Även när Perseverance-rovern närmar sig Mars, teknik ombord lönar sig på jorden.

En laserljussensor som kan identifiera bakterier i ett sår kan låta långsökt, men det har redan blivit verklighet, delvis tack vare NASA:s Mars Exploration Program. Tekniken åker till Mars för första gången på Perseverance, som kommer att landa på den röda planeten denna månad, men den upptäcker redan spårföroreningar i läkemedelstillverkning, avloppsrening, och andra viktiga operationer på jorden.

Det är inte den enda tekniken på väg till Mars som redan ger utdelning på marken. Här på jorden, dessa innovationer förbättrar också kretskortstillverkningen och ledde till och med till en speciell borrkronadesign för geologer.

Ge geologer en paus

Honeybee Robotics har arbetat med robotuppdrag till Mars och andra planetariska kroppar sedan 1990-talet, inklusive ett antal projekt finansierade av Small Business Innovation Research (SBIR) kontrakt från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. Ett av de viktigaste bidragen från det arbetet har varit provinsamlingsteknik, inklusive en borr för utvinning av bergkärnor. Ett halvdussin kärnborttagningsbitar utvecklade från forskning som startade för mer än 20 år sedan är nu i rymden för första gången, redo att användas i roverns torn, eller "hand, " i slutet av sin robotarm.

På jorden, efter att ha borrat en kärna med en ihålig borrkrona, en geolog brukar använda en skruvmejsel eller annat verktyg för att bryta av provet och dra ut det. Detta kan resultera i ett fragmenterat eller till och med kontaminerat prov. En robot krävde något annat.

New York-baserade Honeybee kom med ett avbrytningsrör kapslat i en kärnborr. Efter att kärnan har borrats, brytröret roterar i förhållande till borrkronan, förskjuter sin centrala axel och snäpper av kärnan. Till skillnad från andra avbrytningsmetoder, som att klämma i basen av kärnan, avbrytningsröret applicerar tryck längs provets längd, minska risken för fragmentering.

Honeybee har levererat kvarnar, skopor, och andra provtagningssystem som flög på tidigare Mars-uppdrag. Detta är första gången företagets kärnbitsteknologi går till Mars, eftersom det är första gången NASA har planerat ett framtida uppdrag för att föra tillbaka prover av Mars-ytan till jorden. Uthållighet kommer att samla in och paketera dessa prover.

"Det är nyckeldelen av provets returuppdrag, sa Keith Rosette, som hanterade roverns samplings- och cachingsystem för JPL. "Du kan verkligen inte samla ett prov på Mars om du inte har en borr som kan hämta det."

Samtidigt som att få ett prov på returfordon hem från Mars kommer att innebära en mängd utmaningar, det kommer att låta forskare göra praktiskt taget obegränsade tester med ett brett utbud av instrument, sa Rosette. "Istället för att försöka ta alla dessa instrument till Mars, det är mindre utmanande och ännu mer värdefullt att ta tillbaka prover."

Under tiden, Honeybee har kommersialiserat sina patenterade avbrytningsbitar i kärnverktygssatser för geologer på jorden. Bitarna kan användas med en vanlig borr, gör tekniken enkel och prisvärd, sa Kris Zacny, Honeybee vice president och chef för prospekteringsteknologi.

Honeybee har också varit i samtal med företag som är intresserade av att använda bitarna för kärnkraftskatastrofersanering där det är för farligt att skicka in mänskliga utredare, sa Zacny. "Om det finns betongtankar som läcker, till exempel, då kan robotar gå in och ta prover för att kontrollera strålningsnivåerna."

Tekniken uppfanns av Honeybees bortgångne chefsingenjör Tom Myrick. "Tom skulle ha varit extremt stolt över att hans uppfinning gjorde skillnad för planetariska uppdrag, sa Zacny.

Hemvideor från Mars

Att samla in prover för att återvända till jorden är inte det enda första som ingenjörer har planerat för Perseverance. För första gången, NASA har byggt ett system som kan skicka tillbaka högkvalitativ video av en rovers dramatiska in- och landningssekvens.

Medan Curiosity-rovern skickade tillbaka en serie komprimerade bilder som visar Mars-ytan under nedstigning, Uthållighets inträde, härkomst, och landningspaketet innehåller sex högupplösta kameror och en mikrofon som syftar till att fånga all dramatik i "de sju minuter av terror" mellan att träffa den yttre atmosfären och landa. Förutom att titta på planetens yta, kamerorna är placerade för att se fallskärmarna utvecklas och även för att se tillbaka på nedstigningsstadiet och ner på rovern när de två separeras.

