Evolution of Plasmas and Shock Waves in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for Planetary Exploration

Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine Analysemethode zur Bestimmung der Elementzusammensetzung von Proben. Hierfür wird ein gepulster Laser auf die Oberfläche der Probe fokussiert, um ein wenig Probenmaterial zu verdampfen und ein Plasma daraus zu erzeugen, dessen Emissionsspektrum analysiert wird. Durch den hohen internen Druck des Plasmas expandiert es schnell und erzeugt, sofern das Plasma in einer Atmosphäre erzeugt wird, eine Schockwelle. Diese Schockwelle trägt Informationen über das Probenmaterial und die Atmosphäre. LIBS findet unter anderem in der Planetenforschung Anwendung. Dies wurde zum ersten Mal durch das LIBS-Instrument ChemCam im Jahr 2012 demonstriert, einem der Instrumente auf NASAs MSL Rover. Das zweite erfolgreiche LIBS-Instrument in der Weltraumforschung ist SuperCam, welches an Board von NASAs Mars 2020 Rover seit dem Jahr 2021 auf dem Mars Daten sammelt. Darüber hinaus ist es das erste weltraumtaugliche LIBS-Instrument, welches über ein Mikrofon zur Analyse der bei LIBS-Messungen erzeugten Schockwellen verfügt. Um die Entwicklung neuer LIBS-Instrumente für die Weltraumforschung zu unterstützen, beschäftigt sich die erste hier präsentierte Studie mit der Entwicklung des Plasmas in Abhängigkeit unterschiedlicher experimenteller Parameter. Insbesondere wird die Größe, Emission und Lebensdauer des Plasmas untersucht. Die zweite Studie befasst sich mit laserinduzierten Schockwellen in der Marsatmosphäre und hat das Ziel, unser Verständnis der Entwicklung der Schockwelle zu verbessern, sowie Einblicke zu liefern, die die Analyse von Aufnahmen der LIBS-Schockwellen verbessern können. Für diese Studie verwende ich eine Kombination unterschiedlicher diagnostischer Methoden, die zeitlich sowie räumlich kalibriert sind. Darüber hinaus präsentiere ich Ergebnisse einer numerischen Simulation, die die Interpretation der Labordaten unterstützen und deren Vergleich mit den Labordaten Grenzen von vereinfachten Simulationen aufzeigen.