Introducere în electronică digitală

umanitate se întreabă dacă viața există dincolo de planeta noastră mică de apă, atât de mult încât am dezvoltat un fel de părtinire culturală cu privire la modul în care răspunsul la această întrebare centrală va fi dezvăluit. Cei mai mulți dintre noi, probabil că ne gândim la faptul că NASA sau o altă agenție spațială vor programa o conferință de presă, un grup asamblat de luminari științifice va anunța concluziile, iar ziarele din întreaga lume vor bare “Nu suntem singuri!” titluri. Toți am văzut acest film înainte, așa că așa trebuie să fie, nu?

Probabil ca nu. Scurt de un eveniment improbabil, cum ar fi o aterizare spațială străină, în timp ce o vizualizare Google Street a condusă sau primește un mesaj radio inteligent fără echivoc din stele, concluzia că viața există acum sau odată în afara gravitației noastre bine gravitațională este probabil să fie atinsă Procesul din bucăți, o înțelegere a dovezilor construite de-a lungul timpului până la echilibru, singura concluzie rezonabilă este că nu suntem singuri. Și acesta este exact ceea ce anunțul de la sfârșitul anului trecut, perseverența Marte Rover a descoperit dovezi ale moleculelor organice în rocile craterului Jezero – o altă bucată de puzzle și un alt pas spre a răspunde la întrebarea fundamentală a unicității vieții .

Descoperirea moleculelor organice pe Marte este departe de a dovada că viața a existat odată acolo. Dar este un pas pe drum, precum și o scuză teribilă de a privi în principiile științifice și ingineria instrumentelor care au făcut posibilă descoperire – denumirea capricioasă Sherloc și Watson.

Vrei niște chnops cu asta?

Definirea a ceea ce constituie exact viața biologică este dificilă și există o mulțime de argumente filosofice care murdărăm apele chiar și atunci când reduceți viața la caracteristici cum ar fi transformarea energiei sau capacitatea de a reproduce. Dar la sfârșitul zilei, astfel de caracteristici macroscale nu ajută prea mult atunci când caută o viață microscopică pe alte planete – mai ales atunci când bănuiți că doar căutați rămășițele vieții microbiene antice, așa cum este probabil cazul pe Marte .

Pentru a explora posibilitatea ca Marte să-și asume viața, MARS 2020 Misiunea Misiunii Perseverență Rover Bealthload include o serie de instrumente concepute pentru a căuta cele mai mici rămășițe din trecut. Șeful acestor instrumente este SHERLC, pentru “Scanarea mediilor locuibile cu Raman și Luminesscență pentru organici și substanțe chimice” – un acronim oarecum forțat, dar impresionant descriptiv.

În inima Sherlocului, care se plimba la capătul brațului robotic de două metri al lui Rover, este un spectrometru cu laser cu laser ultraviolete, conceput pentru a identifica semnăturile specifice ale așa-numitelor elemente de chnops – carbon, hidrogen, azot, oxigen, fosfor , și sulf. Ceva ca 98% din biomasa de pe Pământ este compus din aceste șase elemente; Găsirea lor pe Marte vor fi dovezi destul de bune că viața a existat odată acolo. Dar pur și simplu găsirea elementelor de chnops nu face un eșantion relevant din punct de vedere biologic. Este modul în care aceste elemente sunt organizate și structurile pe care le formează care determină dacă un eșantion ar putea avea rămășițele vieții antice și imaginându-se că este ceea ce spectroscopia Raman este foarte bună la.

Împrăștie două moduri

Spectroscopia Raman profită de ceea ce este cunoscut sub numele de împrăștiere inelastică sau împrăștierea lui Raman. În mod normal, undele electromagnetice interacționează cu particule de materie prin elastic sau Rayleigh, împrăștiere. Atunci când fotonii primiți interacționează cu moleculele, ei le încurajează de la starea de la sol la o stare virtuală mai mare de energie. În împrăștierea lui Rayleigh, starea excitată se prăbușește repede, iar particulele se întoarce la starea de la sol fără nici o pierdere a energiei cinetice, fotonul incident a avut. Este ca o minge de biliard în mișcare care transferă toată energia cinetică într-o minge nemișcată, care apoi continuă să se miște în timp ce prima minge se oprește mort.

Dar despre unul din 100 de milioane de împrăștiere are ca rezultat scăderea de la starea virtuală excitată la un stat diferit de locul unde a început molecula. Pentru a întinde analogia anterioară, aceasta ar fi ca mingea de biliard în mișcare lovind o minge nemișcată cu o fisură în ea. Mingea crăpată ar absorbi în continuare energia mingelor de intrare, dar crack-ul ar atenua o parte din ea, trimițând mingea la o viteză diferită de minge și poate chiar într-o altă direcție decât ar avea loc într-o coliziune pur elastică .

La fel ca diferența de viteză și direcție ar putea dezvălui informații despre caracteristicile mingelor crăpate, tot așa poate fi folosit și Raman să fie folosit pentru a verifica structura unei molecule. Diferența de energie între fotonii incidenți și fotonii împrăștiați depinde de stările vibraționale și de rotație ale legăturilor chimice din moleculă. Acest lucru are ca rezultat o populație de fotoni cu diferite lungimi de undă care reprezintă diferitele legături chimice în cadrul unei molecule. Când Sprea.d afară pe un detector cu un grilaj de difracție, acești fotoni creează o amprentă digitală, care este caracteristic moleculelor din eșantion.

In timp ce Raman a fost folosit de zeci de ani pe pământ pentru a analiza tot felul de probe chimice, SHERLOC este prima data tehnica a fost folosit pe o altă lume. și după cum v-ar imagina, este nevoie de ceva de inginerie de construcții la pachet cu toate sisteme optice și electronice și face nu numai suficient de robust pentru a supraviețui rigorile de călătorie spațiu, dar, de asemenea, să funcționeze în mod autonom.

