ExoMars NOMAD-instrument

NOMAD is een spectrometer met 3 kanalen: 2 kanalen werken in het infrarood
frequentiedomein en steunen op de expertise van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) dat een succesvol instrument met de naam SOIR (Solar Occultation in the Infra-Red) aan boord heeft van ESA’s Venus Express (VEX) missie. Het derde kanaal werkt in het UV-vis frequentiegebied.

 

Het zonne-occultatiekanaal van NOMAD is een kopie van SOIR/VEX. Het Limb, Nadir en Occultatie (LNO) kanaal is in feite een verbeterde versie van SOIR: het is beter aangepast aan zwakkere lichtbronnen vermits het niet alleen zal meten in zonne-occultatie modus, maar ook in nadir modus, d.w.z. dat er rechtstreeks gekeken wordt naar het zonlicht dat gereflecteerd wordt door het oppervlak en de atmosfeer van Mars.

Het aangepast ontwerp omvat een grotere toegangsopening om de hoeveelheid licht die de optica binnenkomt te verhogen en een nieuwe AOTF (Acousto-Optical Tunable Filter) om het doorgelaten licht te maximaliseren. Het UV-vis kanaal (UVIS) is dan weer gebaseerd op een ontwerp voor een eerdere Marslander die door de Britse Open University gemaakt werd. Het zal metingen uitvoeren in zowel zonne-occultatie en nadir modus.

Hieronder vindt u een video die het ontwerp van NOMAD toont:

 

 

Zoals gevraagd door ESA, werden er drie modellen van het instrument gebouwd:

1. Structural-Thermal Model (STM): Dit is een representatief model van NOMAD omdat het dezelfde grootte, massa en zwaartepunt heeft als het echte instrument zonder zijn optische onderdelen. Dit model werd op het ruimtetuig bevestigd voordat het echte vluchtmodel af was, zodat de satelliet zelf al thermische en structurele testen kon ondergaan met een representatieve lading.
   
   
2. proto-Flight Model (pFM): Dit is het instrument dat naar Mars zal vliegen. Het model underging een brede waaier aan testen om te garanderen dat het de reis naar Mars zal overleven en dat het ook naar behoren zal werken eens daar aangekomen.
   
   
3. Flight Spare Model (FS): Dit is een identieke kopie van de pFM, dat gebouwd werd voor het geval er een probleem zou zijn met het vluchtmodel dat niet gemakkelijk op te lossen valt. Er is slechts om de twee jaar de mogelijkheid om een toestel naar Mars te lanceren, dus als er zich een probleem voordoet, is er onmiddellijk nood aan een vervanging. In het geval van NOMAD, bijvoorbeeld, ontdekten we dat de detector in het LNO-kanaal niet goed werkte, dus werd het vervangen door de detector van het reserve vluchtmodel. Zonder die back-up zou NOMAD waarschijnlijk naar Mars gestuurd zijn zonder een functionerend LNO-kanaal!

 

NOMAD STM

NOMAD pFM

NOMAD FS

 

De ontwikkeling en constructie van NOMAD werden uitgevoerd door de belangrijkste industriële partner OIP uit Oudenaarde, in samenwerking met partner-experts in Spanje, UK en Italië. De elektronica en firmware werden ontwikkeld door Spaanse collega’s die meegewerkt hebben aan Rosetta, Mars Express en Venus Express, en werden gebouwd door Thales Alenia Space Belgium (ETCE). UVIS werd ontworpen en gemaakt door Lambda-X uit Nijvel. De elektronica ervan werd dan weer ontwikkeld en gebouwd door het Mullard Space Science Laboratory (UK).

Het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) ontwierp een groot deel van de SO- en LNO-kanalen, waaronder de elektronica en de uitrusting voor het controlecentrum. Het instituut coördineerde bovendien ook alle taken die over heel Europa uitgevoerd werden en beheerde de documentatie die door ESA gevraagd werd. Naast hun verantwoordelijkheden met betrekking tot projectbeheer, zorgden ze ook nog voor de planetaire beschermingsaspecten die noodzakelijk zijn voor missies naar Mars. Verder vielen het testen en de wetenschappelijke performantie ook onder de verantwoordelijkheden die opgenomen werden door het instituut.

