Orienteringskurs Astrobiologi Del 8 Astrobiologi och rymdmissioner - Hur påverkas organismer av rymdförhållanden ? - Finns det liv på andra himlakroppar ? - Hur udviker man kontamination av andra himlakroppar med terrestriska organismer ? 2 slags missioner: - Low Orbit Earth missions - Missioner till andra planeter och månar Low Earth-Orbit missioner - viktiga informationer om överlevnad och påverkningar av organismer genom förhållanden i rymden - inte så dyr som planetmissioner - mindre laddning (payload) Haleakala satellite tracking station Hawai’i Low Earth-Orbit missioner - höjd 280-450 km - kraftig strålningsfält - extrema temperaturvariationer (+120oC - -120oC beroende av banan) - låg tryck (högvakuum 10-4 till 10-7 Pa, i rymden även 10-14 Pa) - mikrometeoritbombardering - mikrotyngdkraft (10-4 till 10-6 g), på grund av fritt fall Strålning som hittar jorden Kosmisk strålning Galaktisk kosmisk strålning - 98 % baryoner, 2 % elektroner, härkomst oklar - måste övervinna både solens och jordens magnetfält Solar kosmisk strålning - konstanta solpartikelvind - “solar particle events” under solfläckmaximum, kan vara farliga för människor som lämnar rymdfarkosten Strålningsbälte - Yttre van Allen bälte orsakad av infångade joner - Inre van Allen-bälte genereras av sönderfall av neutroner som bildas i högre skikter av atmosfärer - anomali över sydliga atlantiska oceanen (strålningsbälte räcker ner till 450 km höjd) Strålningsgenomträngning i atmosfären UV-ljusets genomträngning i atmosfären UV-A: 320-400 nm (6,3 % av solljus) UV-B: 280-320 nm (1,5 % av solljus) UV-C: 200-280 nm (0,5 % av solljus) VUV: 100-200 nm XUV: <100 nm UV-C: 200-280 nm Strålningsintensitet och påverkning av celler (DNA skada) UVC UVB UVA 100 101 100 Extraterrestrial 10-1 10-1 10-2 10-2 10-3 10-3 DNA damage 10-4 10-4 early Earth 10 -5 10-5 present Earth 10-6 10-6 180 200 220 240 260 280 Wavelength (nm) 300 320 340 Biological sensitivity Irradiance (W / m2 nm) 101 Extrema temperaturvariationer i Low-Orbit missioner Biologiska prov är utsatta till extrema temperatursvängningar beroende av: – – – – – Banan av rymdfarkostet Vinkeln av solinstrålningen Ingen konvektion ! Värmeledning: förbindelse mellan rymdfarkost och provbehållare Strålning: närheten till andra redskap på rymdfarkostet Effekter av vakuum För biologisk material: - Dehydrering huvudeffekt, därför hög överlevnadstrolighet för sporer med tjocka skorpor - Ökad mutationshastighet (faktor 5–10) - Ökad UV-känslighet genom ändrad DNA konfiguration - också förstörning av DNA, DNA reperaturmekanismer funkar inte utan vatten, närvaro of glukos ökar överlevnad - 70 % av sporer kan överleva 10 dagar av rymdvakuum, 30 % flera insluten i saltkristaller För icke-biologisk material: Utgassning Effekter av UV- och strålning - UV-C strålningen absorberas direkt från DNA, dödar mikrober inom sekunder - kosmisk strålning har mindre flöde, men högre verkning - inom stora meteoriter kan mikroorganismer överleva flera hundratusen år - meteoriter kan också verka som värmesköld Astrobiologiforskning vid ESA Vetenskapliga mål: - Utsättning av biologiska och biokemiska prov för att studera effekter av förhållanden i rymden - Utsättning av icke-biologiska materialer för teknologiforskning - Tester av redskap och komponenter Kunde ge informationer om - bildning och stabilitet av organiska molekyler i jordens prebiotiska fas - rollen av ozonskiktet i uppkomsten av liv på jorden - UV strålning på astrobiologisk intressanta planeter och månar (Mars, Titan, Europa) Krav för astrobiologisk forskning på missioner - sent förberedelse av experiment (veckor eller dagar före start) Operationer före