MIMOS II

Mössbauerspektrometer auf dem Mars Mössbauer spectrometer on Mars

 Einleitung

Mars ist von allen Planeten im Sonnen­ Um zwei Landestellen genau zu unter­ system der Erde am ähnlichsten. Unser suchen, startete die NASA 2003 die „Mars- Nachbarplanet verfügt über eine dünne Exploration-Rover-Mission“. Die beiden Atmosphäre, die Temperaturen auf Rover „Spirit“ und „Opportunity“ sind nach der Marsoberfläche erreichen bis zu „Mars Pathfinder“ bereits robotische 20 °C und ein Tag auf dem Mars („Sol“) Mars-Erkunder der zweiten Generation. Als dauert nur 39 Minuten länger vorrangige Ziele der Mission wurde definiert, als ein Tag auf der Erde. an zwei Stellen auf der Marsoberfläche nach Hinweisen auf mögliche Wasser­ Der Mars ist daher ein begehrtes aktivität in der Vergangenheit zu suchen und Forschungsobjekt, um mehr über mögliche aus den Ergebnissen Rückschlüsse auf die Entwicklungsszenarien eines erdähnlichen Entwicklung des Marsklimas und möglicher­ Planeten zu lernen. weise einst vorhandene lebensfreundliche Bedingungen auf dem Mars zu ziehen. Eine Frage ist von besonderem Interesse: Warum konnten auf der Erde lebensfreund­ Als Teil ihrer wissenschaftlichen Nutzlast liche Bedingungen entstehen, aber nicht auf tragen beide Rover das miniaturisierte dem Mars? Da Wasser die Grundlage aller Mössbauerspektrometer MIMOS II, dessen bekannten Lebensformen bildet, folgen die Aufgabe der Nachweis von Eisenmineralen Forscher mit ihren Untersuchungen den ist. Einige dieser Minerale können mit Spuren von Wasseraktivität auf dem Mars. dem Vorhandensein von Wasser bei ihrer Seit mehr als vier Jahrzehnten sind dazu Entstehung in Verbindung gebracht werden. Bilder und spektroskopische Daten sowohl Die mineralogische Charakterisierung aus dem Marsorbit als auch von der der Landestellen gibt zusätzlich Aufschluss Oberfläche aufgenommen worden. über die Entstehung und Verwitterung Die Mainzer Mössbauergruppe. | The Mössbauer team in Mainz. vorhandener Gesteine. Hintere Reihe v.l.n.r. | Back row f.l.t.r. Dr. Göstar Klingelhöfer, Dr. Johannes Brückner, Dirk Schmanke. Vordere Reihe v.l.n.r. | Front row f.l.t.r. Iris Fleischer, Jasmin Maul, Michaela Hahn, José Fernández Sánchez, Dr. Daniel Rodionov, Jordi Gironés López. Auf dem Teamfoto fehlen | Members who are not in the picture Bodo Bernhard, Mathias Blumers, Josef Foh, Egbert Kankeleit, Günter Studlek Introduction

Mars is the most earth-like of all planets In order to investigate two landing sites in in the solar system. Our neighbouring detail, NASA launched in 2003 the Mars planet posseses a thin atmosphere, the Exploration Rover Mission. The two rovers temperatures on the Martian surface reach “Spirit” and “Opportunity” are the second up to 20 °C, and a Martian day (“sol”) generation of robotic Mars explorers after is only 39 minutes longer than “Mars Pathfinder”. The main objective of the a day on Earth. mission is to search for evidence of water activity in the past at two landing sites and Thus, Mars is a popular subject of modern to assess past climate conditions and their research in order to learn more about suitability for life. possible development-scenarios of an Earth-like planet. As part of their scientific payload,both rovers carry the Miniaturised Mössbauer One question is of special interest: spectrometer MIMOS II, whose task is the Why did habitable conditions develop on detection of iron bearing minerals. Some of Earth, but not on Mars? As water is the these minerals may be connected to the basis of all known life forms on Earth, presence of water during their formation. ­scientists follow with their investigations the The mineralogical characterisation of the traces of water activity on Mars. For more landing sites will give additional information than four decades, pictures and spectro­ about the formation and weathering of scopic data have been obtained from the rocks. Martian orbit as well as from the surface, trying to answer those questions. MISSIONEN START DAUER LAND BESCHREIBUNG ZIELE / ERGEBNISSE Mariner 4,6,7,9 1964–1971 Mariner 4: 22 Minuten USA Vorbeiflüge am Mars, Fotografien; Mariner 9: 349 Tage Mariner 9 war der erste Satellit des Mars. Kartographierung der Marsoberfläche. Mars 2,3,5 1971–1973 Mars 5: 12 Tage Sowjetunion Mars 2 und 3 waren Orbiter und Lander, Fotografien und Messungen durch die Orbiter. Mars 5 ein Orbiter. Die Lander waren nicht arbeitsfähig. Viking 1,2 1975 Viking 1: Orbiter und Lander Orbiter: Fotografien; Messung des atmosphärischen Wassergehalts; Orbiter 2 Jahre, Lander 4,5 Jahre USA infrarot-thermale Kartographierung; Bilder des Marsmondes Deimos. Viking 2: Lander: Aufnahme von 360°-Panoramen; Analyse von Bodenproben; Orbiter 4 Jahre, Lander 6,5 Jahre Messungen von Temperatur, Windrichtung und -geschwindigkeit. Mars Global Surveyor 1996 10 Jahre USA Orbiter Fotografien; mineralogische Analysen der Marsoberfläche; Wetterbeobachtungen. Vermessung von Topographie, Gravitation, magnetischen Feldern. Analyse von Oberflächen- und Atmosphärenzusammensetzung. Mars Pathfinder 1996 3 Monate USA Lander und erster Rover auf dem Mars. Orbiter: Beobachtung des Marswetters; Analyse der Atmosphärenzusammensetzung; Rover: Analyse der Zusammensetzung von Gestein und Boden; Fotografien. Mars Odyssey 2001 in Betrieb USA Orbiter Wärmekarten des Mars; Erforschung der Mineralogie auf der Oberfläche. Mars Express 2003 in Betrieb Europa Orbiter Fotografien; Entdeckung von Wassereis in Polkappen; Untersuchung der Atmosphärenzusammensetzung und Oberflächenmineralogie. MER-A (Spirit) 2003 in Betrieb USA Mars Rover Analyse der Zusammensetzung von Gestein und Boden; Nachweis von Wasseraktivität in der Vergangenheit. MER-B (Opportunity) 2003 in Betrieb USA Mars Rover Analyse der Zusammensetzung von Gestein und Boden; Nachweis von Wasseraktivität in der Vergangenheit. Mars Reconnaissence Orbiter 2005 in Betrieb USA Orbiter Fotografien, Mineralanalyse, Wassersuche, Atmosphärenzusammensetzung, Wetterbeobachtung.

