MOMA-10 mars 2014

Report
MOMA-GC
POINT D’AVANCEMENT - CNES
LISA, 10 Mars 2014
1
MOMA
Martian Organic Molecules Analyser
2
ExoMars vs MSL
• Missions très proches dans leurs objectifs mais
MSL est NASA et ExoMars ESA (+ ROSCOSMOS) …
– Rover Curiosity de classe 900Kg
– Rover Européen de classe 300Kg
– Principale restriction à la détection de composés
organiques sur Mars via MSL : Analyse de la surface et
de l’Atmosphère (or très forte oxydation)
– C’est pourquoi ExoMars a une foreuse pouvant
creuser à deux mètres de profondeur
– Sinon techno différentes : RHU vs Panneaux Solaires,
etc.
ExoMars 2018 : Rover avec foreuse sur Mars
Instrument Name
Description
PanCam (WAC + HRC)
Panoramic camera system
ISEM
IR spectrometer for bulk
mineralogy identification
WISDOM
Shallow ground-penetrating
radar for subsurface
stratigraphy
ADRON
Passive neutron spectrometer
for subsurface water
CLUPI on drill box
Close-Up Imager
Ma_MISS included in
2.0-m drill
IR borehole spectrometer
MicrOmega
RLS
Countries
Mass, Kg
UK, D, CH
F, I, A, USA
1,9
RUS
1,3
F, D, N, USA
B, I, E, UK
1,7
RUS
1,7
CH, F, CAN
UK, D, I, B
0,7
I
P, PL
0,7
Vis+IR imaging spectrometer
F, CH, RUS
I, D, UK
2,0
Raman spectrometer
E, F, UK
D, NL, USA
2,6
LD-MS + Pyr-Der GC-MS for
D, F, USA
13,3
MOMA
NL, S
organics
characterisation
SPDS : Chaine d’extraction de l’échantillon solide du sol (foreuse), de broyage pour le rendre
poudreux et de distribution vers les instruments
MOMA : GC/LD MS
Mars Organic Molecule Analyser
• Instrument Principal de la Charge Utile pour la
question de la présence de traces de vie passées
ou présentes à la surface et sub-surface de Mars
• Spectromètre de Masse couplé soit à un
Chromatographe en Phase Gazeuse soit a un
Laser (pour faire de la désorption).
• 32 fours permettent l’analyse d’échantillons
solides par GC-MS (et dérivatisation)
• Un réservoir ré-emplissable permet de faire du
LD-MS d’échantillon solides
MOMA : Présentation
MOMA : Organisation
• MPS (Allemagne) : Laser, Fours, TS
– Fred Goesmann (PI)
– Olaf Roders (CdP)
– Eckhard Steinmetz (IS)
• Goddard-NASA (US) : MS and Main Electronic
– Paul Mahaffy, will Brinckerhoff : Instrument Managers
• LISA/LATMOS (France) : GC
– Francois Raulin (PI), Cyril Szopa (Co-PI)
– Noël Grand (CdP et IS)
MOMA Modules and Responsibilities
F. Goesmann, 5. February 2014
MOMA-GC : le Principe
Chromatographic column=tube where the separation occurs (core of the GC)
Stationary phase
Sample
Chromatographic
column
Chromatogram
Principle of gas chromatography
Parameters controlling the separation:
 nature of the compounds to analyze
 nature of the stationary phase (selectivity)
 columns dimensions (length (L), internal
diameter (ID), stationary phase thickness (df))
 operating conditions (temperature,
pressure drop)
Chromatographic column
Efficiency, resolution
(power of separation)
Pas de colonne universelle en CPG =>
Utilisation de 4 colonnes complémentaires
Restek Q-Bond or U-Bond
Séparation des hydrocarbures en C1-C4, des composés inorganiques
soufrés et d’autres composés inorganiques
Restek MXT-5
Séparation des composés organiques y compris des hydrocarbures
de PM moyen, de composés moyennement polaires , de composés
semi volatils et des composés dérivatisés
Restek CLP
Séparation de composés organiques polaires de PM élevé
Agilent CP-Chirasil-Dex-CB column
Séparation d’énantiomères
11
MOMA-GC : le détecteur
Detector development
this TCD is a Varian product, already
miniaturized and spatialized for the
COSAC Experiment onboard the
ROSETTA Mission (ESA)
Detection limit in the order of 1 ppm
MS
Gas Flow MOMA-GC
With GC-MS interface
Version Redondée
He
Tank
Splitter
Exhaust
V9
Vtank
M
V4
V23 V1
T2
V2
V5
V16
V30
V10
V20
