COSIMA - Cometary Secondary Ion Mass Analyzer

COSIMA ist eines der wissenschaftlichen Instrumente an Bord der ESA-Raumsonde Rosetta und untersucht die Staubumgebung in der inneren Koma des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. COSIMA führt analytische Messungen an aufgesammelten einzelnen Staubkörnchen durch. Diese werden zuvor vom COSIMA-Staubsammler eingefangen. 

COSIMA ist ein Sekundärionen-Massenspektrometer (SIMS), das mit Staubsammlern, einer Ionenquelle und einem optischen Mikroskop ausgerüstet ist. SIMS ist eine analytische Messmethode und ermöglicht die Vermessung der chemischen Zusammensetzung der Staubkörnchenoberflächen. In einer Messung werden gleichzeitig die organischen und mineralogischen Komponenten charakterisiert.

Wissenschaftliche Ziele

Hauptziel von COSIMA ist es, die physikalische und chemische Zusammensetzung des Staubes in der Koma des Kometen zu untersuchen sowie die Prozesse, die sich im Kern, an seiner Oberfläche und in seiner Umgebung abspielen. Mit COSIMA wird die Zusammensetzung unterschiedlicher Staubteilchen charakterisiert, die in verschiedenen Aktivitätsphasen und auch an verschiedenen Orten auf der Kometenoberfläche freigesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich untersuchen, wie die Mineralogie, die chemischen Eigenschaften und die Zusammensetzung der Teilchen von diesen Faktoren abhängen.

Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele sind:

• Charakterisierung der Staubteilchen, die vom Kern des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko freigesetzt werden; Bestimmen aus welchen Molekülen, Elementen und Isotopen sich diese Staubteilchen zusammensetzen
• Aufsammeln und Analyse von Staub, der in Phasen unterschiedlicher Kometenaktivität emittiert wird über einen Zeitraum von mehren Monaten
• Untersuchen der mineralogischen und chemischen Eigenschaften der Staubteilchen vor dem Hintergrund der chemischen Entwicklung unseres Sonnensystems
• Organische Substanzen als mögliche relevante Ausgangsmaterialien für komplexere organische Verbindungen auf der frühen Erde
• Bedeutung der anorganischen und mineralischen Komponenten des Kometenstaubes für die Entwicklung der Erde und ihrer Chemie

Das Instrument

COSIMA ist ein Sekundärionen-Flugzeit-Massenspektrometer, das mit einem Staubsammler, einer Primärionenquelle und einem optischen Mikroskop (COSISCOPE) ausgerüstet ist. Sobald ein Staubsammler in der Kometenkoma exponiert war, wird dieser in COSISCOPE abgebildet. Die Auflichtbeleuchtung des Mikroskops, die den Kometenstaub auf den Staubsammler unter einem sehr flachen Winkel streift, wurde mit roten Leuchtdioden realisiert. Staubteilchen, deren Durchmesser mehr als 20 Mikrometer betragen, werden erkannt und ihre Positionen in Bezug auf den Referenzpunkt berechnet. Sobald feststeht, dass interessante Teilchen gefunden wurden, wird der Staubfänger vor das Massenspektrometer geschoben. Ein gepulster Strahl aus Indium-115 Ionen (Pulsbreite: 3 Nanosekunden, Energie: 8 keV, Durchmesser des Strahls: 50 Mikrometer) aus der Primärionenquelle trifft nacheinander auf die ausgewählten Positionen. Sekundärionen, die aus der Oberfläche der Staubteilchen herausgeschlagen werden, werden mit Hilfe einer Extraktionslinse in den Teil des Instrumentes überführt, der die Flugzeit bestimmt.

Die Flugzeit jedes Ions wird mit einer Genauigkeit von 2 Nanosekunden gemessen. Die hohe Massenauflösung des Instrumentes von etwa 1500 bei 100 amu ist nur gewährleistet, wenn die Primärionenpulse exakt zum richtigen Zeitpunkt auf die Probe treffen, die Spannungen des Massenspektrometers richtig gewählt sind und die Flugzeit der Sekundärionen akkurat gemessen wird. Von jedem Staubkorn werden diese Massenspektren gespeichert und anschließend von Rosetta zur Erde gefunkt.

Betrieb

Das Instrument wurde im April und Juli 2014 wieder in Betrieb genommen und von August 2014 bis September 2016 neben dem Kometenkern betrieben. Es sammelte mehr als 20.000 Massenspektren von mehr als 30.000 Teilchen und Teilchenfragmenten in der wissenschaftlichen Phase von Rosetta am Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Das Team

COSIMA wurde von einem Konsortium unter der Leitung von Jochen Kissel am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (Garching, Deutschland) in Kolllaboration mit dem Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace, CNRS / Université d’Orléans (France), Institut d'Astrophysique Spatiale, CNRS / Université Paris Sud (Orsay, France), dem Finnish Meteorological Institute (Helsinki, Finnland), der Universität Wuppertal (Wuppertal, Deutschland), der von Hoerner und Sulger GmbH (Schwetzingen, Deutschland), der Universität der Bundeswehr (Neubiberg, Deutschland), dem Institut für Physik, Forschungszentrum Seibersdorf (Seibersdorf, Österreich), dem Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften (Graz, Österreich) entwickelt und gebaut. Es wird geleitet vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (Göttingen, Deutschland).

Wir sind dankbar für die langjährige Unterstützung der nationalen Weltraumagenturen Deutschlands (DLR), Frankreichs (CNES) sowie Österreichs, Finnlands und dem ESA Technical Directorate, ohne welche das COSIMA Instrument nicht möglich gewesen wäre.

Wir danken ganz besonders dem Rosetta Science Ground Segment bei der ESAC (Madrid, Spanien), dem Rosetta Mission Operations Centre bei der ESOC (Darmstadt, Deutschland) und dem Rosetta Project bei der ESTEC (Noordwijk, Niederlande) für ihre außerordentliche Unterstützung, ohne welche die Wissenschaft der Mission Rosetta und des Instrumentes COSIMA nicht möglich wäre.