start måste tillåta sen montering av redskap - prov måste kunna utsättas för rymdförhållanden (t. ex strålning, vakuum, mikrogravitation) användning av specialfönster (glas, MgF2) gasutsläppsystem, ventiler - kontinuerlig mätning av data viktig aktiva och passiva sensorer - återhämtning av experimentprov efter rymdflyg för analys i laboratorier rymdfarkost som kan klara återvändning till jorden Low-orbit missioner med astrobiologisk forskning 1983 1984–1990 1992–1993 1993 1993–2005 2003 2004–2005 2006–? Spacelab 1, Experiment 1ES029: “Påverkning av förhållanden av rymden på Bacillus subtilis LDEF Facility, Experiment “Exostack” EURECA-ERA (Exobiology Radiation Assembly): “Undersökning av påverkningar av komplexa organiska förbindelser när de exponeras till fullt UV och vakuum UV ljus från solen” Spacelab D2, STS-55, RD-UVRAD”Biological response to extraterrestrial solar ultraviolet radiation and space vacuum” Foton – BIOPAN (5 missioner, 25 experiment) STS-107, BIOBOX-5 , RADCELLS experiment ISS: Matroshka-1 för rymddosimetry ISS: EXPOSE, EXPOSE-R, Matroska-2 European retrievable carrier (EURECA) Referensexperiment på marken Eureca-orbiter Biofilm-utsättning för rymdförhållanden Biofilmer utsatts för olika strålningsnivåer Biofilm Minskad strålningsnivå Biostack-utsättning för kosmisk strålning Biostack-utsättning för kosmisk strålning • Experiment för at mäta strålningsnivåer innanför och utanför en simulerad mänsklig överkropp och material som liknar mänsklig vävnad. • Matroshka 1: Kommit tillbaka 2005 som del av Expedition 11 EVA, efter 1.5-år utsättning. Prov (passiva strålningssensorer) sänt tillbaka med Expedition 11 • Matroshka 2A: Nya passiva strålningsmätare installerad av Expedition 12 • Matroshka 2b (2006): Activa dosimetrer som överföra data genast: Dostel, SSD, and TEPC (Tissue Equivalent Proportional Counter) Matroshka utanför ISS Krav för astrobiologisk forskning på missioner Missioner på kort tidsskala (2–3 veckor): BIOPAN (på Foton) Missioner på lång tidsskala (1–3 år): EXPOSE (på ISS-Columbus och RS-ISS) BIOPAN och EXPOSE Externt monterad på ryska Foton-rymdfarkost flera missioner av BIOPAN hittills Egenskaper av BIOPAN - Värmesköld för att klara återinträde i jordens atmosfär - motordriven lock som öppnas och stängs före återvändning - Datanedladdning via telemetrilänk - Experiment i botten och i lock (1200 cm2 yta) - Maximalmassa för experiment 3,5 kg - Bredbandradiometer för strålningen - 2 UV sensorer - upp till 8 temperatursensorer Montering av BIOPAN Start Återhämtning Resultat - Mikrober och frön utsatts till förhållenden i rymden med och utan strålningsskydd - överlevnad av organismer utreds - oskyddade bakteriesporer som var utsadda till öppen rymd förstördes nästan totalt - tunna skiktar av meteoritmaterial ger bara skydd mot UV om de är i direkt kontakt med organismen - bara några cm tjocka sten ger skydd mot kosmiska strålningen, mikrometeoriter otillräckliga - mer än 99,9 % av strålningen absorberas av de första 2g/cm2 av skikten - men resten är ganska tuff: protoner, högenergijoner, neutroner STONE-experiment Bakgrund: - Meteoriter kunde vara naturliga vehikler för transport av mikrober genom rymden - utforskning av beteende av meteoriter under genomgång av jordatmosfären viktig för att förstå kemiska processer och mikrobernas överlevnad - kretsformade STONE prov inbyggda i FOTONvärmesköld - Kan sedimenter överleva återvändning ? - Ändras de kemiskt ? STONE-prov inbyggda i FOTON Återhämtning in Kazachstan Prov undersöks fortfarande ! Före flyget Efter flyget EXPOSE-R - Godkänd för flyg i Juli 2008 - monterad på ISS dec 2008 EXPA_Z EXPA_XO - Start med shuttle (på