MIDAS

Das Raster-Kraft-Mikroskop (bzw. AFM für Atomic Force Microscope) MIDAS ist ein einzigartiges Instrument welches dazu entwickelt wurde Kometenstaub zu sammeln und zu analysieren, indem es 3D Abbildungen von einzelnen Staubkörnern und Aggregaten in nm-Auflösung erzeugt. Die gewonnenen Daten werden Antworten auf eine Vielfalt von wichtiger Fragen zu den Entstehungsbedingungen im frühen Sonnensystem und die Beschaffenheit des Kometenmaterials liefern.

MIDAS wurde von einem Konsortium unter Führung des Instituts für Weltraumforschung der Österreischischen Akademie der Wissenschaften konzipiert und hergestellt, und ist das einzige Instrument der Rosetta-Mission mit österreichischem Principal Investigator. Gestartet im Jahr 2004, befindet sich Rosetta derzeit im äußeren Sonnensystem im Schlafmodus und wird im Sommer 2014 aufgeweckt werden um die letzten Rendezvous-Manöver durchzuführen.

Das Verständnis darüber wie sich ein AFM in der Weltraum- und Kometenumgebung verhält und wie die Steuerung dieses an sich interaktiven Geräts automatisiert werden kann, ist nicht nur für die Rosetta-Mission entscheidend, sondern auch wichtig um die Entwicklung zukünftiger Raster-Kraft-Mikroskope für Weltraum- und Planetenmissionen zu fördern und die durch MIDAS gewonnene Expertise für Österreich zu erhalten.

Das Proposal behandelt diese wesentlichen Fragen einschließlich derjenigen wie man Abbildungsverzerrungen durch verschiedenste Einflüsse, vor allem aber eine variable thermische Umgebung, am besten korrigiert. Eine Reihe von Tests sind geplant um die Empfindlichkeit des Instruments für diese Effekte zu bestimmen und um eine Korrekturstrategie zu erarbeiten (operationell oder über Updates der Software an Bord).

Ursprünglich sollten diese Effekte teilweise durch ein kapazitives Rückkopplungssystem reduziert werden, doch einer der beiden Kanäle wurde beim Start beschädigt. Daher besteht eine weitere Herausforderung darin, die optimale Methode zur Verwendung des verbleibenden Kanals zu finden.

Ein AFM im Labor ist ein sehr interaktives Instrument. Spitzen nützen sich mit der Zeit ab und werden oft ausgetauscht. Die besten Abbildungen erhält ein trainierter Operator durch Anpassung der Betriebsparameter an die jeweilige Probe. Das erstere Problem wird durch die in MIDAS vorhandene Redundanz in Form von 16 Spitzen gemildert. Dennoch bildet die Güte dieser Spitzen den größten limitierenden Faktor für sowohl die wissenschaftliche Qualität der Bilder als auch die Lebensdauer des Instruments. Daher ist die Minimierung der Kräfte zwischen Spitze und Probe lebenswichtig. Dies kann nur durch numerische Modellierung erreicht werden, unter Berücksichtigung des einzigartigen Prinzips nach dem MIDAS arbeitet.

Das Open-Source Simulationsprogramm VEDA AFM wird dahingehend modifiziert werden, die Annäherungskurve (Kraft über Weg) von MIDAS zu modellieren. Begonnen wird mit einer Prozedur zur Ableitung aller notwendigen Eingangsparameter über die Instrument-Telemetriedaten. Sobald das Modell validiert ist, wird es dazu verwendet werden, den Betriebsparameterraum zu erforschen (Cantilever-Amplitude, Arbeitspunkte usw.) um zu bestimmen welche Kombination die Kräfte zwischen Spitze und Probe minimiert und daher die Lebensdauer der Spitzen maximiert.

Der Betrieb von MIDAS ist darüber hinaus eine Herausforderung wegen der langen Signallaufzeit zu Beginn des Projekts und der langen Vorlaufzeiten für die Planung der Messungen und das Kommandieren des Instruments. Dies bedeutet dass neuartige Strategien entwickelt werden müssen, wobei sowohl passende Planungswerkzeuge erstellt als auch Autonomie an Bord so weit wie möglich einbezogen werden müssen.

Alle genannten Schritte zusammen sollten sicherstellen dass MIDAS in einer Weise betrieben wird welche Rohdaten in hoher Qualität liefert, die dann nach Kalibrierung und Entfernung von Artefakten schließlich einen optimalen Satz wissenschaftlicher Daten zur Archivierung und Auslieferung an das Wissenschafterteam ergeben.

Projektleitung

Österreichische Akademie der Wissenschaften

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