حضور طیف سنجی رامان در شاهکار ناسا

از نخستین فرود انسان بر روی ماه در تاریخ ۳۰ تیرماه سال ۱۳۴۸ توسط نیل آرمسترانگ حدود ۵۲ سال می‌گذرد و جمله به یادماندنی این فضا نورد که “زمین گهواره بشر است، اما هیچ انسانی را نمی توان تا ابد در گهواره نگه داشت”، نمایانگر یکی از نقاط روشن تاریخ علم در زندگی بشر است. اما گویی پس از سال‌ها در این مسیر، شاهد نقاط روشن‌تری خواهیم بود. هم‌چنین گامی بزرگ برای خروج از گهواره خودمان!

۱۸ فوریه سال ۲۰۲۱ (همین چند روز پیش!) یک روز بزرگ برای ناسا و به نوعی روزی درخشان در تاریخ بشریت بود. مریخ نورد Mars 2020 Perseverance  با موفقیت بر روی مریخ فرود آمد و جستجوی خود را برای یافتن نشانه‌هایی از زندگی و حیات در این سیاره سرخ آغاز کرد. این مریخ نورد قرار است با کاوش‌های زمین شناسی سیاره مریخ را اکتشاف کند. آنالیزهایی برای شناخت بیشتر این گوی سرخ ناشناخته با جمع آوری و شناسایی ترکیبات سنگ‌ها و خاک مریخ.

این ماموریت یکی از چندین ماموریت طی چند سال آینده برای فرود مریخ نوردان به مریخ است. ماموریت بعدی پروژه ExoMars 2022 است که یک مریخ نورد با قابلیت حفاری به عمق ۲ متر، در سیاره است. و برای جمع آوری نمونه‌هایی که می تواند در آزمایشگاه داخلی کاوشگر  تجزیه و تحلیل شود، به مریخ پرتاپ خواهد شد.

در هر دو ماموریت، مریخ نورد Exomars2022 به نام Rosalind Franklin و ۲۰۲۰ Perseverance از یک سیستم تجهیزات آزمایشگاهی سیار طیف سنجی رامان استفاده شده است. طیف سنج رامان در هر دو مأموریت ابزاری اساسی است و به ما کمک می‌کند تا به یکی از اهداف اصلی خود در شناسایی خاک مریخ برسیم و آن: تجزیه و تحلیل محتوای سولفات در خاک مریخ است. طیف سنج رامان در بازوی SHERLOC جاسازی شده است.

اطلاعات علمی در تاریخچه پیدایش زمین این تصور را ایجاد نموده است که سولفات‌ها یا ترکیبات پایه گوگرد حاوی سرنخی از چگونگی شروع زندگی روی زمین هستند. گوگرد، همراه با کربن، اکسیژن و نیتروژن، عنصری است که به عنوان یکی از اجزای اصلی زندگی در نظر گرفته می‌شود و سطح سولفات در جو در طول تاریخ زمین متفاوت بوده است. تصور بر این است که کاهش تاریخی سطح سولفات، هم‌زمان با رشد در تولید اکسیژن همراه با تکامل حیات اتفاق افتاده است.

از آن‌جا که تصور می‌شود مریخ و زمین در گذشته فعالیت ژئوشیمیایی مشابهی داشته‌اند، پیش بینی می‌شود بسیاری از سولفات‌های مشابه موجود در زمین نیز باید در مریخ وجود داشته باشند. با این حال، در حالی که سولفات‌ها به مقدار زیادی در سطح مریخ یافت شده‌اند، برای تأیید وجود سولفات‌ها و استخراج اطلاعات در مورد سطح هیدراتاسیون تاریخی مریخ و وجود امکان زندگی، داده‌های تجربی بیشتری برای تکمیل اطلاعات لازم است.

خاصیت شناسایی منحصر به فرد رامان

طیف سنجی رامان ابزاری ایده آل برای انجام تجزیه و تحلیل نمونه میکروسکوپی بر روی نمونه‌های سنگ جمع شده از سطح مریخ است. طیف رامان شامل یک سری قله (پیک) است که با حالت‌های مختلف ارتعاشی پیوند‌های یک مولکول مطابقت دارد. موقعیت و پهنای خط این قله‌ها می‌تواند به قدری برای یک سیستم منحصر به فرد باشد که برای گونه‌های مولکولی «اثر انگشت» محسوب شود.

آنالیزی که می‌توان با طیف سنجی رامان انجام داد فراتر از طبقه بندی ساده شیمیایی است. برای نمونه‌های جامد، طیف رامان تبلور مواد را با دقت خوبی گزارش می‌کند. غالباً طیف رامان یک مولکول نسبت به معادل مادون قرمز آن بسیار تفکیک‌پذیرتر است و از ابهام کمتری برخوردار است. زیرا در طیف رامان، باندهای ترکیبی و overtone های کمتری وجود دارند. به همین خاطر تفسیر اطلاعات غنی‌تر و راحت‌تر صورت می‌گیرد.

