Development of Mars Simulation Chamber in support for the science associated to the Raman Laser Spectrometer (RLS) Instrument for ESAS's ExoMars mission

Abstract

Desde que Giovanni Schiaparelli observara los canales marcianos y Percival Lowell los interpretara erróneamente, el interés en torno a Marte y la especulación de la existencia de vida extraterrestre (incluso inteligente) en su superficie caló hondo en la cultura popular. Este impulso cultural trascendió al ámbito científico y con la tecnología ya madura, la NASA inició programas de exploración del planeta rojo. Comenzando con las sondas Mariner y siguiendo con los aterrizadores Viking, Marte se descubrió como un planeta hostil donde difícilmente se encontraría vida en la actualidad. Más misiones de exploración remota e in-situ les siguieron y descubrieron que por la superficie de nuestro planeta vecino corrieron ríos que ayudaron a moldear su superficie, dejando rastros minerales como prueba de esta afirmación. Si hubo agua en el pasado del planeta, la vida pudo haber encontrado su nicho. El objetivo de las misiones posteriores como MSL o ExoMars es descubrir lugares representativos de un pasado potencialmente habitable y tratar de encontrar trazas de esta vida pasada (o quién sabe si presente). El rover ExoMars es el próximo paso lógico en la exploración de Marte tras Spirit, Opportunity y Curiosity. Y es también el precursor de misiones de retorno de muestras a la Tierra, donde se dispone de capacidades analíticas más avanzadas de las que, por el momento, se pueden transportar en un vehículo autónomo robotizado. El Rover ExoMars, que será lanzado en 2018, aterrizará en Marte con la misión de, entre otras, analizar muestras del subsuelo marciano en busca de rastros de vida pasada o presente. El Espectrómetro Raman Láser (RLS, por sus siglas en inglés) es un instrumento seleccionado como carga científica del rover ExoMars. Será uno de los encargados de analizar las muestras en polvo que se le presenten. Los objetivos científicos de este instrumento se heredan directamente de los objetivos del Programa ExoMars: (1) trazar la historia geoquímica del planeta, y (2) potencialmente identificar moléculas orgánicas asociadas a biomarcadores procedentes de formas de vida marcianas extintas o vivientes. La tarea más importante del equipo científico de un instrumento que volará en una misión de exploración espacial es la definición de los requisitos científicos del mismo, con los que se alimenta al equipo de ingeniería para el diseño y construcción del instrumento de vuelo. Durante la construcción de los diferentes modelos de ingeniería, el equipo científico tiene que comprobar que se cumplen los requisitos impuestos y proponer modificaciones en caso contrario o cuando se detecten riesgos importantes que requieran una redefinición de los mismos. También, a nivel operativo del instrumento final, el equipo científico debe definir el protocolo de operación en cuanto al número de puntos a analizar, potencia de láser, parámetros de adquisición, etc. La ejecución de experimentos científicos para definir estos requisitos bajo las condiciones ambientales del interior del rover de ExoMars, donde las muestras reales serán analizadas, justifican el diseño y construcción de una Cámara de Simulacion de RLS-ExoMars, un instrumento construido pensando en la operación definida para el instrumento RLS. A lo largo de la tesis se presenta la Cámara de Simulación de RLS-ExoMars donde se alojará la muestra, se aplanará y se analizará mediante espectroscopía Raman. Se presenta además el Simulador de Ciencia de RLS-ExoMars, el complemento optomecánico que pone en comunicación las muestras en la cámara con los láseres y espectrómetros fuera de ella para realizar experimentos cientiíficos. Como colofón, se describen dos grupos de experimentos: uno relacionado con las diferencias espectrales que las condiciones ambientales relevantes de la misión puedan imponer a los espectros Raman, creando la necesidad de construir una base de datos específica para la misión; y un segundo grupo de experimentos centrado en el estudio de los efectos de la irradiancia láser sobre dos muestras termolábiles con dos comportamientos diferentes. Este grupo de experimentos fue llevado a cabo bajo condiciones de laboratorio terrestre y también bajo condiciones relevantes de RLS-ExoMars. Este cambio de ambiente enfatiza la contribución de una baja presión atmosférica en términos de disipación de calor. El último capítulo de la tesis resume las conclusiones obtenidas de la misma tras la ejecución de estos experimentos y el análisis de sus resultados. Los diversos anexos reúnen información extra relacionada con el desarrollo de esta tesis tales como dibujos, código fuente y otros algoritmos.