Erde Mars Fakten Abstand von der Sonne ~150 Mio. km ~228 Mio. km Durchmesser ~12756 km ~6794 km höchster Berg Mount Everest (~8,8 km) Olympus Mons (~24 km) tiefstes Tal Marianengraben (~11 km) Valles Marineris (~7 km) max. Temperatur 50 °C 27 °C min. Temperatur –60 °C –133 °C Atmosphärenzusammensetzung 78 % Stickstoff, 2,7 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, 0,15 % Sauerstoff, 0,009 % Argon, 1,6 % Argon, 0,003 % Kohlendioxid 95,3 % Kohlendioxid, 0,03 % Wasserdampf Atmosphärischer Druck 1000 mbar 7 mbar Tagesdauer 24 Stunden 24 Stunden 39 Minuten  SPACE-MISSIONS START DURATION COUNTRY DESCRIPTION GOALS / RESULTS Mariner 4,6,7,9 1964–1971 Mariner 4: 22 minutes USA Fly-by‘s at Mars, Photographies Mariner 9: 349 days Mariner 9 was the first satellite of Mars. and cartography of the Martian surface. Mars 2,3,5 1971–1973 Mars 5: 12 days Sowjet Union Mars 2 und 3 were orbiter and lander, Photographies and measurements from the orbiters. Mars 5 an orbiter. The landers were not functional. Viking 1,2 1975 Viking 1: USA Orbiter and lander Orbiter: Photographies; measurement of the atmospherical water-content; Orbiter 2 years, Lander 4,5 years infrared-thermal cartography; pictures of the Martian moon Deimos. Viking 2: Lander: 360°-panoramas; analysis of soil samples; measurements of temperature, Orbiter 4 years, Lander 6,5 years wind direction and -velocity. Mars Global Surveyor 1996 10 years USA Orbiter Photographies and mineralogical analyses of the Martian surface; observations of weather. Determination of topography, gravity, magnetic fields. Analyses of the composition of the surface and the atmosphere. Mars Pathfinder 1996 3 months USA Lander and first rover on Mars Orbiter: Observations of the Martian weather, analyses of the atmospherical composition. Rover: Analyses of the composition of rocks and soil; photographies. Mars Odyssey 2001 operating USA Orbiter Thermal map of Mars; investigation of the mineralogy of the surface. Mars Express 2003 operating Europe Orbiter Photographies; discovery of water ice in the polar caps; investigation of the atmospherical composition and surface mineralogy. MER-A (Spirit) 2003 operating USA Mars Rover Analyses of the composition of rock and soil samples; evidence of water activity in the past. MER-B (Opportunity) 2003 operating USA Mars Rover Analyses of the composition of rock and soil samples; evidence of water activity in the past. Mars Reconnaissence Orbiter 2005 operating USA Orbiter Photographies; analyses of the surface mineralogy and the atmosphere composition; search for water; observations of weather.

Earth Mars Distance from the sun ~150 Mio. km ~228 Mio. km Facts Diameter ~12756 km ~6794 km highest mountain Mount Everest (~8,8 km) Olympus Mons (~24 km) deepest valley Mariana trench (~11 km) Valles Marineris (~7 km) max. temperature 50 °C 27 °C min. temperature –60 °C –133 °C Atmospherical composition 78 % nitrogen, 2.7 % nitrogen, 21 % oxygen, 0.15 % oxygen, 0.009 % argon, 1.6 % argon, 0.003 % carbon dioxide 95.3 % carbon dioxide, 0.03 % steam Atmospherical pressure 1000 mbar 7 mbar Day-length 24 hours 24 hours 39 minutes  Landestellen

Zu Beginn der Mission wurden 155 mögliche Landestellen in Erwägung gezogen, aus denen schließlich zwei ausgewählt wurden. Sie mussten vielen Ansprüchen genügen. Sie sollten Anzeichen eines früheren Wasservorkommens aufweisen, nah am Äquator liegen und nicht zu staubig sein, um eine optimale Energieversorgung durch die Solarzellen zu ermöglichen. Außerdem durften sie nicht Mc Murdo Panorama zu hoch liegen, mussten eben und nicht zu Dieser 360°-Blick wurde von Spirits „Pancam“ felsig sein, damit die Rover dort sicher aufgenommen. Von April bis Oktober 2006 verweilte Spirit auf einem kleinen Hügel, der als „Low Ridge“ landen und sich fortbewegen können. bekannt ist. Dort waren die Solarzellen des Rovers in Richtung der Sonne geneigt um genügend Strom für wissenschaftliche Analysen während des Winters zu liefern.

