explore Mercury successfully launched on 20 October 2018, with arrival at Mercury late 2025. For the coming years we will continue to prepare for the science investigations foreseen for the data phase. The Venus and Mercury flybys during cruise phase will be used for early science investigations. We will improve the Mercury exosphere model, based on ab initio calculations of atmosphere forming processes, and published MESSENGER/NASA results of the surface composition. In addition to our present mission involvements, we are participating in proposals to new missions to assure our later participation. These proposals are toward the medium class missions of ESA, and the Discovery and New Frontier mission classes of NASA, for example the missions NASA/IVO, NASA/Europa Lander, or ESA/EnVision. The uncer-tainty associated with the highly competitive mission selection requires us to be prepared to make rapid decisions on involvement once a space agency selects a mission. Presence in experimental space science for the mid-term future requires continued laboratory work on space instrumentation with development and implementation of new technologies, since instruments for space research are always custom designs for the specific requirements of a mission and the scientific questions to be addressed. Many of our participations in the space missions are based on novel instrumentation we developed, highly specialised laboratory activities, and their continuous technical support for decades.Note that the technical realisation of flight hardware we contribute to space projects is funded via the PRODEX programme. The scientific preparation before a mission, both laboratory studies and modelling, cannot be funded via PRODEX. The same is true for the time after the delivery of the space hardware: the scientific exploitation of a mission, the data analysis and interpretation cannot be funded via PRODEX. For these activities, the scientific harvest of the space missions, we strongly depend on the support by the SNF, in particular for the funding of PhD student positions.
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