La NASA a développé un nouvel instrument de spectroscopie innovant pour aider à la recherche de vie extraterrestre. Le nouvel instrument est conçu pour détecter les composés et les minéraux associés à l'activité biologique plus rapidement et avec une plus grande sensibilité que les instruments précédents. Bien qu'aucune preuve de vie en dehors de la Terre n'ait encore été trouvée, la recherche de preuves de la vie présente ou passée sur d'autres planètes continue d'être une partie importante du programme d'exploration planétaire de la NASA.

Des chercheurs du NASA Langley Research Center et de l'Université d'Hawaï ont développé le nouvel instrument, qui améliore une technique analytique connue sous le nom de micro spectroscopie Raman. Cette technique utilise l'interaction entre la lumière laser et un échantillon pour fournir des informations sur la composition chimique à l'échelle microscopique. Il peut détecter des composés organiques tels que les acides aminés présents dans les êtres vivants et identifier les minéraux formés par des processus biochimiques sur Terre qui pourraient indiquer la vie sur d'autres planètes.

"Notre instrument est l'un des spectromètres Raman les plus avancés jamais développés, " a déclaré M. Nurul Abedin du NASA Langley Research Center, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Il surmonte certaines des limitations clés des micro-instruments Raman traditionnels et est conçu pour servir d'instrument idéal pour les futures missions qui utilisent des rovers ou des atterrisseurs pour explorer la surface de Mars ou la lune glacée Europa de Jupiter."

Dans le journal de la Société d'optique Optique appliquée , les chercheurs rapportent que leur nouveau système, qu'ils appellent l'instrument micro Raman ultra-compact à distance (SUCR), est le premier à effectuer une analyse micro-Raman d'échantillons à 10 centimètres de l'instrument avec une résolution de 17,3 microns. Le nouveau spectromètre est nettement plus rapide que les autres micro-instruments Raman et extrêmement compact. Ces caractéristiques sont importantes pour les applications spatiales et pourraient également rendre l'instrument utile pour les analyses biomédicales et alimentaires en temps réel.

"La spectroscopie Micro Raman est explorée pour détecter le cancer de la peau sans biopsie et peut être utilisée pour des applications d'analyse alimentaire telles que la mesure de la caféine dans les boissons, ", a déclaré Abedin. "Notre système pourrait être utilisé pour ces applications et d'autres pour fournir une analyse chimique rapide qui ne nécessite pas d'envoyer des échantillons à un laboratoire."

Concevoir pour l'espace

La taille et le poids étaient importants à prendre en compte lors de la conception de l'instrument SUCR pour l'exploration spatiale. "Nous devions nous assurer que l'instrument était très petit et léger pour qu'il puisse voyager à bord d'un petit, vaisseau spatial économe en carburant qui ferait le voyage de neuf mois vers Mars ou le voyage de six ans vers Europe, " a déclaré Abedin. " L'instrument doit également fonctionner avec d'autres instruments à bord d'un rover ou d'un atterrisseur et ne pas être affecté par les conditions de radiation difficiles trouvées sur d'autres planètes. "

Le nouvel instrument offre plusieurs améliorations importantes aux précédents instruments de spectroscopie micro Raman, qui nécessitent que des échantillons soient prélevés avant l'analyse et que les mesures aient lieu dans l'obscurité. Les micro-instruments Raman traditionnels sont également sujets aux interférences de la fluorescence minérale naturelle.

"Les limitations des systèmes actuels réduiraient considérablement le nombre d'échantillons et la quantité d'informations qui pourraient être obtenues d'une mission vers Mars, par exemple, " a déclaré Abedin. " Nous avons soigneusement conçu l'optique de notre système pour permettre une analyse rapide dans des conditions de lumière du jour et pour produire un signal Raman puissant qui n'est pas aussi sujet aux interférences que les systèmes traditionnels. "

L'instrument SUCR utilise la conception du système Raman à couplage direct précédemment développé à l'Université d'Hawaï pour la détection chimique à distance d'échantillons à plus de 100 mètres de l'instrument à la lumière du jour (A.K. Misra et al, Spectrochim Acta A 2005). L'instrument compact de l'Université d'Hawaï connecte toutes les optiques directement au spectromètre, ce qui a considérablement amélioré les performances par rapport aux systèmes Raman couplés par fibre, car moins de signal est perdu.

Pour créer l'instrument SUCR, les chercheurs ont modifié l'optique de collecte du système précédemment développé pour acquérir des spectres d'échantillons plus proches de l'instrument. Ils ont également réduit l'encombrement du système en utilisant un spectromètre miniaturisé de seulement 16,5 centimètres de long, 11,4 centimètres de large et 12,7 centimètres de haut.

Le passage de la lumière d'un laser pulsé compact à travers une lentille cylindrique avec une distance focale de 100 millimètres a permis aux chercheurs d'atteindre une résolution de 17,3 microns pour l'analyse d'échantillons à 10 centimètres de distance. Ils ont également démontré une résolution de 10 microns pour des échantillons distants de 6 centimètres en utilisant une lentille cylindrique avec une distance focale de 60 millimètres.

Analyse rapide dans la pièce lumière allumée

Dans les tests de laboratoire, les chercheurs ont utilisé leur instrument SUCR pour mesurer avec succès les spectres Raman à partir d'échantillons distants de 10 centimètres avec une zone d'analyse de 17,3 microns sur 5 millimètres. Dans la pièce lumière sur les conditions, ils ont utilisé SUCR pour analyser les minéraux et les composés organiques qui pourraient être associés à la vie sur d'autres planètes, y compris le soufre inclus, naphtaline, échantillons mélangés, marbre, l'eau, minéraux de calcite et acides aminés.

"Nous essayons maintenant d'augmenter la zone d'analyse en utilisant le balayage, " dit Abedin. " En raison de la vitesse de notre système, nous pensons qu'il sera possible de créer une carte Raman d'une zone de 5 sur 5 millimètres en seulement une minute. Faire cela avec un micro système Raman traditionnel prendrait plusieurs jours."

Comme prochaine étape, les chercheurs prévoient de tester leur instrument SUCR dans des environnements qui imitent ceux trouvés sur Mars et d'autres planètes. Ils commenceront ensuite le processus de validation pour montrer que l'appareil fonctionnerait avec précision dans les conditions trouvées dans l'espace.