NASA:s Mars 2020 Perseverance-rover har en utmanande väg framför sig:efter att ha behövt ta sig igenom den upprörande infarten, härkomst, och landningsfasen för uppdraget den 18 februari, 2021, det kommer att börja leta efter spår av mikroskopiskt liv från miljarder år tillbaka. Det är därför den packar PIXL, en precisionsröntgenapparat som drivs av artificiell intelligens (AI).

Förkortning för Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry, PIXL är ett instrument i matlådestorlek placerat på änden av Perseverances 7 fot långa (2 meter långa) robotarm. Roverns viktigaste prover kommer att samlas in av en kärnborr i änden av armen, sedan gömd i metallrör som Perseverance kommer att deponera på ytan för att återvända till jorden genom ett framtida uppdrag.

Nästan varje uppdrag som framgångsrikt har landat på Mars, från vikingalandarna till Curiosity rover, har inkluderat en röntgenfluorescensspektrometer av något slag. Ett stort sätt som PIXL skiljer sig från sina föregångare är i dess förmåga att skanna sten med en kraftfull, finfokuserad röntgenstråle för att upptäcka var – och i vilken mängd – kemikalier är fördelade över ytan.

"PIXLs röntgenstråle är så smal att den kan lokalisera särdrag så små som ett saltkorn. Det gör att vi mycket exakt kan binda kemikalier vi upptäcker till specifika texturer i en sten, sa Abigail Allwood, PIXL:s huvudutredare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien.

Stentexturer kommer att vara en viktig ledtråd när man bestämmer vilka prover som är värda att återvända till jorden. På vår planet, distinkt skeva stenar som kallas stromatoliter tillverkades av gamla lager av bakterier, och de är bara ett exempel på fossiliserat forntida liv som forskare kommer att leta efter.

En AI-driven nattuggla

För att hjälpa till att hitta de bästa målen, PIXL förlitar sig på mer än bara en precisionsröntgenstråle. Den behöver också en hexapod – en enhet med sex mekaniska ben som ansluter PIXL till robotarmen och styrs av artificiell intelligens för att få det mest exakta målet. Efter att roverns arm placerats nära en intressant sten, PIXL använder en kamera och laser för att beräkna dess avstånd. Sedan gör dessa ben små rörelser - i storleksordningen bara 100 mikron, eller ungefär dubbelt så bred som ett människohår – så att enheten kan skanna målet, kartlägga de kemikalier som finns inom ett område med frimärksstorlek.

"Hexapoden kommer på egen hand att peka och sträcka ut sina ben ännu närmare ett stenmål, " Sa Allwood. "Det är ungefär som en liten robot som har gjort sig hemmastadd på änden av roverns arm."

Sedan mäter PIXL röntgenstrålar i 10-sekundersskurar från en enda punkt på en sten innan instrumentet lutar 100 mikron och tar ytterligare en mätning. För att producera en av dessa kemiska kartor i frimärksstorlek, den kan behöva göra detta tusentals gånger under loppet av så många som åtta eller nio timmar.

Den tidsramen är delvis det som gör PIXLs mikroskopiska justeringar så kritiska:temperaturen på Mars ändras med mer än 100 grader Fahrenheit (38 grader Celsius) under loppet av en dag, vilket får metallen på Perseverances robotarm att expandera och dra ihop sig med så mycket som en halv tum (13 millimeter). För att minimera de termiska sammandragningarna som PIXL har att kämpa med, instrumentet kommer att bedriva sin vetenskap efter att solen gått ner.

"PIXL är en nattuggla, " sa Allwood. "Temperaturen är stabilare på natten, och det låter oss också arbeta i en tid då det är mindre aktivitet på rovern."

Röntgen för konst och vetenskap

Långt innan röntgenfluorescens nådde Mars, det användes av geologer och metallurger för att identifiera material. Det blev så småningom en standard museiteknik för att upptäcka ursprunget till målningar eller upptäcka förfalskningar.

"Om du vet att en konstnär vanligtvis använde en viss titanvit med en unik kemisk signatur av tungmetaller, dessa bevis kan hjälpa till att autentisera en målning, " sa Chris Heirwegh, en röntgenfluorescensexpert på PIXL-teamet vid JPL. "Eller så kan du avgöra om en viss typ av färg har sitt ursprung i Italien snarare än Frankrike, koppla den till en specifik konstnärlig grupp från tidsperioden."

För astrobiologer, Röntgenfluorescens är ett sätt att läsa berättelser som lämnats av det gamla förflutna. Allwood använde det för att fastställa att stromatolitstenar som finns i hennes hemland Australien är några av de äldsta mikrobiella fossilerna på jorden, dating back 3.5 billion years. Mapping out the chemistry in rock textures with PIXL will offer scientists clues to interpret whether a sample could be a fossilized microbe.

More About the Mission

A key objective for Perseverance's mission on Mars is astrobiology, including the search for signs of ancient microbial life. The rover will also characterize the planet's climate and geology, pave the way for human exploration of the Red Planet, and be the first planetary mission to collect and cache Martian rock and regolith (broken rock and dust). Subsequent missions, currently under consideration by NASA in cooperation with the European Space Agency, would send spacecraft to Mars to collect these cached samples from the surface and return them to Earth for in-depth analysis.