POINT D’AVANCEMENT - CNES MOMA-GC POINT D’AVANCEMENT - CNES LISA, 10 Mars 2014

MOMA Martian Organic Molecules Analyser

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 Countries Mass, Kg PanCam (WAC + HRC) Panoramic camera system UK, D, CH F, I, A, USA 1,9 ISEM IR spectrometer for bulk mineralogy identification RUS 1,3 WISDOM Shallow ground-penetrating radar for subsurface stratigraphy F, D, N, USA B, I, E, UK 1,7 ADRON Passive neutron spectrometer for subsurface water CLUPI on drill box Close-Up Imager CH, F, CAN UK, D, I, B 0,7 Ma_MISS included in 2.0-m drill IR borehole spectrometer I P, PL MicrOmega Vis+IR imaging spectrometer F, CH, RUS I, D, UK 2,0 RLS Raman spectrometer E, F, UK D, NL, USA 2,6 MOMA LD-MS + Pyr-Der GC-MS for organics characterisation D, F, USA NL, S 13,3 SPDS : Chaine d’extraction de l’échantillon solide du sol (foreuse), de broyage pour le rendre poudreux et de distribution vers les instruments

Mars Organic Molecule Analyser 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 Chromatogram Chromatographic column Sample Principle of gas chromatography Chromatographic column 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) 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

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

Gas Flow MOMA-GC With GC-MS interface Version Redondée Splitter He Tank Exhaust C4 C5 V29 V9 V13 GCM1 V28 VSingleShot Vtank J8 J9 Reverse Flow V4 V18 M C1 V23 T1 GCM2 V16 V1 V30 V3 V26 V22 V8 J4 V10 J1 V20 Filters J6 V17 J2 J3 J11 T2 V24 V11 V14 C2 C3 V2 V5 V19 GCM3 V7 J7 J10 J5 V6 V25 GCM4 V12 V21 V15 V27 T : Trap, GCM : GC Module, V : Valve, J : Jonction, C : Connector

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 Pentane Oven Butane TIC signal TCD Column F. Goesmann, 5. February 2014 Hexane 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 "Direct" mode "Backflush" mode Step 1 Step 1 Sample Sample Trap (-30°C/0°C) Trap (-30°C/0°C) Step 2 Step 2 GC/MS GC/MS Trap (300°C) Trap (300°C)

MOMA AGM 2013- Greenbelt Nov 3-7, 2013 Chemical Derivatization : 3 different reagents

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