Gli strumenti di rilevazione della vita per le missioni di astronomia

Le missioni di astronomia rappresentano uno dei più ambiziosi sforzi scientifici dell'umanità: la ricerca della vita al di là della Terra. Un pilastro centrale di queste missioni è lo sviluppo di strumenti di rilevamento della vita sofisticati progettati per identificare i segni inequivocabili della vita passata o presente su altri mondi. Questi strumenti devono operare su pianeti e lune analitiche distanti come Marte, Europa, Enceladus e Titan, ciascuno presentando condizioni ambientali estreme.

Sfide chiave in Ingegneria Strumenti di rilevamento della vita

La progettazione di strumenti per missioni di astronomia richiede il superamento di una serie di sfide interconnesse che vanno ben oltre quelle affrontate da strumenti analitici di laboratorio sulla Terra. Questi strumenti devono operare autonomamente o con un intervento umano limitato, sopravvivere ad condizioni di lancio e di transito estreme, e la funzione in ambienti che possono degradare le prestazioni degli strumenti nel tempo.

Contratti ambientali

Gli strumenti di rilevamento della vita devono sopportare e operare all'interno di ambienti spesso ostili sia a sistemi elettronici che meccanici. La radiazione è una preoccupazione primaria: i raggi cosmici galattici e gli eventi di particelle solari possono danneggiare i rivelatori sensibili, degradare l'ottica e causare disturbi di singolo evento nell'elettronica di lancio.

Limitazioni di potenza, massa e volume

Le risorse di Spacecraft sono strettamente vincolate. Una tipica suite di strumenti su un rover di Marte potrebbe avere un budget di massa di solo poche decine di chilogrammi e un budget di potenza di decine di watt. Questi vincoli limitano la dimensione e la complessità degli strumenti analitici. Gli ingegneri devono raggiungere il più alto rendimento scientifico possibile per chilogrammo e per watt.

Controllo delle contaminazioni e protezione planetaria

I materiali bioterritoriali che possono essere utilizzati in modo più rigoroso, possono essere utilizzati per la prevenzione della contaminazione avanzata, l'introduzione di microrganismi derivati dalla Terra o molecole organiche all'ambiente di destinazione.

Requisiti di sensibilità e specificità

Gli strumenti di analisi devono essere in grado di rilevare le molecole organiche a concentrazioni estremamente basse, spesso nella gamma di parti per miliardo o inferiore. Su Marte, per esempio, lo sfondo di perclorati e altri composti ossidanti possono degradare le molecole organiche su scale di tempo geologico, rendendo la rilevazione di biosegni antichi particolarmente impegnativi.

Tecniche di rilevamento del nucleo per le biofirmature

Una vasta gamma di tecniche analitiche è stata adattata per la luce spaziale, ognuna con punti di forza e limitazioni distinte. Gli strumenti moderni di rilevamento della vita spesso combinano più tecniche all'interno di una singola suite di strumenti per fornire dati complementari e ridurre il rischio di falsi positivi o negativi.

Spettrometria di massa

La spettrometria di massa (MS) è una pietra angolare della strumentazione di rilevamento della vita. Funziona ionizzando le molecole e misurando i loro rapporti di massa-a-carica, fornendo informazioni sul peso molecolare e, con tandem MS (MS/MS), informazioni strutturali.

Spettroscopio Raman

La spettroscopia ramanuale è una tecnica spettroscopica vibrazionale che fornisce informazioni sulla struttura molecolare e sull'accoppiamento. È particolarmente utile per rilevare minerali, composti organici, e anche pigmenti microbici come i carotenoidi e i clorofili.

Spettroscopia infrarossa e UV-Visibile

I modelli di spettroscopia a raggi infrarossi (IR) sono spesso utilizzati in ambienti di laboratorio, e gli strumenti FTIR compatti sono sviluppati per la spettroscopia a raggi ultravioletti.

Microscopia e Imaging

Imaging a scale microscopiche è fondamentale per identificare le biodisegni morfologiche come le cellule microbiche, i filamenti, i biofilm e i microfossili proposti. Il Mars Hand Lens Imager (MAHLI) sulla currialità fornisce immagini a colori con una risoluzione di circa 14 micron per pixel, permettendo la visualizzazione delle texture sedimentarie e delle potenziali strutture microbiche.

Immunoassays e Biosensori

Gli strumenti basati su Immunoassay utilizzano anticorpi o aptamers per legare specificamente le molecole di destinazione, fornendo un rilevamento altamente selettivo di biomarcatori come aminoacidi, nucleotidi, lipidi e proteine. Questi sistemi possono essere configurati come microfluidici chip o test di flusso laterali, simili a test di gravidanza.

Sequenziamento del DNA e Amplificazione

La biodisegno più definitiva sarebbe la rilevazione di polimeri informativi come DNA o RNA. Gli strumenti di sequenziamento basati sulla tecnologia nanopore (ad esempio, la minion di Oxford Nanopore) sono stati dimostrati sulla Stazione Spaziale Internazionale e sono stati considerati per le future missioni planetarie.