Kolumbus) - Utsättningstid 3 år Zenith EuTEF location EXPA_XD - Återvändning med shuttle mars 2011 EXPA_N Starboard Ram TEFV3-200-V2 EXPOSE-R – Experiment: 3 bägare, 12 provbärare Hundratals provceller – Max. experimentmassa: 9 – 10 kg - några celler på lufttryck - 1 radiometrar, 4 UV sensorer - temperatur & trycksensorer - dosimetrar Egenskaper av EXPOSE-R - struktur och anordning av provceller planerad - provceller finns vid både lufftryck och vakuum - kontrollerade experimentets peraturer under utsättningstiden - lock möjliggör exakt definierad utsättningstid - filtrar och MgF2/kvarts fönster kontrollerar strålningsintensiteten Experiment med EXPOSE-R - Utforskning av respons av organismer till rymdmiljön - Fotokemi av aminosyrer och peptider under rymdförhållanden - Utsättning av organiska molekyler till rymdflygförhållanden - Mätning av kosmiska och solara joniserande strålningen Kontaminering av andra himlakroppar - redan tidigt upptäckt som problem National Academy of Sciences of the United States 1958: “The NAS of the USA urges that scientists plan lunar and planetary studies with great care and deep concern so that initial operations do not compromise and make impossible forever after critical scientific experiments. For example, biological and radioactive contamination of extraterrestrial objects could easily occur unless initial space activities be carefully planned and conducted with extreme care. The NAS will endeavour to plan lunar and plantary experiments in which the Academy participates so as to prevent contamination of celestial bodies in a way that would impare the unique and powerful scientific opportunities that might be realized in subsequent scientific exploration.” Outer Space Treaty of the United Nations Artikel IX: “States Parties to the Treaty shall pursue of outer space, including the Moon and other celestial bodies, and conduct exploration of them so as to avoid their harmful contamination and also adverse changes in the environment of the Earth resulting from the introduction of extraterrestrial matter, and where necessary, shall adopt appropriate measures for this purpose.” - kontaminering av bebobara planeter med jordiska organismer måste undvikas (forward contamination prevention) - också måste man preventera kontaminering av jorden (backward contamination prevention) - Committee on Space Research (grundad 1958) formulerar riktlinjer: Maximum trolighet av 10-4 att hitta någon aktiv mikrob på rymdfarkostet Olika kategorier av missioner Kategori I Missioner till himlakropper utan astrobiologisk intresse (Måne, Venus, Merkur). Inga speciella atgärder krävs. Kategori II Signifikant astrobiologisk intresse, men kontaminering som är skadlig för framtidsundersökningar otrolig (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun,asteroider, kometer). Skyddsplan och rapportering efter missionen krävs. Kategori III Himlakropp som är intressant för kemisk evolution och uppkomsten av livet (Mars, Europa). Inslag i målobjekt inte planerad, troligheten av inslag mindre än 1 % under följande 20 år och < 5 % under följande 50 år Kategori IV Mycket stort astrobiologisk intressa. Stor fara att kontaminering förstör framtidsexperiment. Misioner till ytan och under ytan. För missioner på Mars: IV a: Inga redskap för utforskning av före detta liv på mars IV b: Missioner med landningssystem IV c: Landning tilll en specialregion som kunde tillåta spridning av organismer och kundea ha hyst liv på Mars (polära iskappar, underytvatten) Rymdfarkost måste byggs i sterilt rum. I fallet av Europa måste kontamineringstrolighet av en enkel mikroorganism vara mindre än 0.01 % Kategori V Alla