CheMin – malý zázrak na roveru Curiosity

Minerály jsou jako časová pouzdra poskytující informace o tom, jak vypadalo prostředí v době jejich vzniku. Odlišné minerály jsou spojeny s odlišnými typy prostředí. Teplota, tlak a přítomnost (či absence) chemických látek (včetně vody) určují, jaké minerály vzniknou a jak budou pozměněny. Kupříkladu sádrovec je minerál obsahující vápník, síru, kyslík a vodu. Anhydrit také obsahuje vápník, síru a kyslík, ale chybí v něm voda. Přístroj CheMin (Chemistry and Mineralogy) na palubě marsovského vozítka Curiosity je schopen tyto dva minerály od sebe rozlišit. Některé minerály detekovatelné pomocí CheMin (jílovité minerály, fosforečnany, uhličitany, nebo sírany) mohou pomoci zachovat tzv. biosignatury, tedy stopy života. Za určitých podmínek mohou jílovité minerály, které vznikly při vypaření slané vody, zapouzdřit a ochránit tyto stopy. Vědci proto přístroj CheMin používají k pátrání po těchto a dalších minerálech, které chrání důkazy dřívějších podmínek na Marsu, které mohly umožňovat mikrobiální život, ačkoliv rover Curiosity nedokáže určit, zda jsou přítomné nějaké stopy života.

CheMin identifikuje minerály ve vzorcích jemně rozemletých kamenů či regolitu pomocí techniky zvané rentgenová difrakce. William Henry Bragg a Lawrence Bragg (otec a syn) zformulovali „Braggovu rovnici“, která vysvětluje vztahy mezi přicházejícím svazkem rentgenového záření a vzory, které v tomto svazku vznikají po jeho interakci se vzorkem. Kupříkladu nadrcený krystalický vzorek vytvoří kolem centrálního vysílaného paprsku vzor vnořených světelných kuželů, které se jeví jako soustředné kruhy. Vědci tak mohou využít úhlové vztahy záření a Braggovu rovnici k určení prostorů mezi atomy v minerálu. Tyto rozestupy pomáhají určit, který minerál – nebo minerály – vytvořil tyto vzory. Difrakce rentgenového záření je „zlatým standardem“ pro identifikaci minerálů již od svého objevu, ke kterému došlo před více než sto lety.

Robotická paže roveru Curiosity doručí namletý materiál ze studovaného kamene (nebo jemnozrnný regolit) do násypného trychtýře přístroje CheMin. Ten je mimochodem vůbec prvním přístrojem využívajícím rentgenovou difrakci na jiné planetě. Přístroj při analýze usměrňuje  rentgenové paprsky do svazku o tloušťce srovnatelné s průměrem lidského vlasu. Tento svazek poté prochází vzorkem, který může tvořit maximálně 85 mg materiálu. Otočné kolo se vzorky se nachází mezi zdrojem rentgenového záření a detektorem. Toto kolo obsahuje 32 komůrek na vzorky o tvaru a velikosti knoflíku (průměr 8 mm) a tloušťce vizitky (0,2 mm). Vzorek je volně nasypán mezi tenké plastové stěny komůrky, která je následně rozechvěna, aby se vzorek v rentgenovém svazku pohyboval. Ze zmíněných 32 komůrek je 5 od začátku zaplněno vzorky ze Země, které slouží ke kalibraci. Zbylých 27 komůrek je určeno pro vzorky odebrané na Marsu, přičemž proces jejich naplnění, analýzy a vysypání je možné několikrát opakovat. Detektorem je elektronický prvek označovaný jako CCD (charge-coupled device) podobný tomu, jaký najdeme v digitálních fotoaparátech. Jeho úkolem je sbírat po průchodu materiálem rozptýlené rentgenové záření. Každý vzorek je analyzován po dobu 10 – 30 hodin – celý proces bývá rozložen do několika nocí.