Kamerakomponenterna är standardmodeller, men kretskortet som hanterar deras gränssnitt och ström har designats av JPL. Den byggdes sedan av San Francisco-baserade Tempo Automation. Grundades 2013, precis efter att NASA tillkännagav Mars 2020-uppdraget, Tempo använde arbetet för att förbättra sina tillverkningsprocesser.

Som namnet antyder, Tempo Automations fokus är snabbt, automatiserad produktion av tryckta kretskort, även i små partier. En uppsättning verktyg som företaget erbjuder för detta ändamål är processen för att göra varje komponent "spårbar, "för att hålla reda på vem som rörde den och vad som gjordes med den vid varje punkt i brädproduktionsprocessen, samt vilken komponentparti pjäsen kom ifrån. Denna information gör det lättare att ta reda på orsaken till ett problem och se vilka andra kort som kan ha påverkats, sa Tempo medgrundare Shashank Samala.

För att uppfylla JPL:s stränga dokumentationskrav, Tempo lade till röntgenbilder, jonisk renhetsdata, och data från en automatisk optisk inspektion för varje komponent, allt detta ingår nu i företagets standardförfarande.

Ett verktyg som är unikt för Tempo är vad det kallar tillverkningssimulering – programvara som översätter en datorstödd designmodell (CAD) till en fotorealistisk representation av hur den slutliga brädet kommer att se ut. Ett team tog fram prototyper av verktyget när JPL-arbetet började i början av 2018, och det arbetet hjälpte dem att slutföra det, sa Samala. Den debuterade året därpå.

Simuleringen låter kunder kontrollera sina konstruktioner för eventuella problem eller brister innan produktionen börjar, han sa. "Ett enkelt misstag kan kosta mycket pengar och tid."

Även om det var tänkt att hjälpa kunder att slutföra sina mönster, företaget upptäckte att det var användbart även internt. Tillverkningsprocessen kan resultera i avvikelser mellan den ursprungliga CAD-modellen och slutprodukten, Samala förklarade. Simuleringen "fungerar som en källa till sanning på fabriksgolvet, att kommunicera designerns avsikt. Det första vi tittar på är simuleringen."

Han sa att leveransen av en produkt som uppfyllde NASAs standarder har hjälpt företaget att komma in i flera andra rymdsystem, inklusive satelliter och raketer.

Under tiden, Chris Basset, som designade kretskortet på JPL, ser fram emot ögonblicket när kamerafilmerna skickas tillbaka från Mars efter Perseverances landning den 18 februari, 2021. "Det här är så långt utanför vad vi brukar göra att det är superspännande, " sa han. "Jag kan inte vänta med att se de bilderna."

Ultraviolettlasrar Skanna efter kemiska ledtrådar

En annan teknik vars rötter sträcker sig långt tillbaka in i NASA:s Mars Exploration Program flyger också för första gången på Perseverance och har många potentiella tillämpningar här på jorden.

När två långvariga kollegor grundade Photon Systems 1997, forskning visade otroligt lovande för spektrometrar - enheter som använder ljus för att bestämma ett provs sammansättning - som arbetar vid djupa ultravioletta (UV) våglängder. Dessa hade potential att identifiera en bakterie eller upptäcka även de minsta kemiska spår. Men ljuskällor i intervallet 220 till 250 nanometer var för stora, tung, och känslig för miljöpåverkan, och hade många andra problem.

William Hug och Ray Reid gav sig i kast med att utveckla en miniatyr, lättvikt, robust djup-UV-laserkälla för spektroskopi i fält. Deras första externa investering kom 1998 från ett par SBIR-kontrakt med JPL, som var intresserad av en spektrometer som kunde detektera nuklein- och aminosyror, organiska material som är grundläggande för allt känt liv. Sedan dess, Covina, Kalifornien-baserat företag har fått ett antal NASA SBIR, mestadels med JPL, samt finansiering från NASA-program som syftar till att utveckla instrument för planet- och astrobiologivetenskap.

Nu kommer rymdorganisationen att få den första stora avkastningen på sin långa investering i tekniken:Perseverance är utrustad med instrumentet Scanning Habitable Environments with Raman och Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), som använder en Photon Systems-laser för att upptäcka tidigare osynliga ledtrådar i sitt sökande efter tecken på tidigare liv på Mars.

Även om teamet inte förväntar sig att hitta bakterier på Mars, organiska ämnen som finns i den närliggande ytan kan identifieras med SHERLOC. På jorden, samma teknik kan användas för att identifiera organiska ämnen för en mängd andra ändamål.