 

 

 

3 kanalen

NOMAD is een spectrometer met 3 kanalen: 2 kanalen (SO en LNO) werken in het infrarood en zijn gebaseerd op de expertise van BIRA-IASB’s succesvolle SOIR (Solar Occultation in the Infra-Red). De derde kanaal (UVIS) werkt in het ultraviolet-zichtbaar licht en is op het UVIS instrument gebaseerd dat werd voor de ExoMars Lander ontwikkeld.

 

NOMAD/SO

Het SO-kanaal is een kopie van het bijzonder succesvolle SOIR-instrument aan boord van Venus Express.

Het infrarood zonne-occultatiekanaal kan tot maximaal 6 kleine segmenten van het volledige spectrumbereik per seconde waarnemen. Dit laat toe om verscheidene doelmoleculen die absorberen bij verschillende golflengtes te observeren, terwijl de signaal-ruisverhouding voor iedere molecule gemaximaliseerd wordt. Een zonne-occultatie duurt ongeveer 5 minuten, zodat 300 spectra van iedere golflengte kunnen genomen worden en de atmosferische samenstelling kan gekarakteriseerd worden van de top van de atmosfeer tot bijna op het oppervlak (afhankelijk van de hoeveelheid stof).

 

NOMAD/LNO

Het LNO kanaal is het limb, nadir en occultatie infrarood kanaal. Het is een verbeterde versie van SOIR, waarbij de veranderingen moeten zorgen voor een grotere gevoeligheid voor de lagere lichtniveaus die waargenomen worden tijdens nadir observaties van de planeet Mars.

De veranderingen die aangebracht worden aan SOIR omvatten een nieuwe AOTF die meer licht doorlaat, een bredere split voor de voorste optica, herontwikkelde elektronica die meer rekenkracht heeft en veranderingen in de koeling. SOIR gebruikt een cryokoeler om de detector af te koelen en de gevoeligheid van het instrument voor het bestudeerde infrarood licht te verhogen. Deze koeler wordt gedurende ongeveer 20 minuten per dag gebruikt op Venus, maar voor nadir observaties op Mars zal dit veel langer zijn. Dit betekent dat we een koeler met een langere levensduur moeten vinden. We zullen ook een groter deel van het instrument koelen, waaronder een deel van de optica, om de thermische achtergrond te minimaliseren. Dit werk zal uitgevoerd worden in samenwerking met thermische experts in Madrid, Spanje.

Het infrarood nadir kanaal kan ook tot maximaal 6 spectrale gebieden per meting observeren, maar het kan nodig zijn om meer dan 1 s te integreren om voldoende signaal te bekomen om spoorgassen te detecteren. Nadirmetingen kunnen enkel de totale gaskolom tussen het instrument en het reflecterende oppervlak bepalen, maar deze metingen kunnen variaties over de planeet in kaart brengen, langs het spoor van de baan. Op deze manier kunnen we verschillen tussen de pool en de evenaar observeren, net als verschillen tijdens de levensduur van de missie en tussen de seizoenen op Mars.

 

NOMAD/UVIS

Het bijkomende UVIS kanaal, dat onze partners uit het Verenigd Koninkrijk bijdragen, breidt het golflengtegebied uit van infrarood tot UV en zichtbare golflengtes en geeft SOIR-NOMAD zo de mogelijkheid om ozon, zwavelzuur en aërosols te bestuderen. Dit ultralicht en zeer functioneel instrument werd geselecteerd voor de Exomars lander, maar werd geschrapt toen de lander vervangen werd door een dubbele rover missie in 2018.

UVIS zal aangepast worden om te kunnen functioneren op een orbiter en het zal zijn volledige spectrale bereik in beeld brengen bij iedere observatie van 1 seconde, waarbij verschillende interessante moleculen gemeten worden en meer informatie over de aërosols in de atmosfeer bekomen wordt.