Met de ORIGIN Mass Spectrometer op zoek naar buitenaards leven
Sinds jaar en dag is de zoektocht naar buitenaards leven één van de meest tot de verbeelding sprekende besognes van de astronomie. En liefst naar intelligent leven: het prestigieuze SETI-project is in dit verband genoegzaam bekend bij het grote publiek. Ook de 'kosmische boodschappen' die zijn meegestuurd met de ruimtesondes Pioneer en Voyager getuigen van de vurige wens om ons te laten kennen en buitenaardsen op te sporen. Of dit uiteindelijk een goed idee is, zal moeten blijken - zo er ooit een contact tot stand zou komen.
Reeds verscheidene decennia wordt er bij de exploratie van de ruimte gezocht naar ‘afdrukken’ van moleculair leven. De gebruikte instrumentatie en methodiek om levensvatbare moleculen op te sporen is tot op heden niet al te nauwkeurig en resultaten zijn onbetrouwbaar, zeker als er ook zouten (vooral chloriden) en andere mineralen aanwezig zijn. Er is dus een opening voor verbetering!
Astrobiologie
Astrobiologie is hierdoor wel in de belangstelling gekomen, en die tak van de wetenschap viseert alle soorten leven buiten de Aarde, tot op schaal van micro-organismen.
Onderzoeksprojecten zoals Europa Lander van NASA zijn opgezet om in de toekomst de ijsmanen van Jupiter en Saturnus te gaan verkennen. Zo vermoedt men dat in de vloeibare oceanen op Europa en Enceladus onder hun dikke ijslaag levensvormen zouden kunnen voorkomen. De aanname is gebaseerd op het feit dat - mutatis mutandis - ook op Aarde levende organismen zijn aangetroffen in extreme ‘levensonvriendelijke’ omgevingen.
De uitdaging is nu om sporen van leven te detecteren op deze ver verwijderde hemellichamen. Jupiter staat gemiddeld dik 600 miljoen km van de Aarde en Saturnus op tweemaal die afstand. Voor ons is dat immens ver weg. Robots over die afstanden manueel besturen is quasi onmogelijk: een signaal heeft 35 minuten nodig om Jupiter te bereiken en voor Saturnus duurt het meer dan een uur. En dat is nog maar enkele reis...
Zoeken naar moleculair leven
Onder deze omstandigheden sporen van leven vinden houdt dus een grote uitdaging in. Er wordt veel geëist van de instrumentatie die wordt ingezet bij dit onderzoek. Men heeft al jaren ervaring opgedaan op Mars met rijdende robots die zelfstandig bodemmonsters nemen en analyseren. Technologie en kennis zijn voorhanden om uiterst gevoelige apparatuur buiten de Aarde ter plaatse te brengen, waar gerichte bodemanalyses moeten worden uitgevoerd met grote precisie en volledig autonoom zonder onmiddellijke tussenkomst van de mens. Vergeet niet: we bevinden ons in een extreem barre omgeving op miljoenen kilometers verwijderd van de Aarde.
Een internationaal onderzoekersteam, onder leiding van Andreas Riedo en Niels Ligterink, heeft aan de universiteit van Bern een nieuwe massaspectrometer ontwikkeld. Ze gaven het toestel de originele naam ‘ORIGIN’ mee, een letterwoord dat staat voor ORganics Information Gathering INstrument. Dit instrument detecteert, identificeert en kwantificeert sporen van moleculen die een voetafdruk kunnen zijn van leven. Zoals aminozuren. Hun aanwezigheid zou kunnen wijzen op een ‘levensvatbare’ habitat.
In situ detectie en analyse van aminozuren op buitenaardse bodems
Er was nood aan een instrument dat gevoeliger en preciezer uitpakte dan de meetmethoden die tot op vandaag worden ingezet om buitenaards moleculair leven op te sporen. Veelal wordt hier gebruik gemaakt van gaspyrolyse chromatografie gecombineerd met massaspectroscopie. Deze methoden zijn in de praktijk weinig gevoelig en de resultaten blijken onbetrouwbaar bij aanwezigheid van chloridezouten en mineralen. Daarenboven zijn monstername en verwerking vrij omslachtig.
Het ORIGIN-project werd opgestart met het oog op toekomstige ruimtemissies naar de ijsmanen van Jupiter en Saturnus. De verdere ontwikkeling van ORIGIN mondde uit in de toepassing van een nieuwe manier voor monstername en een verfijnde meetmethode, namelijk de ‘Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry (LDI-MS). Een hele mond vol. Eenvoudig gesteld gaat een ultrakorte maar krachtige laserpuls het te onderzoeken materiaal in situ sublimeren en ioniseren. Vervolgens worden deze ionen door de massaspectrometer gevoerd en geanalyseerd.
LDI-MS heeft zo een aantal voordelen over de courant tot nog toe gebruikte methodes in een buitenaardse omgeving. Deze apparatuur is uiterst gevoelig, zodat een minimale hoeveelheid van het te onderzoeken materiaal voldoende is voor de analyse. Bij het opsporen van aminozuren (de bouwstenen van moleculair leven) blijkt het systeem volgens de onderzoekers zo gevoelig dat concentraties van enkele fmol/mm² konden worden gedetecteerd. Tussen haakjes: femto [f] betekent wel een factor 10-15!
Het hele instrumentarium kan veel compacter worden opgebouwd. Zo worden draaggas en oven voor pyrolyse overbodig. Gevolgen hiervan zijn: kleinere afmetingen, lichter gewicht en er is minder energie nodig om het zaakje aan de praat te houden. Pluspunten die exploitanten van ruimtevaart graag zien komen. Daarenboven blijkt dat het opsporen van biomolecules niet wordt beïnvloed door de aanwezigheid van onzuiverheden zoals chloridezouten. Ook dat is mooi meegenomen.
Voor wie er wat aan heeft hieronder een schematische weergave van het systeem met zijn componenten. Voor alle duidelijkheid: MCP staat voor Micro Channel Plate detector, die zowel de geproduceerde ionen traceert als het scheidend vermogen ervan opvoert.
Kijk hier voor de bijhorende afbeelding.
Copyright: Niels Ligterink @ Nature.com
Een blik vooruit
ORIGIN is een veelbelovend instrument in de speurtocht naar levensvatbare moleculen. NASA heeft interesse bevestigd in het kader van hun Europa Lander-project. De lancering naar de Jupitermaan is gepland in 2025.
Deze module kan ook ingezet worden voor andere projecten en missies waar het zoeken naar aanwijzingen van leven een opdracht is. De compactheid van apparatuur en de gevoeligheid ervan zijn onmiskenbare troeven die menig onderzoeker zal aanspreken. In combinatie met een geavanceerde autonomie en bedrijfszekerheid zullen dergelijke innovaties in een verdere toekomst zonder twijfel nuttig blijven bij de zoektocht naar sporen van buitenaards leven. En wie weet zal het instrument misschien ooit met een ruimtesonde meereizen naar een buitenaardse planeet buiten ons zonnestelsel.
Wordt zeker vervolgd…
Tekst: Herman Schoups, september 2020
Bronnen:
http://astrobiology.com/2020/08/origin-mass-spectrometer.html
https://www.space.com/europa-lander-mission-exploring-instruments.html