Construit pentru a efectua

Turela Adunarea SHERLOC, sau STA. Lentila obiectiv ACI / SHERLOC este la stânga jos, în timp ce WATSON este situat chiar de mijloc. Ambele camere au copertile lentile motorizate în loc. Pentru referință, ambele camere sunt de aproximativ 9 cm diametru. o parte notă a sistemului de suspensie hexapod lonjeron vizibil în spatele / obiectivul ACI SHERLOC. Sursa: NASA-JPL / Caltech
Pentru a realiza toate acestea, SHERLOC este împărțit în două ansambluri majore: Adunarea Trupul SHERLOC (SBA) și Adunarea turela SHERLOC (STA). STB este în cazul în care se află toate circuitele de comandă și datele de manipulare, precum și în cazul în care viața de alimentare cu energie. STA este sfârșitul de afaceri de SHERLOC, și trăiește la sfârșitul brațului robotizat Perseverența lui. Inima STA este profunda UV (DUV) cu laser, un off-raft neon-cupru cu laser de metal cu vapori puternic modificate. Acesta oferă un puls extrem de stabil 248.60 nm și este de așteptat să dureze suficient de mult pentru a oferi 3 milioane de spectre, care este de aproximativ șapte ori mai mare decât durata de proiectare a roverului.

Ca și în orice spectroscop Raman, optica SHERLOC sunt un set complicat de lentile, oglinzi, separatoare de fascicule și filtre. Spre deosebire de cele mai multe dintre verii săi Pământului legate, deși, SHERLOC trebuie să se ocupe de „S“, în numele său: scanarea. mai degrabă decât să se bazeze pe un control fin al brațului robotizat în poziția fasciculului luminos, SHERLOC are un subsistem scaner, care este destul de similar cu Galvanometre utilizate pentru mecanismul de direcție fasciculului în spectacole cu laser. Scanerul oferă un control SHERLOC al fasciculului pe o suprafață mostră x 7 mm 7 mm, cu o dimensiune a pasului de mai puțin de un micron în ambele dimensiuni, permițându-i să colecteze date de la cele mai mici de caracteristici, fără a fi nevoie să se bazeze pe mișcări braț robot.

Un alt mod în care SHERLOC diferă de alte instrumente Raman este în necesitatea spectrelor corelează cu informații spațiale despre un eșantion. Nu este suficient pentru a obține amprenta spectrală a o anumită secțiune a unui eșantion; mai degrabă, SHERLOC trebuie să stabilească, de asemenea, contextul a ceea ce acel loc exact pe aspectul eșantion ca în lumină vizibilă. Pentru a realiza acest lucru, SHERLOC necesită ajutorul a două camere: de autofocalizare și contextul Imager (ACI), o camera de tonuri de gri de înaltă rezoluție, care parts calea optică a spectroscop Raman, și WATSON, larg senzorul unghiului topografica pentru operații și aparat de fotografiat inginerie . WATSON este un full-color, de înaltă rezoluție aparat de fotografiat separat, cu o capacitate de până la macro 1.78 cm lungime focala. WATSON și ACI împreună sunt practic echivalentul a lentilei mana geolog, care permite SHERLOC de a suprapune imagini luminoase vizibile cu date Raman pe o gamă largă de distanțe de operare.

În cele din urmă, Raman SHERLOC este proiectat pentru a supraviețui călătoriei lungi pe Marte, aterizare de mare energie, precum și condițiile dure de frig, lumea plin de praf. În timp ce SBA este amplasat în condiții de siguranță în interiorul cocii perseverenței, STA trebuie să fie expus la elementele pentru a face treaba. SHERLOC este montat pe un aranjament hexapod antretoaze arc care vibrațiile umeziți întâlnite atât în timpul operațiunilor de zbor spatial si rover. STA este de asemenea echipat cu un sistem complex de management termic, inclusiv elemente de încălzire de supraviețuire care mențin electronice și optice suficient de cald pentru a supraviețui cel mai rău caz rece marțian.

Contextul este cheia

În timp ce majoritatea atenția publicului la misiunea Mars 2020 până în prezent a fost de înțeles atrasă de pline de succes elicopter Ingeniozitate, SHERLOC a fost colectarea de zor date destul de mult non-stop, de când perseverență a ajuns pe Marte in martie 2021. Confirmarea organicele în craterul Jezero a venit dintr-o serie de probe analizate din nou în septembrie 2021, și o stâncă, în special, care a fost numit „Garde.“ instrument montat pe brațul Roverul a ansamblului a fost folosit pentru a se pisa departe unele dintre roca alterată înainte de SHERLOC a fost pivotat în loc pentru a analiza eșantionului.

Garde stâncă, cu dovezi de organice chemat. rețineți modul în care SHERLOC poate combina imaginile luminoase vizibile cu date Raman pentru a oferi context geologic. Sursa: NASA-JPL / Caltech.
Datorită puterii de SHERLOC și capacitatea sa de a suprapune imagini luminoase vizibile cu date Raman, oamenii de știință planetare au fost in masura sa determine care Garde conține atât minerale olivine, care indică o istorie magmatice, și minerale carbonat, care sugerează o perioadă trecut de apă în reacție cu Piatra. Acest lucru este în concordanță cu ceea ce știm deja despre craterul Jezero și delta râului care curgea o dată în ea. găsirea de materiale organice într-o stâncă cu acest tip de istorie geologica este un pic tentantă de date, și poateÎntr-o zi se dovedește a fi parte a dovezilor că viața odată odată pe Marte.