Mc Murdo Panorama This 360°-view comes from the panoramic camera (Pancam) on NASA’s Mars Exploration Rover Spirit. From April through October 2006, Spirit stayed on a small hill known as “Low Ridge”. There the rover’s solar panels were tilted towards the sun to maintain enough solar power for Spirit to keep making scientific observations throughout the winter on Mars.

 Landing sites

At the beginning of the mission, 155 possible landing sites were considered, of which two were finally chosen. They had to satisfy a lot of requirements. They had to show indications of past water activity, they had to be located close to the equator without being too dusty in order to ensure an optimal energy supply via solar cells. Additionally, they had to be situated not too high in altitude, they had to be plain and not too rocky to ensure that the rovers could land and drive safely.

Topografische Karte der Marsoberfläche. Die beiden Landestellen der Rover sind eingezeichnet (rote Punkte). Die verschiedenen Höhen sind durch Farbabstufungen gekennzeichnet.

Topographic map of the Martian surface. The two landing sites are marked (red dots). Differences in altitude are characterised through different colours.

 Der Krater Gusev auf dem Mars. Foto aus dem Orbit. Eingezeichnet ist die Landeellipse, Der Krater Gusev, die Landestelle Gusev crater, the landing site of in deren Mitte der Rover Spirit, wie berechnet, gelandet ist. des Rovers Spirit, hat einen Durchmesser the rover Spirit, has a diameter of about von 130 km und befindet sich 15° südlich 130 km and is situated 15° south of the Gusev crater on Mars. des Äquators. Orbiteraufnahmen zeigen equator. Pictures obtained from orbiters Picture taken from the orbit. The landing ellipse can be seen. The rover Spirit landed in the center, as calculated before. eine Formation, die an ein ausgetrocknetes show a formation which looks like a dried Flussdelta mit Zulauf erinnert. out river delta. This morphology implies that Diese Morphologie deutet darauf hin, Gusev crater may once have been filled with dass der Krater Gusev einst mit Wasser water. gefüllt gewesen sein könnte.

10 km

83 km

Panoramaaufnahme des Rovers Spirit Panoramic picture taken by the rover Spirit at its von seiner Landestelle in der Ebene des Kraters Gusev. landing site on the plains of Gusev crater.

 Meridiani Planum, die Landestelle Meridiani Planum, the landing Meridiani Planum auf dem Mars. des Rovers Opportunity, ist eine Hoch­ site of the Opportunity rover, is a plain Aufnahme des Orbiters „Mars Global Surveyors“ mit mineralo­ ebene, die auf dem Marsäquator liegt. situated on the equator. Spectroscopic gischen Daten des „TES“-Instruments. Das Hämatitvorkommen in der Landeregion wurde vom Orbit aus gemessen und ist Spektroskopische Analysen des Orbiters analyses with the orbiter “Mars Global durch Farbabstufungen gekennzeichnet. Die Landestelle des „Mars Global Surveyor“ hatten gezeigt, Surveyor” had shown that there was plenty Rovers Opportunity liegt innerhalb der schwarzen Ellipse. dass in dieser Region viel Hämatit of hematite located in this region. Meridiani Planum on Mars. vorhanden ist. Dieses Mineral kann sich This mineral may form in the presence of Picture taken from the orbiter “Mars Global Surveyors” im Beisein von Wasser bilden. water. Thus, its presence points to the combined with mineralogical data from the “TES”-instrument. Sein Vorhandensein weist also auf possible existence of water in the past. The hematite deposit in the landig region was measured from the orbit and is marked by different colours. Opportunity’s ­eventuelle frühere Wasservorkommen hin. landig spot lies inside the black ellipse.

Panoramaaufnahme des Rovers Opportunity von seiner Panoramic picture taken by the rover at Opportunity‘s 87 km 11 km Landestelle im Krater „Eagle“ im Meridiani Planum. landing site in “Eagle crater” in Meridiani Planum.

%

0 % 20 %

Hämatokritvorkommen in % | Amount of hematite in %  Die Rover The Rovers

Opportunity und Spirit haben eine Opportunity and Spirit both have a mass of Masse von je 180 kg, sind 2,25 m about 180 kg, they are 2.25 m long, 1.51 m lang, 1,51 m breit und 1,50 m hoch. wide and 1.50 m tall. They drive with six Sie fahren auf sechs einzeln angetriebenen individually steerable wheels and are able Rädern und können am Tag bis zu 150 m to traverse up to 150 m per day. zurücklegen. The scientific payload of 6 kg is mounted Die wissenschaftliche Nutzlast mit einem on a camera mast and a robotic arm. The Gesamtgewicht von 6 kg ist verteilt auf camera mast is equipped with a Panoramic einen Kameramast und einen robotischen Camera (Pancam), and a Miniature Thermal Arm. Der Kameramast ist ausgestattet mit Emission Spectrometer (Mini-TES). The einer Panoramakamera (Panoramic robotic arm carries a Microscopic Imager Camera, kurz Pancam) und einem Infrarot­ (MI), a Rock Abrasion Tool (RAT) and the spektrometer (Miniature Thermal Emission two spectrometers from Mainz APXS (Alpha Spectrometer, kurz Mini-TES). Particle X-ray Spectrometer) and MIMOS II Am robotischen Arm befinden sich ein (Miniaturised Mössbauer spectrometer). Mikroskop (Microscopic Imager, kurz MI), ein Gesteinsschleifer (Rock Abrasion Tool, This combination of scientific instruments kurz RAT) und die beiden Spektrometer enables a detailed analysis of rock and soil aus Mainz: APXS (Alpha Particle X-ray samples, the atmosphere and geological Spctrometer) und MIMOS II (Miniaturisiertes structure of both landing sites. Mössbauerspectrometer).

