Gwiezdny pył zebrany. Co dalej?

System skanowania zwiększa precyzję analiz i klasyfikacji próbek pozaziemskich

2 stycznia 2004 r. misja Stardust pod egidą NASA przeleciała przez warkocz komety Wild 2 z serią pojemników ekspozycyjnych na pył. Celem misji było zebranie materiałów pochodzenia pozaziemskiego, aby po powrocie sondy kosmicznej na Ziemię możliwe było przeprowadzenie naukowych badań. Równolegle z rozpoczęciem powrotnego etapu misji Stardust, przygotowywano laboratorium o specjalnym stopniu czystości, wyposażone w system skanowania o wysokiej precyzji, aby po zakończeniu przez zespół naukowców wstępnych badań, wykonać skanowanie próbek, ich obróbkę, a następnie – by móc je przechować.

Sonda Stardust wylądowała 15 stycznia o godzinie 11:11 czasu polskiego, kończąc misję trwającą siedem lat. W tym czasie przeleciała ponad 4 i pół miliarda kilometrów.

Thomas See, geolog planetarny i główny naukowiec Engineering & Science Contract (ESC) w Johnson Space Center twierdzi, że misje Genesis i Stardust są pierwszymi misjami, które miały fizyczny kontakt z próbkami pozaziemskimi i powróciły z nimi na Ziemię od czasów ostatniego lotu Apollo System skanowania zwiększa precyzję analiz i klasyfikacji próbek pozaziemskich w roku 1972. Mówi też on, że misja Stardust miała specjalne znaczenie ze względu na możliwą weryfikację teorii głoszących, że cząstki komety są pozostałościami z okresu powstawania systemu słonecznego.

– Celem naszych wstępnych badań było wyodrębnienie sześciu do dwunastu cząstek i dostarczenie naukowcom z całego świata dokumentacji mineralogicznej, chemicznej i izotopowej – powiedział See. Społeczność naukowców wykorzysta te informacje do konkretnego sformułowania zapotrzebowania na próbki, które potem zostaną poddane szczegółowym badaniom naukowym.

Nowe laboratorium

Przygotowując się na powrót misji Stardust (http://stardust.jpl.nasa.gov), NASA wybudowała nowe laboratorium z pomieszczeniami klasy czystości 100 na terenie Johnson Space Centem. Właśnie tam naukowcy badają próbki, które będą przechowywane przez dłuższy czas. ARES Astromaterials Research and Exploration Sciences ponosi odpowiedzialność za przechowywanie i dystrybucję próbek (będących w posiadaniu Stanów Zjednoczonych) wśród kompetentnych naukowców na całym świecie.

Nowy system skaningowy zastosowany w laboratorium może obsłużyć próbki o średnicy do około 90 cm i o ciężarze do około 23 kg. Ponieważ standardowe wagi automatyczne znajdujące zastosowanie w medycynie zapewniają wysoką dokładność, ale nie mają odpowiedniej powierzchni (zazwyczaj 10 × 12,5 cm), NASA opracowała w Houston razem z firmą Texonics (www.texonics.com) integrator systemu, który posłuży do zbudowania systemu na zamówienie, ponieważ żaden z dostępnych na rynku systemów nie spełniał wymagań laboratorium. Jednym z takich niecodziennych wymagań było żądanie, aby system skanowania mógł pracować zarówno w pozycji pionowej, jak też… poziomej.

Taka konfiguracja ułatwia laboratoryjną obróbkę większych obiektów i zapewnia ich ochronę przed zanieczyszczeniem. Próbki z misji Stardust są nadzwyczaj ważne i badacze w związku z tym chcą uniknąć montażu sprzętu nad próbkami. Pionowa orientacja systemu pozwala też naukowcom używać światła przechodzącego przy badaniu przezroczystych pojemników Stardust, co umożliwia wyraźniejsze dostrzeganie śladów i cząstek, które osadziły się w materiale.

Konfiguracja i działanie systemu

System ma trzy osie (X, Y i Z) i do pozycjonowania używa prowadnic ślizgowych firmy Parker Daedal (www.parkermotion. com), które zapewniają powtarzalność ustawienia rzędu jednego mikrona przy przesunięciu powyżej 75 cm. Ława optyczna firmy Newport ze wspornikami wypełnionymi powietrzem lub azotem wytłumia wszelkie wibracje.

Sprawy pozaziemskie

Dwie prowadnice ślizgowe długości około 60 cm zamontowane na płycie aluminiowej o grubości 12,7 mm umożliwiają badaczom używanie systemu w konfiguracji pionowej lub poziomej. System posiada też centryczne otwory o średnicy 25,4 mm na wspornikach optycznych, co umożliwia badaczom precyzyjne pozycjonowanie na ławie optycznej. Czterocalowa belka stalowa o przekroju typu H na dwóch słupach o średnicy 101,6 mm tworzy mostek optyczny nad systemem skanującym i przeznaczona jest do zamontowania mikroskopu Leica MZ16A (który zapewnia możliwość uzyskania zbliżenia dzięki zastosowanemu w układzie silnikowi), a także do zamontowania dodatkowego mikroskopu na osi Z.

Matt Batchelor z firmy Meyer Instruments Inc. (www.meyerinst.com) opracował specjalny program aplikacyjny, sterujący systemem pozycjonowania, mikroskopem i oprogramowaniem ImagePro, służącym do gromadzenia obrazów. Oparty na systemie operacyjnym Windows program aplikacyjny steruje całością, ustawia mniejsze lub większe obszary do badań i automatycznie odwzorowuje obszary w dowolnym powiększeniu, jakie jest tylko obsługiwane przez system. Obrazy są przechowywane i później system przechodzi do następnych. – Jedyne nasze zadanie to określić trzy punkty na płaszczyźnie, a wtedy system sam sporządzi obraz obszaru – mówi See.

Po powrocie misji Stardust system wykorzystywany jest przez naukowców do przeskanowania pojemników z pyłem kosmicznym – siatek trochę większych niż rakieta tenisowa, podzielonych na ponad 60 komórek, z których każda mieści płytkę o wymiarach 2 × 4 cm wypełnioną aerożelem, przeznaczoną na zatrzymany pył. Każda płytka została zeskanowana z wysoką rozdzielczością w celu udokumentowania penetracji i miejsc uderzeń cząstek.

– Aerożel jest nadzwyczaj rzadkim medium, gdzie cząsteczki są wyhamowywane na krótkiej odległości bez poddawania cząsteczki zbyt wielkiemu ciśnieniu, energii uderzenia i ciepłu. Celem jest wyhamowanie i przechwycenie cząsteczki w jej najbardziej pierwotnym stanie i warunkach – mówi See.

Do przodu

Przed powrotem misji Stardust badacze byli zajęci wykonywaniem błyskawicznych testów w celu określenia najlepszej konfiguracji systemu do analizy próbek. Mają oni świadomość, iż czujniki akustyczne zarejestrowały kilka tysięcy uderzeń o pojemniki. Po otwarciu kapsuły sondy okazało się, że złapała ona znacznie więcej drobinek pyłu, niż się tego spodziewali naukowcy. Szacuje się, że w pułapkę z aerożelem złapały się tysiące ziarenek. Ich ilość może przekroczyć nawet milion.

Al Preser