Do prosince 2022 rover Curiosity analyzoval 42 vzorků hornin a regolitu a ujel celkem 29 kilometrů. Vozítko pracuje ve velkém kráteru Gale (155 km široký a 5 km hluboký) blízko marsovského rovníku. Vědci usuzují, že se zde kdysi dávno (před cca 4 miliardami let) nacházely říčky a jezera. Usazeniny uložené v těchto dávných jezerech mohou ukrývat důkazy o tom, zda toto prostředí mělo podmínky pro vznik a vývoj života. Přístroj CheMin je přímo zaměřený na jeden z nejdůležitějších úkolů celé mise Mars Science Laboratory – jeho úkolem je identifikace a charakteristika obyvatelnosti prostředí zachované v chemickém a mineralogickém složení sedimentů a dalších hornin.

Milníky přístroje CheMin:

• 25. října 2012: CheMin provádí historicky první experiment rentgenové difrakce na jiné planetě. První vzorek analyzovaný přístrojem CheMin dostal označení Rocknest a šlo o jemný písek odebraný lopatkou z nánosu, který se vytvořil ve větrném stínu skalního výchozu. Tento jemný materiál je větrem přenášený po celé planetě, takže tato jediná analýza poskytla informace a potvrdila mineralogii všech analýz regolitu, které byly provedeny rovery MER.  Výsledky z CheMin se navíc neplánovaně trefily do stého výročí objevu rentgenové difrakce.
• 13. března 2013: CheMin určil první obyvatelné prostředí na jiné planetě. Společně s daty z dalších přístrojů na roveru si tak mohl tým stojící za misí MSL odškrtnout splnění hlavního úkolu celé mise. CheMin analyzoval 3,5 miliardy let starý vzorek jemnozrnného zpevněného bahna (argillitu, anglicky mudstone), který byl odebrán vrtačkou roveru Curiosity v lokalitě Yellowknife Bay. Vzorek obsahoval jílovité minerály, sírany a další chemické stopy, které naznačují, že hornina vznikala v dávné vodě a mohla poskytovat chemickou energii a další vhodné podmínky pro případné mikroorganismy. CheMin také v roce 2013 vyhrál ocenění NASA Government Invention of the Year.
• 27. prosince 2015: Přístroj CheMin provedl analýzu odvrtaného vzorku Windjana a jeho data ukázala, že materiál je bohatý na minerál sanidin. Tento objev se přidal k dalším důkazům, že vyvřelé horniny v okolí severního okraje kráteru Gale (a zřejmě i jinde na Marsu) obsahují geologické záznamy komplexních vyvřelých procesů, které nebyly na Zemi pozorovány až do mnohem pozdějšího období historie naší planety.
• 5. května 2016 CheMin objevil nečekaný minerál zvaný tridymit. Ten je většinou na Zemi spojován s explozivním vulkanismem a na Marsu se jeho přítomnost nečekala. Tento objev proto vedl vědce k tomu, aby předefinovali své chápání vulkanické historie Marsu a podmínek či mechanismů, za kterých může trydimit vznikat.
• 6. února 2017: S využitím minerálů objevených ve zpevněném bahně z lokality Yellowknife Bay a geochemickým modelováním mohli vědci vypočítat, že úroveň oxidu uhličitého v atmosféře Marsu byla v době existence jezera v kráteru Gale mnohem nižší, než co předvídaly klimatické modely. Tento objev naznačuje, že oxid uhličitý (účinný skleníkový plyn) nemohl být zodpovědný za oteplení planety před třemi a půl miliardami let.
• 2. června 2017: Odhalené skály v oblasti Pahrump Hills umožnily roveru Curiosity prostudovat změny v mineralogii usazených hornin v průběhu věků na jediném místě. CheMin zde detekoval mnoho minerálů s oxidy železa. Tyto minerály naznačují, že jezero, které kdysi vyplňovalo kráter, mohlo mít různé vrstvy s odlišnými úrovněmi kyslíku, což je jev pozorovaný i na Zemi.
• 1. srpna 2017: Mineralogická analýza vzorků z Pahrump Hills ukázala, že horniny byly nedlouho po jejich zasypání ovlivňovány kyselými roztoky.
• 1. prosince 2017: Analýza provedená přístrojem CheMin poskytla nové důkazy o dlouhé historii vody v kráteru Gale. Minerály v kamenech blízko puklin a prasklin přináší důkazy o přechodech různých generací tekutin včetně kyselých poté, co byly sedimenty uloženy na současném místě a došlo k jejich přetvoření na horniny. Sekundární minerály objevené přístrojem CheMin a formované těmito tekutinami byly prozkoumány i přístrojem SAM (Sample Analysis at Mars), který určil jejich stáří. Tyto údaje ukazují, že se voda pohybovala přes usazené horniny nejméně miliardu let poté, co původní horniny vznikly.
• 23. května 2018: Curiosity opět vrtá po více než roční pauze vynucené problémem na vrtném systému. Pro pozemní tým jde o velký úspěch a CheMin tak může pokračovat v analýzách mineralogického složení prášku z odvrtaných hornin.
• 6. června 2018: Od jejich prvního objevu v roce 2013 jsou jílovité minerály hlavní složkou téměř všech hornin, které CheMin analyzuje. Změny v chemickém složení jílovitých minerálů korespondují s indikátory změn podmínek v dávném jezeře. Tím se potvrzují dřívější studie, podle kterých se jílovité minerály zformovaly krátce po jejich uložení. Je také zdůrazněna důležitost interakce jezerních usazenin a vody v marsovské atmosféře. Na Zemi tento typ chemických reakcí hraje důležitou roli při vyrovnávání účinků skleníkových plynů a vytváření živin dostupných pro mikroorganismy.
• 24. července 2019: CheMin analyzuje vzorky z oblasti Glen Torridon, které na základě pozorování z oběžné dráhy vykazovaly výrazné známky přítomnosti jílových minerálů. Nakonec se ukázalo, že tyto horniny byly na jílovité minerály nejbohatší ze všech vzorků, které byly v průběhu mise analyzovány. CheMin také poprvé objevil důkazy přítomnosti uhličitanových minerálů.
• 24. června 2020: Přístroj CheMin studoval minerály ze čtyř vzorků odebraných v oblasti Vera Rubin Ridge – protáhlém, erozi odolávajícím útvaru na severozápadním svahu Mount Sharp. Výsledky pomohou zaplnit detaily v historii interakce mezi vodou a horninami v kráteru Gale.