Diese Kombination wissenschaftlicher Instrumente ermöglicht eine detaillierte Analyse von Gesteins- und Bodenproben, der Atmosphäre und der geologischen Struktur beider Landestellen.

 Aufschluss am Kraterrand (innen), bestehend aus Jarosit- und Hämatit-haltigem Sedimentgestein

Outcrop at the inner part of the crater wall, made out of the sedimentary rock containing the minerals jarosite, hematite, and other sulfate.

Landeplattform des Opportunity’s Rovers Opportunity landing platform

MIMOS II

Opportunitys Instrumentenarm

Opportunity’s instrument arm Der Rand des Kraters „Eagle“ Durchmesser ca. 30 m, Tiefe ca. 5 m

The rim of “Eagle crater” Diameter app. 30 m, Depth app. 5 m

Fahrspuren des Rovers

Rover tracks 1 Panorama Stereo Kamera (Pancam) å 5 Gesteinsschleifer (RAT) Mit einer Einheit aus zwei hochauflösenden Digitalkameras werden Für eine Analyse des Inneren des Marsgesteins kann dieses mit dem RAT von Staub 3D-Farbfotos erstellt. und Verwitterungsspuren befreit werden. Mit einer Schleifscheibe und Bürsten entfernt Panorama Stereo Camera (Pancam) das RAT den Staub und die obere Schicht an der Messstelle einer Gesteinsprobe. With a unit of two high-resolution digital cameras, Rock Abrasion Tool (RAT) 3D colour pictures are taken. ç For the analysis of the interior of Martian rocks the RAT is used to free the rocks from dust and weathering rinds. With a grinding wheel and brushes, the RAT removes the  Mini-Wärmeemission- surface layer of the sample.

Spektrometer (Mini-TES) 6 Mikroskopischer Bildgeber (MI) Das Mini-TES ermöglicht die Analyse der mineralogischen Zusammen­ Die Rover tragen eine Kombination aus Mikroskop und Digitalkamera an ihrem setzung der Marsoberfläche aus einigen Metern Entfernung. Dies hilft robotischen Arm. Dies liefert hochauflösende Informationen über die Struktur und das bei der Entscheidung, welche Objekte von weiterem Interesse für Reflektionsvermögen von Oberflächen. detailliertere Untersuchungen mit den anderen Spektrometern sind. Microscopic Imager (MI) Miniature Thermal Emission Spectrometer (Mini-TES) The rovers carry a combination of microscope and digital camera on their robotic arm. The Mini-TES enables the analysis of the mineralogical composition of This yields high resolution information about structure and reflection ability of the Martian surface from several meters distance. surfaces. This helps to decide, which objects are interesting for more í detailed measurements with other spectrometers.

3 Miniaturisiertes Mössbauerspektrometer (MIMOS II) í Mit dem Mössbauerspektrometer MIMOS II wird die mineralogische Zusammensetzung von Gesteinsproben ermittelt. Miniaturised Mössbauer spectrometer (MIMOS II) With the Mössbauer spectrometer MIMOS II, the mineralogical composition of a rock sample can be determined.

4 Alpha-Röntgen-Spektrometer (APXS) 7 Antennen Das APXS analysiert die Elementzusammensetzung einer Probe. für die Kommunikation Diese wird dazu mit Alphateilchen und Röntgenstrahlung aus mit der Erde und den Curium-244-Quellen bestrahlt. Die Kombination Raumsonden im Mars-Orbit. aus Alpha- und Röntgenstrahlungs-Messung Antennas erlaubt eine Bestimmung der meisten for the communication with Elemente. the Earth and the Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) spacecraft in Mars-Orbit. The APXS analyses the elemental composition of a sample. The sample is irradiated with alpha particles and X-rays from a Curium-244-source. ë è The combination of alpha and X-ray Weitere Informationen über alle Instrumente erhalten Sie auf unserer Webseite: measurement allows the identification of www.ak-klingelhoefer.chemie.uni-mainz.de. most elements. é More information about all instruments are available on our website: www.ak-klingelhoefer.chemie.uni-mainz.de.

ê Mals modernes MössbauerspektrometerIMOS as a modern Mössbauer II spectrometer zur Analyse von Eisenmineralen for the analysis of iron bearing minerals MIMOS II: Maßstab 1:1 | Scale 1:1

Das Miniaturisierte Mössbauerspektrometer The Miniaturised Mössbauer spectrometer MIMOS II wurde an der Technischen MIMOS II has been developed and built at Universität Darmstadt und the Technical University Darmstadt seit 1999 an der Johannes and since 1999 at the Gutenberg Universität Mainz Johannes Gutenberg entwickelt und gebaut. University Mainz.

Hauptziel war die Erforschung der The main goal was the mineralogischen Zusammensetzung investigation of the mineralogical der Marsoberfläche im Rahmen der composition of the MER-Mission. Martian surface during the MER-Mission. Seit der Landung im Januar 2004 hat MIMOS II auf beiden Rovern Since the landing in January 2004, entscheidend zum Erfolg dieser MIMOS II has contributed NASA-Mission beigetragen. significantly to the success of this NASA mission on both rovers.

MIMOS II besitzt vier quadratische Detektoren, in deren Mitte MIMOS II features four square shaped radiation hinter dem Stahlungs-Kollimator (goldfarben, Öffnung ca. 5 cm) detectors, with the Mössbauer drive tube and source in sich das Schwungrohr mit Quelle (nicht sichtbar) befindet. Jeder the center (not visible), behind the radiation collimator Detektor ist mit einer Verstärkereinheit (grüne Platine) (gold coloured; opening app. 5 cm). Each detector is verbunden. connected to an amplifier unit (green board).

