La recherche de vie sur Mars et MOMA

François Raulin et Noel Grand

francois.Raulin@lisa.u-pec.fr

Réunion OSU-EFLUVE - LISA - 7 février 2014

Mars jeune semblable à la Terre primitive avec une évolution similaire

Mais sans impact important de la tectonique et du climat sur son évolution

Si la vie a émergé sur Mars primitif, et même si elle a disparu depuis, elle a dû laisser des traces d’une vie passée ou même d’un environnement prébiotique, plus facile à trouver que dans le cas terrestre

ExoMars

• Objectifs Techniques :– Démonstrateur de mise en orbite,– Démonstrateur d’atterrisseur,– Démonstrateur de pilotage d’un Rover,– Préparation des retours d’échantillon et des vols habités

• Objectifs Scientifiques :– Recherche de traces de vie passée et/ou présente sur Mars– Caractérisation de l’environnement géochimique et aqueux

en fonction de la profondeur dans les couches superficielle de sous-surface

– Etude des gaz à l’état de trace et de leur sources dans l’atmosphère de Mars

ExoMars : Présentation de la Mission

• Première mission du programme Aurora de l’ESA incluant des vols habités vers Mars :– Recherche et étude de structures organiques

martiennes– Démonstration technologique (atterrisseur, rover,

foreuse),

• Deux lancements (lanceurs russes) :– 2016 : Orbiter (telecom) + Lander

(démonstrateur)– 2018 : Rover (science)

ExoMars vs MSL

• Missions très proches dans leurs objectifs mais MSL est NASA et ExoMars ESA (+ ROSCOSMOS) …– Rover Curiosity de classe 900Kg– Rover Européen de classe 300Kg– Principale restriction à la détection de composés

organiques sur Mars via MSL : Analyse de la surface et de l’Atmosphère (or très forte oxydation)

– C’est pourquoi ExoMars a une foreuse pouvant creuser à deux mètres de profondeur

– Sinon techno différentes : RHU vs Panneaux Solaires, etc.

ExoMars 2018 : Rover avec foreuse sur Mars

Instrument Name Description Countries Mass, Kg

PanCam (WAC + HRC) Panoramic camera system UK, D, CHF, I, A, USA 1,9

ISEMIR spectrometer for bulk mineralogy identification

RUS 1,3

WISDOMShallow ground-penetrating

radar for subsurface stratigraphyF, D, N, USAB, I, E, UK 1,7

ADRONPassive neutron spectrometer

for subsurface waterRUS 1,7

CLUPI on drill box Close-Up Imager CH, F, CANUK, D, I, B 0,7

Ma_MISS included in 2.0-m drill

IR borehole spectrometer IP, PL 0,7

MicrOmega Vis+IR imaging spectrometer F, CH, RUS I, D, UK 2,0

RLS Raman spectrometer E, F, UKD, NL, USA 2,6

MOMALD-MS + Pyr-Der GC-MS for

organics characterisationD, F, USANL, S 13,3

SPDS : Chaine d’extraction de l’échantillon solide du sol (foreuse), de broyage pour le rendre poudreux et de distribution vers les instruments

ExoMars Planning• Définition des Phases d’un projet spatial :

– PHASE 0 : Définition d’une mission potentielle, étude grossière de dimensionnement

– PHASE A : Le projet intéresse les agences spatiales, un appel d’offre est lancé pour la charge utile. Les études préliminaire de dimensionnement des instruments est faite (Budget Masse/Puissance/volume et specs scientifiques) : revue PRR

– PHASE B : La mission est sélectionnée, les équipes travaillent sur le développement de l’instrument : choix des technologies, définition des interfaces, budget Masse/puissance/volume a 20%, démonstrateur fonctionnel et perfo : revue PDR

– PHASE C : le concept est validé on passe au phase de qualification. Deux modèles sont livrés : EQM (modèle de qualification) et STM (modèle structurel et thermique). Budget Masse/Puissance/volume a 10% : revue CDR

– PHASE D : livraison du modèle de vol, lancement et mise en service– PHASE E : Exploitation de la mission– PHASE F : destructuration de l’équipement

ExoMars : Planning

• ExoMars est en fin de phase B.– PDR passée– Passage en phase C cet été

• Points Clefs :– STM : livraison juillet 2014– EQM : livraison novembre 2014– FM : Septembre 2015– Lancement 2018

MOMA : GC/LD MSMars Organic Molecule Analyser

• Instrument Principal de la Charge Utile pour la question de la présence de traces de vie passées ou présentes à la surface et sub-surface de Mars

• Spectromètre de Masse couplé soit à un Chromatographe en Phase Gazeuse soit a un Laser (pour faire de la désorption).