Djupa UV-fotoner interagerar starkt med många material, speciellt sådana som innehåller organiska molekyler. Detta resulterar i högre detektionskänslighet och större noggrannhet jämfört med infraröda eller till och med synliga laserkällor.

Djup-UV-spektroskopi har gjorts i forskningslabb, men Hug och Reid kom på en konstruktion som var mycket mindre, enklare, och billigare att bygga än något befintligt alternativ. "Djupa UV-lasrar börjar på $100, 000. Det är därför de inte används i industrin, "Kram sa, noterar att laboratorieinstrument som använder tekniken kan ta upp tre laboratorietabeller och ta en månad att installera.

En stor utmaning har varit den perfektionsnivå som tekniken kräver. Samma känslighet som möjliggör små, Högenergivåglängder för att upptäcka även ett virus gör dem sårbara för de minsta defekter. En mikroskopisk defekt i en lins eller annan yta kan störa eller sprida dem, och Hug sa att det har tagit framsteg inom flera branscher för att uppfylla de nödvändiga standarderna.

Photon Systems fokuserar på två typer av spektroskopi där djup-UV-laserkällor ger stora fördelar jämfört med långvarig spektrometerteknologi, och SHERLOC kommer att använda båda. Fluorescensspektroskopi observerar ljuset som de flesta organiska och många oorganiska material avger när de exciteras av vissa ultravioletta våglängder, precis som tvättmedel som lyser under ett svart ljus. Var och en avger ett distinkt spektralt "fingeravtryck".

Raman spektroskopi, å andra sidan, observerar ljuset som en molekyl sprider, av vilka några kommer att skifta till olika våglängder på grund av interaktion med molekylära bindningsvibrationer inom provet. Dessa skiftningar i våglängd kan användas för att identifiera materialen i ett prov. De högre energirika fotonerna av UV-ljus framkallar en mycket starkare Raman-spridningssignal från organiska molekyler än lägre frekvensljus. Och eftersom djupt UV-ljus inte finns i naturlig fluorescens eller i solljus, att använda dessa mycket korta våglängder eliminerar störningskällor.

På senare år har företaget har börjat utveckla tekniken till produkter, inklusive handhållna sensorer och enheter som övervakar personlig exponering för föroreningar, samt labbutrustning. Deras största marknader är nu inom läkemedel, Livsmedelsbearbetning, och avloppsreningsindustrin, sa kram. Djup UV kan identifiera och mäta vissa föreningar vid mycket lägre koncentrationer än någon annan metod, erbjuder oöverträffad precision i kvalitetskontroll, oavsett om man mäter de aktiva ingredienserna i läkemedel eller ser till att maskiner och anläggningar är rena.

Vid rening av avloppsvatten, tekniken kan identifiera och mäta föroreningar, låter operatören skräddarsy behandlingsprocessen och spara energi för ozoninfusion och luftning. "För ett litet avloppsreningsverk, hela systemet betalar sig själv på mindre än en månad, " sa kram.

En applikation som militären har investerat i är att identifiera bakterier och virus. Att ta reda på vilka bakterier som finns i ett sår, till exempel, skulle hjälpa till att hitta rätt antibiotikum för att behandla det, snarare än att använda bredspektrumantibiotika som riskerar att orsaka läkemedelsresistens.

Och snabbt, prisvärd djup-UV-spektroskopi lovar medicinsk forskning, från diagnostik till att identifiera proteiner, peptider, och annat biologiskt material.

"NASA har varit en ständig följeslagare i vår resa hittills, och lasern är bara en del av historien, " sa Hug. "Det är också de djup-UV Raman och fluorescensinstrument som vi byggt för NASA och försvarsdepartementet under åren som nu ger genombrott för läkemedel, avloppsvatten, och vattenkvalitet i allmänhet, och nu kliniska tester för virus."

På Mars, SHERLOC kommer att leta efter organiska material och analysera mineralerna som omger alla möjliga tecken på liv så att forskare kan förstå deras sammanhang, sa Luther Beegle, huvudutredare för SHERLOC vid JPL. Detta kommer att ge mer information om Mars historia och även hjälpa till att identifiera prover för återkomst till jorden. Instrumentet, som också inkluderar en kamera som kan mikroskopisk avbildning, kommer att kunna kartlägga en stens mineraliska och organiska sammansättning i detalj, tillhandahåller massor av viktig data.

"Vi ska göra en helt ny mätning på Mars, " Sa Beegle. "Det här är något som aldrig ens har försökts förut. Vi tror att vi verkligen kommer att flytta nålen på Mars vetenskap och hitta några fantastiska prover att ta tillbaka."