12 12 Die Mössbauerspektro- Das charakteristische Spektrum wird bei Mössbauer spectroscopy is Every iron compound shows a characteristic skopie ist eine kernphysi­ MIMOS II in einer Rückstreugeometrie a nuclear physical method resonance spectrum. In order to be able kalische Methode, die auf nachgewiesen. Da bei dieser Methode based on the Mössbauer to scan the position of all resonances in sowohl die Quelle als auch die Detektoren the sample, the gamma ray energy emitted dem 1958 entdeckten auf der selben Seite der Probe angebracht effect discovered in 1958. from the source is shifted via the ­Mössbauereffekt basiert. sind, entfällt eine Präparation der Probe. Doppler effect. Therefore, the source is Das Spektrometer kann direkt auf die Probe For the experiment, a radioactive source moved relative to the sample with a Für das Experiment benötigt man eine aufgesetzt werden und eine zerstörungsfreie emitting gamma rays at a well defined velocity of several millimeters per second. radioaktive Quelle, die Gammaquanten Analyse durchführen. energy is needed. For the investigation of einer bestimmten Energie aussendet. iron compounds, a cobalt-57-source is In Mössbauer spectra, many different Für die Untersuchung von Eisenverbin­ used. The sample is irradiated and the iron compounds can be identified dungen wird eine Cobalt-57-Quelle radiation is absorbed resonantly. After a ­unambiguously. verwendet. Die von der Quelle emittierte short time, the radiation is reemitted and Strahlung fällt auf die Probe. Dort wird die can then be detected. The characteristic spectrum is measured in Strahlung resonant absorbiert, nach kurzer backscattering geometry. As both the Zeit wieder emittiert und kann dann source and the detectors are placed on the detektiert werden. Jede Eisenverbindung same side of the sample, a preparation of zeigt ein charakteristisches Resonanz­ the sample is not necessary. The spectro­ spektrum. Um die energetische Lage von meter can directly be placed on the sample, Resonanzen in der Probe abzutasten, wird performing a destruction free analysis.

die Energie der Gammaquanten aus der Intensity Intensität Quelle mit Hilfe des Dopplereffekts variiert. 1 2 3 Energie Dazu wird die Quelle relativ zur Probe mit Energy einer Geschwindigkeit von einigen Milli­ Prinzip einer Mössbauermessung. Es kann in Rückstreu-, oder in metern pro Sekunde bewegt. Transmissionsgeometrie gemessen werden. 1 Quelle | Source In Mössbauerspektren lassen sich viele 2 eisenhaltige Probe | iron bearing sample Principle of a Mössbauer measurement. It is possible to measure in

Intensity 4 verschiedene Eisenverbindungen eindeutig Intensität 3 Transmissionsdetektor | transmission detector 4 Rückstreudetektor | backscatter detector backscattering-, or transmission geometry. identifizieren. Energie Energy

12 13 Blick auf die Instrumente des robotischen Arms. Das MIMOS II ist an seiner runden Kontaktplatte zu erkennen (Mitte links).

Mössbauerspektroskopie in der Planetenerkundung

Seit ihrer Entdeckung wurde die Mössbauer- Für Messungen auf Planetenoberflächen spektroskopie in vielen Bereichen ange­ sind besondere Anforderungen an das Gerät wandt, beispielsweise in der Mineralogie, gestellt. Im Fall des Mars ist das Instrument Geologie, Physik und Chemie. Für die in der Lage, bei tiefen Temperaturen von bis Planetenforschung konnte die Methode zu –133 °C und einem durchschnittlichen lange Zeit nur im Labor verwendet werden, atmosphärischen Druck von 7 mbar zu etwa um Meteoriten oder von den arbeiten. Durch die Messung in Rückstreu­ Apollo-Missionen mitgebrachtes Mond­ geometrie entfällt ein vorheriges Präparieren gestein zu analysieren. Ein übliches der Probe, was bei einer Weltraummission Labor-Spektrometer hatte die Größe eines von großem Vorteil ist. Schranks. Für den extraterrestrischen Einsatz mussten Gewicht, Volumen und Energieverbrauch deutlich reduziert werden. Mittlerweile hat MIMOS II etwa die Größe einer Cola-Dose, ist 400 g leicht und hat einen Energieverbrauch von weniger als 2 Watt.

Der Abdruck der Kontaktplatte des MIMOS auf einer Bodenprobe. Mit Hilfe der Kontaktplatte wird festgestellt, ob das Spektrometer eine Probe berührt.

The footprint of the contact plate of MIMOS on a soil sample. With the contact plate, it can be determined whether the spectrometer is in contact with a sample.

14 View over the instruments on the robotic arm. MIMOS II with the round contact plate can be seen in the center, left side.

Mössbauer spectroscopy in planetary research

Since its discovery, Mössbauer spectro­ For extraterrestrial applications, mass, scopy has been applied in numerous volume and energy consumption had to be scientific fields, including mineralogy, reduced significantly. By now, MIMOS II is geology, physics and chemistry. For coke-can-sized, weighs 400g, and has an planetary research, the method could only energy consumption of less than two watts. be used in laboratories for a long time, For measurements on planetary surfaces, e.g. to analyse meteorites or lunar rocks the instrument has to meet special brought back to Earth by the Apollo requirements. In the case of Mars, MIMOS II missions. An ordinary laboratory spectro­ is able to work at temperatures as low as meter had the size of a wardrobe. –133 °C and an average atmospherical pressure of about 7 mbar. Due to the measurement in backscattering geometry, sample preparation is not needed, which is a great advantage for a space mission.

