Fachbereich Geowissenschaften

Analoge Massenspektren der Freien Universität als Schlüssel zur Interpretation der SUDA-Daten

Um die bestmögliche Leistung von SUDA bei Europa und eine gezielte Auswertung seiner Daten zu gewährleisten, ist eine Kalibrierung des Instruments erforderlich. Zu diesem Zweck wurden in dem Labor[NM1]  der AG Planetologie an der Freien Universität Berlin Experimente mit „Laser-Desorption“ durchgeführt. Diese Experimente simulieren die „impact ionization“ (d. h. Stoßionisation), die bei Hypergeschwindigkeitsaufprallen (Geschwindigkeiten > 1 km/s) von mikrometergroßen Staub- oder Eispartikeln auf Detektoren im Weltraum, wie der von SUDA, stattfindet. Diese Labortechnik wird auch aktiv für die Analyse der Daten des Cosmic Dust Analyzer (dem Vorgängerinstrument von SUDA) der vergangenen Cassini-Mission zu Enceladus genutzt, da sie es ermöglicht die Ionisation von Eisteilchen mit unterschiedlicher Aufprallenergie und Zusammensetzung zu simulieren. Diese bisher aufgenommenen analogen Massenspektren ermöglichten ein besseres Verständnis der Zusammensetzung des Ozeans von Enceladus. SUDA wird Eisteilchen von Europa mit noch einer viel höheren Auflösung analysieren können als der Cosmic Dust Analyzer. Um die zukünftigen Massenspektren von SUDA besser zu verstehen, wird derzeit eine Reihe verschiedener Materialien mit den Analogexperimenten untersucht, die für eisige Ozeanmonde relevant sind. Darunter sind sowohl anorganische als auch organische Verbindungen, aber auch komplexere Proben, die für die Astrobiologie relevant sind:

• mikrobielles Material, wie Bakterienzellen, Sporen und extrahierte Zellverbindungen
  → Klenner et al. (2024) haben gezeigt, dass massenspektrometrische Signale von Bakterienzellen mit SUDA eindeutig identifizierbar wären, selbst wenn ein Eiskorn weniger als eine Zelle enthält.
  → Dannenmann et al. (2023) haben gezeigt, dass bakterielle Biosignaturen wie Teile der DNA bis zu Konzentrationen im ppm-Bereich nachweisbar sind, und haben diese Biosignaturen auch in Salzlösungen mit unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen untersucht.

• Umweltproben für analoge Gebiete auf der Erde, wie die Antarktis

• Produkte hydrothermaler Reaktionen, die zur Simulation hydrothermaler Bedingungen im Inneren von Europa oder Enceladus durchgeführt wurden
  → ein neu entwickelter Laboraufbau für hydrothermale Simulationen wurde eingerichtet und hat kürzlich erste erfolgreiche Ergebnisse mit Peptiden erzielt

• Produkte von Bestrahlungsexperimenten, die die Oberflächenbedingungen auf Europa oder Enceladus simulieren

Die in diesen Laborexperimenten aufgezeichneten analogen Massenspektren werden in einer Datenbank für „impact ionization“-Massenspektrometer gespeichert, die für die Interpretation der SUDA-Daten, und auch für zukünftige Instrumente von entscheidender Bedeutung sein wird. Seit Kurzem untersuchen wir auch die Prozesse der Ionisation und Fragmentierung mit quantenchemischen Berechnungen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie, um die Vorgänge bei der „impact ionization“-Massenspektrometrie besser erklären zu können.