اجزای طیف سنج رامان

یک طیف سنج رامان از سه جز اصلی تشکیل شده است: منبع تحریک نور، اپتیک میانی و آشکارساز. منابع لیزر باند باریک معمولاً برای تحریک نمونه‌های طیف سنجی رامان جهت به دست آوردن طیف‌هایی با وضوح تفکیک بالا استفاده می‌شود. از آنجا که گونه‌های شیمیایی بزرگ و پیچیده ممکن است تعداد زیادی حالت ارتعاشی و خط داشته باشند، با داشتن قدرت تفکیک بالا، گاهی استفاده از چند خط مشخص در طیف رامان برای شناسایی بدون ابهام نمونه کفایت می‌کند.

سیستم رامان در بازوی شرلوک (The Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC)) در حالت کلی دارای شماتیک زیر است:

اپتیک میانی

برای کانونی نمودن و هدایت پرتو لیزر از منبع به نمونه و جمع آوری پراکندگی رامان از نمونه تا به آشکارساز، به یک مجموعه از المان‌های اپتیکی نیاز است. پیچیدگی طراحی چینش این المان‌ها به پیکربندی خاص طیف سنج رامان بستگی دارد. بسیاری از این المان‌ها برای تنظیم نیاز به چرخش‌های دقیق و انتقال‌های ظریف دارند، به عنوان مثال اسکن موقعیت توری‌های پراش برای تغییر بازه آشکارسازی یا فیلتر‌های اپتیکی برای کنترل شدت نور.

طیف سنج ها برای شناسایی فضا

طراحی ابزارهای مریخ نورد با چالش های زیادی روبرو است. اول، این ابزارها برای سالم ماندن در سفر خود به سیاره مقصد باید فوق العاده محکم و تغییرناپذیر طراحی و ساخته شوند. در مرحله دوم، ابزارها باید بسیار دقیق و خودکار عمل نمایند. زیرا هرگونه تنظیم، کالیبراسیون و بهینه‌سازی اندازه گیری باید از راه دور انجام شود.

طیف سنج های رامان ادوات بسیار حساسی را در خود دارند برای استفاده در مریخ یک چالش اضافی دیگر برای غلبه بر آن دارند. زمین در آنجا فوق العاده سنگلاخی است، و طیف‌‌سنج باید بتواند تکان‌های شدید را مهار کند. نیازی به گفتن نیست که چالش‌های ناشی از افزایش و کاهش حرارت شدید در مریخ نیز مشکل دیگری است، در سردترین آب و هوای آن دمای مریخ منفی ۱۲۵ درجه سانتی گراد و در گرم‌ترین حالت، با روزهای آفتابی، ۲۲ درجه سانتیگراد.

هر طیف سنج اتوماتیک رامان برای جابجایی توری‌ها، تنظیم کالیبراسیون و کانونی نمودن نور روی نمونه به حرکات ظریف المان‌ها متکی است. در طیف سنج های فرستاده شده به مریخ ، استیج‌های Linkam وجود دارند که برای کاربردهای زمین شناسی طراحی شده‌اند که برای مقاومت در برابر دمای کمتر از منفی ۱۹۵ درجه سانتیگراد تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد طراحی شده اند. این استیج‌ها را می‌توان برای انجام اندازه گیری‌های رامان در نمونه‌هایی که برای تجزیه و تحلیل در شرایط دشوار دمایی و حرکتی هستند، کنترل کرد.

SHERLOC علاوه بر طیف سنج رامان از روش فلورسانس با لیزر UV باطول موج ۲۴۸.۶ نانومتر نیز استفاده می‌کند. فلورسانس ناشی از اشعه UV نسبت به کربن تغلیظ شده و مواد آلی معطر بسیار حساس است. و تشخیص در مقیاس حدود یک ppm در مساحت فضایی ۱۰۰ میکرومتر را امکان پذیر می‌کند. در حالی که رامان اشعه ماورا بنفش امکان شناسایی و طبقه بندی مواد آلی معطر و آلیفاتیک را با حساسیت ۰.۰۱ تا ۱ درصد را در مساحت فضایی ۱۰۰ میکرومتر فراهم می‌کند. علاوه بر مواد آلی، روش رامان فرابنفش امکان شناسایی و طبقه‌بندی مواد معدنی مرتبط با مواد محلول‌های آبی و شیمیایی با اندازه سایز تابش روی نمونه به میزان ۲۰ میکرومتر را فراهم می‌کند. SHERLOC قادر خواهد بود توزیع مواد آلی را بر حسب ویژگی‌های قابل مشاهده و مواد معدنی قابل شناسایی با طیف سنج رامان ترسیم کند.

طیف سنج های رامان در مریخ از طیف رامان منحصر به فرد از گونه‌های مختلف سولفات برای توصیف زمین‌شناسی مریخ استفاده می‌کنند. نمونه‌ها نیز که توسط مته‌های پیچشی متصل به جلوی مریخ نورد برداشت می‌شود. این مأموریت یک فرصت عظیم را برای درک چگونگی تشکیل سولفیت‌ها و توسعه طیف سنج های مقاوم و قابل اعتماد رامان با پایداری بی نظیر را  برای اکتشافات بعدی در فضا آماده می‌کند.