missioner som kommer tillbaka till jorden. Inga restriktioner för himlakroppar som - hade aldrig flytande vatten saknade energikällor för metabolism hade aldrig tillräckligt organisk (kemisk) materie hade uttsatts till extrem hetta (> 160 oC) det fanns tillräckligt strålning för biologisk sterilisering på det har funnits ett naturligt inflöde av material till jorden via meteorite på himlakroppen Alla andra kräver - ingen impakt på jorden vid återvändning - alla inte-steriliserade prov måste genast isoleras - inga sådana missioner hittills Uppfyllning av krav - biobeladdning av rymdfarkost minimeras genom sterilisering - steriliserade delar sammanfogas i “clean rooms” - Täckning av rymdfarkost “biosköld” - slutlig sterilisering - mätning av biorganismer (suddning av 5 x 5 cm), placering i agar-agarkulturer - olika förhållanden (T, pH-värden) testas - ibland genetisk undersökning (sekvensering) Gränsvärden för biokontamination För rymdfarkost som landar på Mars (missioner IVa) utan avsikt att undersöka spår av liv på Mars 300 sporer/m2 För missioner IVb 30 sporer/m2 För missioner IVc sterilisering av hela rymdfarkostet Steriliseringsmetoder - suddning av ytan med steriliserande vätskor (isopropanol) gammastrålning (inte så lämplig för elektroniska appparaturer) torr-het sterilisering (112 oC för 30 h) väteperoxidplasmasterilisering (låg temperatur, låg tryck (1mbar)) Undvikning av rekontamination Alla ytor i “clean room” rengörs med etanol varje dag vid start är rymdfarkosted täckt vid en biosköld Clean room Återvändningsmissioner Mikrober kunde överleva i polyuretanskum för 2,7 år på månen Apollo-astronauter fick stanna i kvarantän efter flyget Prov från andra himlakroppar måste analyseras i speciallaboratorier ESAs Aurora-program ESA’s nya program för att förbereda solsystemet genom bemannade missioner utforskning Charakteristika - Definierar en långsiktig rymdforskningsstrategi för Europa - Fokuserar på forskingsinfrastruktur och -teknologi - robotmissioner i förberedelse för bemannade - synergi mellan vetenskapliga och teknologiska ändamål - samarbete med andra rymdforskningsinstitutioner av Exo Mars ExoMars kommer att sätta ut en Rover och en orörlig station (Geophysical/Environment Package, GEP) Vetenskapliga ändamål Rover: - Söka efter spår av liv på Mars - Utforska vattten halt på olika djup och geokemisk sammansättning GEP (Geophysics and Environmemtal Package): - Undersöka bebobarhet av Mars - Bedöma hot mot bemannade missioner Exo Mars Teknologiska ändamål - Utveckla en europeisk teknologi för att flytta stora lastar till Mars - garantera hög mobilitiet på ytan och tillgång till skiktar under marken - utveckla teknologin för bemannade marsmisssioner Vilka spår av liv skulle man söka ? Liv under förtiden - de första 500 miljoner år av Marsens existens kunde den har haft ett klimat som liknar jordens klimat nu - Biologiska molekyler som aminosyror, nukleotider, sockrar, fosfolipider, pigment ska ha funnits - organiska rester av biologisk härkomst (kiralitet ?) - bilder av gruppar av fossila organismer - geokemiska och mineralogiska effekter av organismer - spår kunde vara förstörda Faktorer som påverkar bebobarhet av Mars och Jorden Egenskap Magnetfält (avböjar solvind) Vulkanism (karbonatkrets) Maffig måne (stabiliserar axeln) Stora mängder flytande vatten Jorden Ja Mars Nej Ja Inte längre Nej Ja Ja Inte längre Faktorer som påverkar bebobarhet av Mars och Jorden - stark UV strålning och hög joniserande strålning - tunn atmosfär - dammstormar - extrem torr och kall miljö Stabilitet av aggregatstillstånd av vatten Vatten på mars (ekvivalent väte) - mäts av Odyssey missionen Water-equivalent