CheMin je jedním z deseti vědeckých přístrojů na roveru Curiosity. Provoz této mise zajišťuje Jet Propulsion Laboratory v jižní Kalifornii a ředitelství vědeckých misí NASA ve Washingtonu. Curiosity i další marsovské vědecké mise jsou klíčovou součástí snah NASA pojmenovaných Moon to Mars (od Měsíce k Marsu) a využívají zkušeností nasbíraných při několik desetiletí trvajícím robotickém průzkumu, aby se jednou (podle NASA už ve 30. letech) mohli na rudou planetu vydat i lidé. Tým kolem přístroje CheMin zahrnuje experty z  Ames Research Center v kalifornském Silicon Valley, University of Arizona, California Institute of Technology, Planetary Science Institute, Carnegie Institution for Science, Lunar and Planetary Institute, JPL, Goddardova střediska marylandském Greenbeltu, nebo Johnsonova střediska v Houstonu. Tým kombinuje odborné znalosti o mineralogii, petrologii, materiálovém inženýrství, astrobiologii, či chování regolitu se zkušenostmi ze studování pozemských, lunárních i marsovských hornin. Hlavním vědeckým pracovníkem přístroje CheMin je Thomas Bristow z Ames Research Center.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/feature/ames/chemin

Zdroje obrázků:
https://mars.nasa.gov/internal_resources/897
https://www.nasa.gov/sites/default/files/bish-1pia16217-br2_0.jpg
https://mars.nasa.gov/system/internal_resources/details/original/867_chemin_wheel15.jpg
https://mars.nasa.gov/system/internal_resources/details/original/865_chemin_schematic.jpg
https://mars.nasa.gov/system/downloadable_items/36504_Blake-3pia16172.jpg