Strumenti e missioni notevoli

Diversi missioni passate, presenti e future hanno avanzato lo stato dell'arte nella strumentazione di rilevamento della vita, ognuna con soluzioni ingegneristiche uniche e approfondimenti scientifici.

Il Laboratorio di Scienza di Marte: Analisi del Campione su Marte (SAM)

La suite di strumenti SAM sul rover Curiosity della NASA è uno dei laboratori di chimica analitica più capaci mai inviati ad un altro pianeta. Pesando circa 40 kg e consumando fino a 100 watt, SAM integra uno spettrometro di massa quadrupolo (QMS), un gas cromotografo (GC), e uno spettrometro laser tunable (TLS) che può analizzare sia i flussi solidi che atmosferici.

ExoMars Rosalind Franklin e l'Analizzatore di Molecola Organica di Marte (MOMA)

La missione ExoMars di ESA, prevista per il lancio nel 2020, presenta il rover di Rosalind Franklin, che trasporta un trapano in grado di raccogliere campioni da fino a due metri sotto la superficie marziana. Questa profondità è critica perché fornisce l'accesso a materiale che è stato schermato da radiazioni superficiali e condizioni di analisi ossidante di massa.

Europa Clipper e la ricerca della vita subsuperficiale

La missione Europa Clipper della NASA, prevista per il lancio nel 2024, condurrà una dettagliata ricognizione della luna di Giove Europa, che si ritiene possa ospitare un oceano subsuperficiale di acqua liquida.

Dragonfly e il testo di Titan

La missione di Titano & Titano, programmata per il lancio nel 2027, invierà un rotore a doppio quadricottero per esplorare la luna di Saturn Titano. Titan ha una spessa atmosfera ricca di organici e liquidi metano/laghi etano, rendendolo un obiettivo unico per l'astrobiologia.

Le direzioni future in Ingegneria degli strumenti

Come missioni di astronomia mirano a ambienti sempre più impegnativi e cercano una prova più definitiva della vita, l'ingegneria degli strumenti continua ad evolversi rapidamente.

Miniaturizzazione e integrazione di sistema

I progressi nella microelettromeccanica (MEMS), microfluidici e nano-fabricazione permettono lo sviluppo di strumenti analitici altamente miniaturizzati. Le tecnologie di pesatura Lab-on-a-chip possono integrare la preparazione del campione, la separazione e il rilevamento su un singolo dispositivo di microfabricazione multiplo.

Intelligenza artificiale e operazioni autonome

Data la comunicazione dei ritardi tra la Terra e altri pianeti (da minuti a ore), il processo decisionale autonomo è essenziale per le operazioni efficienti. Gli algoritmi dell'IA possono analizzare i dati degli strumenti in tempo reale, identificare le caratteristiche interessanti e regolare le impostazioni degli strumenti o selezionare nuovi campioni per l'analisi senza attendere istruzioni dalla Terra.

Collezione di campioni avanzati e manipolazione

La capacità di raccogliere e processare campioni da ambienti diversi e impegnativi è fondamentale per il rilevamento della vita. Le missioni future stanno esplorando l'uso di droni, criobot e veicoli subacquei autonomi per accedere ad ambienti come tubi lavici, aquiferi subsuperficiali e laghi subglaciali. I sistemi di manipolazione dei campioni devono essere in grado di raccogliere campioni di ghiaccio, roccia, suolo e anche campioni liquidi, e prepararli per l'analisi in modo sterile e controllato 3D.

Prevenzione della contaminazione e sterilizzazione in situ

Gli strumenti futuri possono incorporare in situ le capacità di sterilizzazione che possono pulire il percorso campione dello strumento tra analisi utilizzando calore, radiazioni UV o gas reattivi. Ciò ridurrebbe il rischio di falsi positivi da parte di biomateria terrestri che potrebbero essere rilasciati nel tempo da componenti di strumenti. Inoltre, l'uso di sensori di monitoraggio della contaminazione che possono rilevare la presenza di biomarcatori terrestri in tempo reale potrebbe aiutare a individuare i biomarcatori terrestri.

Distribuzione e schermatura

Le future missioni di astronomia possono impiegare più piccole sonde o landers piuttosto che un singolo rover o lander di grandi dimensioni. Queste reti di sensori distribuiti potrebbero coprire una zona più grande e campionare una più ampia gamma di ambienti, aumentando la probabilità di incontrare biosignature se esistono.

Conclusioni

I progettisti di ricerca di una generazione di sviluppo sono stati elaborati in modo da poter essere più efficaci e più efficaci, e i risultati ottenuti sono stati più efficaci.

Per ulteriori informazioni, vedere il NASA Astrobiology Institute[, il ESA ExoMars programma[, e il Mars 2020 Perseverance rover tool page].