Charakterisierung laserinduzierter Plasmen unter simulierten Bedingungen ausgewählter Himmelskörper

• Antragsteller: Dr. Igor B. Gornushkin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Analytische Chemie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511798845

Die Erforschung naher Himmelskörper stellt ein anhaltendes Interesse für verschiedene Techniken/Forschungsfelder dar. Dies beinhaltet geologische Untersuchungen, insbesondere die Elementaranalyse der Oberfläche von z. B. Mars, Mond und sogar von Asteroiden. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Strategien entwickelt, unter denen sich die Technik der laserinduzierten Aufschlüsselungsspektroskopie (LIBS) als eine der bequemsten Vorgehensweisen erwiesen hat. Die Verwendung von LIBS in Remote- und sogar Abstandsanwendungen wird durch seine Essenz ermöglicht, indem ein Laserimpuls auf die Probenoberfläche fokussiert wird, ein Bruchteil des Zielmaterials abgetragen wird, ein Plasma induziert wird und seine optische Emission für weitere spektroskopische Untersuchungen gesammelt wird. Die Laser-Materie-Wechselwirkungen und die daraus resultierende Laserablation werden jedoch maßgeblich durch physikalische/chemische Matrixeffekte der untersuchten Probe und experimentelle Parameter, inkl. die Umgebungsbedingungen (Puffergas im Labor, Atmosphäre oder Ultrahochvakuum auf Himmelskörperoberfläche) auf den betrachteten Himmelskörpern. Um eine zuverlässige LIBS-Analyse bereitzustellen, ist es zwingend erforderlich, die Prozesse der Ablation, Plasmabildung und deren Entwicklung zu verstehen. Das Hauptziel des Projekts ist die Beschreibung der genannten Prozesse in Bezug auf die Umgebungsbedingungen dieser Himmelskörper. Die Neuheit des Projekts lässt sich wie folgt zusammenfassen. A) Neuartige Ansätze in der Korrelation von charakteristischen Signalen (z. B. Darstellung von Plasmaform und -heterogenität, Geschwindigkeit der Stoßwellenausdehnung) zur genaueren Beschreibung (z. B. Temperatur- und Elektronendichteverteilung innerhalb des Plasmavolumens) der räumlich-zeitlichen Entwicklung des LIP-Modells und deren Vergleich mit numerischen Modellen. B) Ein auf maschinellem Lernen basierender Ansatz, der die Übertragung der unter erdähnlichen Bedingungen gewonnenen LIBS-Daten auf mars- und mondähnliche Bedingungen ermöglicht, der über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht. C) Innovative Anwendung der zeitaufgelösten FTIR-Spektrometrie zur LIP-Charakterisierung, die detaillierte Informationen über die atomaren und molekularen Spezies liefert, die sich im Ablationsplasma bilden (mit der Fähigkeit, die Rotationsschwingungsübergänge mehrerer überlappender Molekülbänder sowie die Hyperfeinstruktur von Atomen aufzulösen Spektrallinien). D) Das Plasmamodell, das chemische Umwandlungen in der Plasmafahne berücksichtigt und die Vorhersage von Plasmaemissionsspektren ermöglicht, die direkt mit dem Experiment vergleichbar sind, ist einzigartig und neuartig. Es wird die Optimierung komplex miteinander verflochtener experimenteller Parameter ermöglichen, ohne langwierige und zeitaufwändige Optimierungsexperimente durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Mitverantwortlich: Dr. Jens Riedel
• Kooperationspartner: Dr. Petr Kubelik, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Pavel Porizka, Ph.D.