V24
V19
J11
V11
V6
V25
V14
GC
M3
V7
J7
J5
J10
GC
M4
V12
V15
J9
J6
J3
C5
V28
GC
M2
V22 V8
J4
Filters
C3
V13
J8
Reverse Flow
T1
J2
C2
V18
V3 V26
J1
V29
GC
M1
VSingleShot
C1
C4
V21
V27
T : Trap, GCM : GC Module, V : Valve, J : Jonction, C : Connector
V17
GC FM Design
Consolidated design :
- Structural Simulations ok,
- Thermal Simulations ok,
- Electronic Design Ready
Valves Mitigation :
- HsG Valve Base line
(vibration tests done,
thermal one in
february)
- Vibration tests done at
MPS (december 2013)
- New concept in study
- Decision point in
February
Derivatisation Capsule
Qualification in
Progress
F. Goesmann, 5. February 2014
MOMA : Prototype
GC-MS Brassboard Coupling
GC-MS Testing Feb. 2013
• First end-to-end demonstration of functional
performance of entire MOMA suite (oven, split
manifold, GC and MS brassboards)
• Gas and liquid calibration compounds
successfully separated and detected
• Implementation of automatic gain control tested
for EI mode of operation
• Effect of GC trap temperature and saturation on
background measured
• Detection limit of end-to-end system determined
MS
GC
Split Manifold
Total Ion Chromatogram
Selected Ion Chromatograms
Hexane
Benzene
AGC trace
Oven
Pentane
Butane
TIC signal
TCD
Column
F. Goesmann, 5. February 2014
Hexane
16/14
Trap
Benzene
Separation of hydrocarbon mixture on the GC brassboard 6 and GB2 MS brassboard
MOMA AGM 2013- Greenbelt Nov 3-7, 2013
2 traps (Tenax) used in « Direct » or « Backflush » mode
Step 1
"Direct" mode
Step 1
"Backflush" mode
Sample
Sample
Trap
(-30°C/0°C)
Trap
(-30°C/0°C)
Step 2
Step 2
GC/MS
Trap
(300°C)
GC/MS
Trap
(300°C)
MOMA AGM 2013- Greenbelt Nov 3-7, 2013
Chemical Derivatization : 3 different reagents
Derivatisation
Type
MTBSTFA /
DMF
DMFDMA
TMAH (Thermochemolysis)
Advantage
Strong derivative reagent.
Sensitive reaction.
Reacts with a wide range of organic
compounds
Relatively stable to hydrolysis.
Chiral separation with chiral columns.
React with alkylates carboxyl groups,
amines, amino acids and phenol.
Compatible with pyrolysis experiment.
Rapid reaction.
Reacts with macromolecules and a wide
range of organic compounds.
Not inhibited by water
Drawback
Presence of byproducts.
Could be inhibited by water
if not in excess.
Hydroxyl groups are not
methylated
Some difficulty of spectra
interpretation could be
encountered.
22
4300 -2700: From prebiotic
chemistry to life
From Bibring et al, Science, 2006
Le sol martien a été analysé en détail par les instruments des 2 sondes Viking, à
partir de 1976, récemment par les instruments de Phoenix et actuellement de MSL.
 Aucun signe clair et non ambigü d’une vie présente ou passée n’a été trouvé
 Aucune trace de composé organique volatil n’a été clairement mise en évidence.
 Or, la matière organique doit être présente sur Mars (météorites etc.. )
Les données recueillies par les nombreuses missions qui ont exploré Mars depuis
Viking, montrent des régions très sèches depuis 3 milliards d’années – contrastées
avec les régions humides (lits fluviatiles, sulphate minéraux signes de la présence
de composés soufrés dissous dans l’eau liquide, etc).
 Nécessité d’explorer ces dernières et d’y rechercher les matériaux organiques
(abiotique ou biotique) ou des biominéraux.
Seuls les 1er cm du sol ont été analysés et les données suggèrent la présence
d’oxydants puissants dans le sol
 nécessité de tenir compte de ces données pour les futures missions
 nécessité d’avoir accès aux échantillons plus profonds
Présence de composés réfractaires produits par l’oxydation
 nécessité d’utiliser une pyrolyse à plus haute température que Viking
 ou des techniques de dérivatisation chimique

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