Schatten des Rovers Opportunity am Rand des Kraters Endurance.

Shadow of the rover Opportunity at the rim of the crater Endurance.

15 Ergebnisse der MER-Mission

Ursprünglich war die Mars-Exploration-Rover- Seit der Landung sind bereits etwa 5 Purgatory Dune Die Räder von Opportunity blieben am Sol 446 im Mission für eine Dauer von 90 Sols auf der Halbwertszeiten der radioaktiven Cobalt- weichen, sandigen Untergrund stecken. Es erforderte Marsoberfläche geplant. In dieser Zeit Quellen in den Mössbauerspektrometern mehr als 5 Wochen Planen, Testen und vorsichtiges, sollten die Rover jeweils 600 m weit fahren. vergangen. Trotzdem zeigen die Spektren überwachtes Manövrieren, um den Rover aus der Düne heraus zu bekommen. Danach, so die Erwartung, würde die immer noch eine gute Qualität und Ansammlung von Staub auf den Solarzellen sind von hohem wissenschaftlichem Wert. die Energieversorgung der Rover zu stark Für ein Mössbauerspektrum wurde zu einschränken. Beginn der Mission etwa 6 Stunden gemessen, im Januar werden für ein Mittlerweile erkunden die beiden Rover vergleichbar gutes Spektrum etwa die Marsoberfläche bereits seit vier Jahren 40 Stunden Messzeit mit MIMOS II und haben dabei ein Vielfaches kalkuliert. der geplanten Strecke zurückgelegt – Opportunity mehr als 11 km und Spirit mehr als 7 km.

16 Results of the MER mission

Purgatory Dune Originally, the Mars Exploration Rover Since landing, about 5 half-lives of the The wheels of Opportunity dug deep into the soft, sandy underground on Sol 446. Getting the rover out Mission had been planned for a duration of radioactive cobalt sources in the Mössbauer required more than five weeks of planning, testing, and 90 sols on the Martian surface. During this spectrometers have passed. Nevertheless, carefully monitored driving. time, the rovers were expected to drive the spectra still show a good quality and 600 m. Afterwards, it was anticipated that are of great scientific value. At the begin­ the accumulation of dust on the solar cells ning of the mission, the integration time for would restrict the power supply too severely. a spectrum of good quality was 6 hours. In January 2008, MIMOS II has to measure up The rovers have now been exploring the to 40 hours for a comparably good Martian surface for four years and have spectrum. covered a multitude of the planned distance – Opportunity more than 11 km and Spirit more than 7 km.

17 Übersicht über die gefahrene Route des Rovers Spirit. Spirit landete am 4. Januar 2004 auf einer Ebene im Krater (November 2007) Gusev. Von der Landestelle aus war in etwa drei Kilometern Overview of the traverse of the rover Spirit. Entfernung eine Hügelkette erkennbar, die „Columbia Hills“ (November 2007) genannt wurde. Diese Hügel zu untersuchen wurde das langfristige Ziel der Mission.

Nach der Landung verweilte der Rover auf Nach der Überquerung des „Husband Hill“ der Landeplatform, die Instrumente wurden erreichte Spirit „Home Plate“: eine geschich­ überprüft und ein Panorama der Umgebung tete Plattform mit einem Durchmesser von aufgenommen. Nachdem Spirit von der 90 m und einer Höhe von 2 bis 3 m. Die ­Platform heruntergefahren war, wurde das Gesteine von Home Plate gehören zu den erste Mössbauerspektrum auf dem Mars interessantesten Funden der gesamten von einer Bodenprobe am 34. Sol nach der Mission. Landung aufgenommen. Das Spektrum zeigte die Signaturen von basaltischem Spektren, die in der Gegend um Home Plate Sand: die Minerale Olivin, Pyroxen und aufgenommen wurden, zeigen große Magnetit wurden nachgewiesen. Variationen in der Eisenmineralogie, beispielsweise ist der Olivingehalt in Proben Auf dem Weg zu den Columbia Hills wurden von der Westseite deutlich höher als in von Spirit immer wieder Mössbauerspektren Proben von der Ostseite. Nach über drei an Steinen und Böden in der Ebene Jahren auf dem Mars wurde im Stein aufgenommen. Sie zeigten die Signatur von „Fuzzy Smith“ ein Mineral nachgewiesen, basaltischem, wenig verwittertem Gestein. das bisher an Spirits Landestelle noch nicht aufgetreten war. Die genaue Zuordnung Stärker verwittertes Gestein war in den steht noch aus. Columbia Hills zu finden. Beim Aufstieg in die Columbia Hills erreichte Spirit den Spirit ist bis Januar 2008 über 7 km weit Aufschluss „Clovis“ am 213. Sol nach der gefahren. Es wurden insgesamt Landung. Es konnte das Mineral Goethit 167 Spektren aufgenommen, was einer nachgewiesen werden, das auf der Erde nur Gesamtmesszeit von 180 Tagen entspricht. unter Einwirkung von Wasser entsteht. Das Mössbauer-Schwungrohr hat aufgrund Damit war der eindeutige Nachweis seiner Schwingbewegung innerhalb der erbracht, dass in den Columbia Hills einst Messzeit insgesamt ca. 155 km zurückge­ größere Mengen von Wasser vorhanden legt, das ist 21-mal so weit wie der Rover gewesen sein mussten. gefahren ist.

18 SPIRIT Spirit landed on January 4, 2004 on the plains of Gusev crater. From there, Spirit could spot the so-called “Columbia Hills” in a distance of about 3 km. The investigation of these hills became the longterm goal of the mission.