hydrogen abundance Polkappa Ökenområde Odyssey NASA Möjlig permafrost på Mars Viking (1976) experiment om liv på Mars Pyrolitic Release experiment (PR): Letade efter fotosyntes genom kultivering av en “jord”prov med ljus och en simulerad 14C-atmosfär. Efter ett par dagar gjordes pyrolys av marken för att se om 14C ackumuleras som biomassa. Labeled Release experiment (LR): En jordprov försorjades med 14C-haltiga näringssubstanser - försökte detektera radioaktiva gaser (14CO2) Gas Exchange Experiment (GEX): “Jord”prov rensad från gaser från Mars genom spolning med helium, sedan tillfogas vatten med näringssubstanser, CO2 och inertgaser. Med hjälp av gaskromatografi/masspektrometri (GCMS) analyseras om organismer förbrukade eller utsläppte gaser (speciellt CO2 och O2). Närvaro av liv PR LR GEX Beteende av prov 14C funnen Markerad gas emitterad O2 eller CO2 emitterad Steriliserad kontrollprov Ingen 14C Ingen markerad gas Varken O2 eller CO2 Frånvaro av liv PR LR GEX Beteende av prov Ingen 14C Ingen markerad gas Varken O2 eller CO2 Steriliserad kontrollprov Ingen 14C Ingen markerad gas Varken O2 eller CO2 Viking PR LR GEX Beteende av prov Steriliserad kontrollprov 14C funnen 14C funnen Markerad gas emitterad Markerad gas emitterad O2 emitterad O2 emittlerad Alla 3 experiment kunde inte utesluta närvaro av liv på Mars Resultat från Viking-experiment - Alla 3 experiment visade kemiska reaktioner som pekade på närvaro av liv. - GCMS hittade inga spår av organiska förbindelser på Marsytan. - Positiva resultat med kontrollprov visar på närvaro av oxiderande substanser på Mars - Viking GCMS fann inga organiska förbindelse över ppb (parts per billion) level - Detektionsgränsen för aminosyror lag i ppm nivå, där skulle aminosyror från 107 celler per gramm “marsjord” inte ha detekterats Viking kunde inte utesluta liv på Mars Sökning av liv på Mars - Flytande rent vatten är ostabil nu på mars (P och T för låga) men mycket saltrikt flytande vatten existerar - solar UV-strålning är för kraftig för oskyddat liv och organiska substanser sökning av nuvarande liv koncentreras på områden under ytan - under första miljard år av Mars var klimatet varmare och blötare - för utdött liv letas efter biosignaturer sökning av utdött liv koncentreras på ytan Möjliga ställen - relikter av hydrotermala system - sedimenter på gamla havsbotten - utflöderegioner av gamla vattenkanaler - mobilitet av hela experimentutrustningen viktig att prova olika High Mobility Rover Räckvidd: Flera kilometrar på Marsytan Letar efter spår av nuvarande och utdött liv på Mars (spektroskopi, kiralitetsundersökning, morfologiska och isotopiska studier) Karakteriserar geologiska och geokemiska miljön (Geophysics/ Environment Package): seismologi, stoft, atmosfären, strålning Datarelayfunktion med satelliten, utrustad med solenergipaneler ExoMars är kategori IVc-mission Versioner av ExoMars Orbiter Baseline Spacecraft compositeScience Elements Carrier & Descent Module ExoMars Rover Data Relay Spacecraft composite Science Elements Orbiter & Descent Module ExoMars Rover Data Relay GEP GEP Orbital Science Missionsplan Start: Ankomst: 2016 på Soyuz 2b, fråm Kourou. 