• 32 fours permettent l’analyse d’échantillons solides par GC-MS (et dérivatisation)

• Un réservoir ré-emplissable permet de faire du LD-MS d’échantillon solides

MOMA : Présentation

MOMA : Organisation

• MPS (Allemagne) : Laser, Fours, TS– Fred Goesmann (PI)– Olaf Roders (CdP)– Eckhard Steinmetz (IS)

• Goddard-NASA (US) : MS and Main Electronic– Paul Mahaffy, will Brinckerhoff : Instrument Managers

• LISA/LATMOS (France) : GC– Francois Raulin (PI), Cyril Szopa (Co-PI)– Noël Grand (CdP et IS)

MOMA Modules and Responsibilities

F. Goesmann, 5. February 2014

MOMA-GC : le Principe

Chromatographic column=tube where the separation occurs (core of the GC)

Parameters controlling the separation: nature of the compounds to analyze nature of the stationary phase (selectivity) columns dimensions (length (L), internal diameter (ID), stationary phase thickness (df)) operating conditions (temperature, pressure drop)

Stationary phase

ChromatogramChromatographiccolumn

Sample

Principle of gas chromatography Chromatographic column

Efficiency, resolution (power of separation)

16

Pas de colonne universelle en CPG => Utilisation de 4 colonnes complémentaires

Restek Q-Bond or U-BondSéparation des hydrocarbures en C1-C4, des composés inorganiques soufrés et d’autres composés inorganiques

Restek MXT-5 Séparation des composés organiques y compris des hydrocarbures de PM moyen, de composés moyennement polaires , de composés semi volatils et des composés dérivatisés

Restek CLP Séparation de composés organiques polaires de PM élevé

Agilent CP-Chirasil-Dex-CB column Séparation d’énantiomères

MOMA-GC : le détecteurDetector development

Detection limit in the order of 1 ppm

this TCD is a Varian product, already miniaturized and spatialized for the COSAC Experiment onboard the ROSETTA Mission (ESA)

HeTank

MT1

T2

Reverse Flow

GCM2

GCM1

GCM4

GCM3

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

V9

V10

V11

V12

V13

V14

V15

V16

V17

Vtank

Filters

C1

C2 C3

J1

J2 J3

J4

J5

J6

J7

J8 J9

J10

J11

Gas Flow MOMA-GCWith GC-MS interface

Version Redondée

T : Trap, GCM : GC Module, V : Valve, J : Jonction, C : Connector

V18

V19

VSingleShot

V20

V21

V22

V23

V24

V25

V26

V27

V28

C4

C5

Exhaust

MS

Splitter

V29

V30

GC FM Design

F. Goesmann, 5. February 2014

Consolidated design :- Structural Simulations ok,- Thermal Simulations ok,- Electronic Design Ready

Valves Mitigation :- HsG Valve Base line

(vibration tests done, thermal one in february)

- Vibration tests done at MPS (december 2013)

- New concept in study- Decision point in

February

Derivatisation Capsule Qualification in Progress

MOMA : Prototype

GC-MS Brassboard Coupling

F. Goesmann, 5. February 2014 21/14

MS

GC Split Manifold

GC-MS Testing Feb. 2013• First end-to-end demonstration of functional

performance of entire MOMA suite (oven, split manifold, GC and MS brassboards)

• Gas and liquid calibration compounds successfully separated and detected

• Implementation of automatic gain control tested for EI mode of operation

• Effect of GC trap temperature and saturation on background measured

• Detection limit of end-to-end system determined

Total Ion Chromatogram Selected Ion Chromatograms

TIC signal

AGC trace

Hexane

Benzene

BenzeneHexane

PentaneButane

ColumnTCD

Trap

Oven

Separation of hydrocarbon mixture on the GC brassboard 6 and GB2 MS brassboard

MOMA AGM 2013- Greenbelt Nov 3-7, 2013

26

"Direct" mode

Trap(-30°C/0°C)

Sample

Trap(300°C)

GC/MS

"Backflush" modeStep 1

Step 2

Trap(-30°C/0°C)

Sample

Trap(300°C)

GC/MS

Step 1

Step 2

2 traps (Tenax) used in « Direct » or « Backflush » mode

MOMA AGM 2013- Greenbelt Nov 3-7, 2013

27

Chemical Derivatization : 3 different reagents

From Bibring et al, Science, 2006

4300 -2700: From prebiotic chemistry to life

Le sol martien a été analysé en détail par les instruments des 2 sondes Viking, à partir de 1976, récemment par les instruments de Phoenix et actuellement de MSL. Þ Aucun signe clair et non ambigü d’une vie présente ou passée n’a été trouvéÞ Aucune trace de composé organique volatil n’a été clairement mise en évidence. Þ Or, la matière organique doit être présente sur Mars (météorites etc.. )

Les données recueillies par les nombreuses missions qui ont exploré Mars depuis Viking, montrent des régions très sèches depuis 3 milliards d’années – contrastées avec les régions humides (lits fluviatiles, sulphate minéraux signes de la présence de composés soufrés dissous dans l’eau liquide, etc). Þ Nécessité d’explorer ces dernières et d’y rechercher les matériaux organiques (abiotique ou biotique) ou des biominéraux.

Seuls les 1er cm du sol ont été analysés et les données suggèrent la présence d’oxydants puissants dans le sol

Þ nécessité de tenir compte de ces données pour les futures missionsÞ nécessité d’avoir accès aux échantillons plus profonds

Présence de composés réfractaires produits par l’oxydation Þ nécessité d’utiliser une pyrolyse à plus haute température que VikingÞ ou des techniques de dérivatisation chimique