First, the rover stayed on its landing After crossing “Husband Hill”, Spirit reached platform, instruments were checked and a “Home Plate”, a layered platform, 90 m in panorama of the surroundings was taken. diameter and 2–3 m high. The rocks of After Spirit had descended from the “Home Plate” are some of the most platform, the first Mössbauer spectrum on interesting samples investigated throughout Mars was recorded on a soil sample on the mission. Spectra obtained in the Home sol 34. The spectrum showed signatures of Plate area show large variations in the iron basaltic sand: the minerals olivine, mineralogy, e.g. the olivine content is much pyroxene and magnetite were detected. higher in samples from the west side as compared to samples from the east side. Every now and then on the way to the After more than three years on the Martian Vom Marsboden neben der Landeplattform wurde das Das erste Mössbauerspektrum vom Mars Columbia Hills, Mössbauer spectra were surface, a mineral which had not been erste Mössbauerspektrum aufgenommen. The first Mössbauer spectrum from Mars recorded on the plains. They showed the found previously at Spirit‘s landing site was The first Mössbauer spectrum was recorded on soil landing-platform. signature of basaltic, slightly weathered detected in the rock “Fuzzy Smith”. rocks. That mineral has yet to be identified.

More strongly weathered rocks were found Spirit has driven more than 7 km till in the Columbia Hills. Ascending the hills, January 2008. 167 Spectra were recorded, Spirit reached the outcrop “Clovis” 213 sols corresponding to a total measuring time of after landing. The mineral goethite was 180 days. Because of its swinging motion, detected. On Earth, this mineral is known the Mössbauer drive-tube has covered a to form only in the presence of water. distance of 155 km during measurements. The detection of goethite is therefore clear That is 21-times as much as the rover. mineralogical evidence that there were once great amounts of water in the Columbia Hills.

Der Aufschluss „Clovis“ mit einem „RAT“ gebohrten Mössbauerspektrum von Clovis Loch (links) und einer abgebürsteten Stelle (rechts). Mössbauer spectrum of Clovis The outcrop “Clovis” with a “RAT”-ground hole (left) and a brushed spot (right).

19 Opportunity landete am 24. Januar 2004 im Meridiani Planum, im Krater „Eagle“. Dieser Krater hat einen Durchmesser von etwa 20 m und zeigte einen ge- schichteten Gesteinsaufschluss, der zu Beginn der Mission ausführlich untersucht wurde.

Der Aufschluss erwies sich als sulfatreiches Messungen an Aufschlussgestein zeigen Sedimentgestein. Mössbauerspektren von entlang der Traverse von Opportunity Aufschlussgestein zeigen das Mineral Jarosit nur geringe Variationen. In Verbindung mit einem Anteil von etwa 30 %. Jarosit, mit dem Gestein wurden überall kleine ein Eisensulfat, kann nur in einer Kugeln („Blueberries“) mit einem wässrig-sauren Umgebung entstehen. ­Durchmesser von 3 bis 5 mm gefunden. Sein Nachweis belegt damit eindeutig Mössbauerspektren zeigen, dass sie im das Vorhandensein von Wasser in der Wesentlichen aus Hämatit bestehen. Vergangenheit im Meridiani Planum. Nach 900 Sols auf dem Mars und fast Nach der Untersuchung des Aufschlusses 10 km Fahrt erreichte Opportunity den im Krater Eagle führte Opportunity zunächst 730 Meter durchmessenden Krater Victoria. am Krater „Endurance“ ausführliche Die nächsten Monate wird der Rover mit der Untersuchungen durch und fuhr dann Untersuchung geschichteter Ablagerungen weiter in Richtung des Kraters „Victoria“. im Krater verbringen. Etwa 300 Sols nach der Landung erreichte Opportunity das bei der Landung abgewor­ Opportunity ist bis Januar 2008 ca. 11 km fene Hitzeschild. In der unmittelbaren Nähe weit gefahren. Es wurden insgesamt wurden die Forscher auf einen Stein 137 Spektren aufgenommen, was einer („Heat Shield Rock“) aufmerksam, der sich Gesamtmesszeit von 80 Tagen entspricht. deutlich von den anderen Marssteinen Das Mössbauer-Schwungrohr hat aufgrund durch sein Aussehen unterschied. In diesem seiner Schwingbewegung innerhalb der metallisch glänzenden Stein wurde das Messzeit insgesamt ca. 70 km zurückgelegt, Mineral Kamacit, eine Eisen-Nickel- das ist 6-mal so weit wie der Rover gefahren Legierung, nachgewiesen. Heat Shield Rock ist. Übersicht über die gefahrene ist der erste Eisenmeteorit, der auf einem Route des Rovers Opportuniy. (Juli 2007) anderen Planeten gefunden wurde. Overview of the traverse of the rover Opportunity. (July 2007)

730 m

20 Opportunity Opportunity landed on January 24, 2004 inside the crater “Eagle” at Meridiani Planum. This crater has a diameter of about 20 m and shows a layered outcrop, which was investigated in detail at the beginning of the mission.

The outcrop turned out to be sulfate-rich covering the whole plain. Mössbauer sedimentary rock. Mössbauer spectra spectra show them to be composed mainly Das Hitzeschild des Rovers Opportunity. Opportunity‘s heatshield. obtained on outcrop show the mineral of hematite. Im Hintergrund kann man „Heat Shield Rock” sehen. In the background, “Heat Shield Rock” can be seen. jarosite with an intensity of about 30 %. Jarosite, an iron sulfate, can only form in an After 900 sols on Mars and almost 10 km acidic, wet environment. Its detection is drive, Opportunity reached the 730 m clear mineralogical evidence for the diameter Victoria crater. The rover will spend Heat Shield Rock. Der erste Eisenmeteorit, presence of water in Meridiani Planum in the next few months studying layered der auf einem anderen Planeten gefunden wurde. the past. deposits inside the crater.