2018 efter sandstormsäsongen. Landning: Direkt entré, från hyperbolisk ankomsttrajektori. Område: Breddgrader mellan –15º and +45º, alla längdgrader Bromsning: Fallskärm, retroraketer, airbags Last: Rover-Pasteur (mobilitet 10 km), 180 kg, 8kg instrumenter, 180 jorddagar livtid GEP, 20kg, instrument 5 kg, levnadstid 6 jordår Data relay: NASA-satelliter Problem: Misslyckandet av Mars Polar Lander och Mars Orbiter Landning Entré Energiförlust genom atmosfärmotstånd; Hastighet: start ~5.4 km/s, slut ~430 m/s. Fallskärmbromsning Energiförlust genom atmosfärmotstånd; Hastighet: start ~430 m/s, slut ~85 m/s. Raketbromsning Energiförlust genom raketbromsning Hastighet: start ~85 m/s,slut ~20 m/s. Landning Energiförlust genom airbags Hastighet: start ~20 m/s slut 0 m/s. Airbags Icke-vädrade airbags - bara uppblåsbar (ingen utsläpp) - utvecklad för rymdmissioner, hoppar på ytan - Kräver mekanism för att rätta positionen efter landningen. Vädrade airbags - utvecklad för militären - absorbera stöter genom utsläppning av gas - ingen rättningsmekanism - mer massefficient - känsligare för tangentialhastighet Rovern lämnar airbag Forskningsstrategi för Rover - urval av landningsställe ur astrobiologisk och geologisk synvinkel - insamling av prov från olika ställen med hjälp av en borrare - panoramisk bedömning av geologisk område, detaljerad undersökning av intressanta bergarter - 10 experimentskretser - avstånd mellan experimentort minst 1 km - undersökningar i 20m omkrets av urvalt ställe - 1 panoramisk kamerabild, urval av ställen för provtagning - undersökning av grund med “underground radar“ - infrarödbilder från 10 ställen - utforskning av 3 utvalda ställen med kontaktinstrument - tagning av 1 prov och analys i Pasteur-labbet ombord - nerborrning (1,3 m) och tagning av undergrundprov - analys av undergrundprov - på 2 ställen vertikal provanalys 0, 50, 100, 150, 200 cm djup Viktiga punkter Ordning, sundhet och god skick - På landning måste visas att hela Pasteurlabbet är fri från kontaminering från jorden - På mars måste Pasteur undvika kontaminering mellan proven (maximum korskontamination 1 %) Data 150 Mbit per day Problem Också på jorden är det svart att hitta otvivelaktiga spår av liv som är 3,5 miljarder år gamla Panoramisk kamerasystem IR-spektrometer Ground-penetrating radar Kontaktinstrument Close-up imager Mössbauer spectrometer Raman/LIBS optical heads Om resultat är intressanta, tas prov av marken och undergrund med Pasteur-borrare Borrare Viktigt: Kontroll av temperatur, vridmoment och djup Analyslaboratorium Non-destructive analysis Microscope Raman / LIBS Sample Destructive analysis Rock Crusher Analyte Extraction Dust MOD Oxidants •M O D Extraction & Cruscible GC-MS Fluorescamine XRD CE Life Marker Chip Drill System Analyser Icke-destruktiv analys . - Microskopimaging (låg och hög förstörning) - Raman/LIBS spektrometer Destruktiv analys - Röntgendiffraktometer och oxidantinstrument (mineralogi) - Mars Organic Detector (bildar flytande prov, söker efter aminosyror med fluorscens och elektrofores) - Gaskromatografi (letar organiska molekyler) - Life Marker Chip (baserad på antikroppar, mycket noggrann detektion af biologiska molekyler) Mars Organic Detector (MOD) Laser-induced fluorescence (LIF) visar om aminogruppen finns L-glu D-glu Intensity asp L-asp D-asp glu Intensity D-ala/ser/gly L-ala/ser/gly Derivatisering D+L norleu D-val L-val Fluorescamine norleu val ala/ser gly Aminosyra Sammansättning elektrofores för att bedöma sammansättning och enantiomerisk överskott Enantiomerisk förhållande Problem: Biomarker kunde ha blivit förstörda Andra mätningar Stoftmätningar - fördelning och lagringshastighet UV och joniserande strålning - Spektrum, absorberad dos Reaktiva substanser - Identifikation och reaktivitet av oxidantier - Fördelning under marken, diffusionshastighet - Koppling mellan oxidanttäthet och UV-intensitet Andra parametrar - Tryck - Atmosfärfuktighet - Temperatur - Vindhastighet och -riktning Marsmissioner i framtid - nästa viktig mission Mars Sample Return - ExoMars kunde ge viktiga erfarenheter om byggnationen av Rover 2005 2007 2009 Mars Telecom Orbiter 2011 2013