After investigating the outcrop in Eagle Opportunity has driven app. 11 km till crater, Opportunity studied the crater January 2008. 137 Spectra were recorded, “Endurance” in detail. Then, the rover corresponding to a total integration time of headed for “Victoria crater”. Approximately 80 days. Because of its swinging motions, Heat Shield Rock. The first iron meteorite ever found on another 300 sols after landing, Opportunity reached the Mössbauer drive-tube has covered a planet than Earth. its heat shield, which had been thrown off distance of 70 km during measurements. Mössbauerspektrum von Heat Shield Rock during landing. Close to the heat shield, That is 6-times as much as the rover. Mössbauer spectrum of Heat Shield Rock scientists were attracted by a rock (“Heat Shield Rock”), whose appearance was quite different from all other rocks. According to Mössbauer data, this metallic-shimmering rock is made of the mineral kamacite, an iron-nickel alloy. Heat Shield Rock is the first iron meteorite ever found on a foreign planet.

Along Opportunity‘s traverse, measurements on outcrop rocks show only minor varia­ tions. In connection with the outcrop rock, little spherules (“Blueberries”) were found Mössbauerspektrum des Aufschlussgesteins MIMOS Messstelle mit „Blueberries” Mössbauerspektrum von Blueberries Mössbauer spectrum outcrop rock MIMOS spot with “Blueberries“ Mössbauer spectrum of Blueberries

21 Opportunity Rio Tinto, Spanien. Die vorkommenden Minerale ähneln jenen auf dem Mars.

Rio Tinto, Spain. Terrestrische The deposited minerals are similar to those on Mars. Anwendungen 1. Materialforschung/-prüfung Mössbauerspektroskopie eignet sich sehr 2. Korrosionsforschung gut, um eisenhaltige Verbindungen zu 3. Qualitätssicherung industrieller Fertigung untersuchen. In der Natur vorkommende, (z.B. Stahlerzeugung) feste Materialien wie Stein, Erde, Sedimente 4. Optimierung industrieller Prozesse und Schwebstoffe (in Luft oder Wasser) (z.B. Eisenerzverhüttung) enthalten typischerweise genügend Eisen 5. Archäologie um durch Mössbauerspektroskopie 6. Geologie nachweisbar zu sein. Magnetische Eigen­ 7. Umweltforschung schaften, Valenzzustand und Kristallstruktur (z.B. Luftverschmutzung, Bodenbelas­ können mit dieser Methode zusätzlich tung durch industrielle Einträge). bestimmt werden. Dank seiner handlichen Abmessungen, seinem robusten Gehäuse und seinem geringen Stromverbrauch zeigt MIMOS II gute Ergebnisse in verschiedenen Außenanwendungen. Diese Aufgaben beinhalten das Anzeigen von Luftverschmut­ zung und die zerstörungsfreie Analyse von antiken archäologischen Artefakten.

Mit MIMOS II können Messungen unkompli­ ziert vor Ort durchgeführt werden, was mit bisherigen Laborgeräten nicht möglich ist. Dies ist insbesondere für Anwendungen in der Geologie, aber auch z.B. bei der Analyse von Stählen (Brücken, tragende Teile im Analyse der Farbzusammensetzung einer Höhlenmalerei mittels Mössbauerspektroskopie. Kraftfahrzeug etc.) sehr vorteilhaft. Das Gerät (Santana do Riacho, Brasilien) erlaubt prinzipiell auch eine Elementanalyse mittels Röntgenfluoreszenzmessung. Hierzu Analysis of the colour-composition of a cave-painting via Mössbauer spectroscopy werden neuartige Detektoren mit hoher (Santana do Riacho, Brasil) Energieauflösung getestet und integriert.

22 Terrestrial implementation 1. Material science/-control Mössbauer spectroscopy is very suitable in 2. corrosion research investigating iron-rich compounds. Natural, 3. quality assurance of industrial solid materials, such as rock, soil, sedi­ fabrication (e.g. steel manufacture) ments and suspended particles (in air or 4. optimization of industrial processes water) typically contain enough iron to be (e.g. ore smelting) detectable by Mössbauer spectroscopy. 5. archaeology Additionally, magnetic properties, valency 6. geology state and crystal structure can be defined 7. environmental research with this method. Due to its handy dimensi­ (e.g. air pollution, ons, its robust chassis and its low energy soil strain because of industrial entries) consumption, MIMOS II shows good results in different field applications. These tasks include the detection of air pollution and the destruction-free analysis of antique archaeological artefacts.

With MIMOS II, measurements can easily be performed in situ, which is not possible with common laboratory spectrometers. This is advantageous, especially for applications in geology, but also for analysis of steels (bridges, supporting parts inside a vehicle, etc.). In principle, the spectrometer allows elemental analysis via X-ray flourescence measurements. For that purpose, new detectors with high energy resolution are Mössbaueranalyse einer antiken römischen Vase tested and integrated. mit MIMOS II.

Mössbauer analysis of an antique Roman vase with MIMOS II.

23 Mainzer Mössbauer Gruppe Impressum AK Klingelhöfer Bilderquellen/Image Credit: Universität Mainz NASA/JPL: http://www.marsrovers.jpl.nasa.gov, http://photojournal.jpl.nasa.gov, Staudinger Weg 9 PANCAM: http://www.marswatch.astro.cornell.edu/pancam_instrument/ 55128 Mainz MARS GLOBAL SURVEYOR: http://tes.asu.edu/ APXS: http://www.mpch-mainz.mpg.de/mer-apxs/