SERENA - Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances Experiment

SERENA ist ein Experiment zur Suche nach den natürlichen Quellen und der Untersuchung der freigesetzten Teilchen in der Exosphäre des Merkur. Es soll in-Situ die Zusammensetzung der Exosphäre, ihre vertikale Struktur und die Emissionsprozesse studieren, die die Exosphäre des Merkur bilden.

Das SERENA-Konsortium wird vom Principal Investigator Stefano Orsini (IFSI, Rom) geführt und besteht aus vier verschiedenen Sensoren:

ELENA (Emissions-Low-Energy Neutral Atoms)
Nachweis von neutralen Teilchen

MIPA (Miniature Ion Precipitation Analysator)
Vermessung der Magnetosphäre und der solaren Ionenflüsse

PICAM (Planetary Ion Camera)
Imaging-Massenspektrometer für Ionen planetaren Ursprungs

STROFIO (Start From A Rotating Field Mass Spectrometer)
Neutralteilchen-Spektrometer für thermische und niedrige Energien

BepiColombo MPO Planetary Ion Kamera (PICAM)

Die wichtigsten Beiträge des MPS zu SERENA sind die wissenschaftliche Unterstützung des Experiments und die Konstruktion der Hochspannungsversorgung (HV) für den PICAM-Sensor. Diese Spannungsversorgung ist sehr kompliziert, da ein Eingangsgitter den Ionenfluss unter Verwendung eines Algorithmus auf der Grundlage der Wahrscheinlichkeitstheorie (Hadamard-Algorithmus) bei hoher Frequenz ein- und auschalten soll, um eine Flugzeitmessung zu ermöglichen. Dies geschieht über einen Feld-Programmierbaren Array (FPGA) innerhalb des HV-Geräts. Im folgenden beschreiben wir Einzelheiten des PICAM-Sensors. Der MPS-Beitrag wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Max-Planck-Gesellschaft gefördert.

Wissenschaftliche Ziele

Eine der wichtigsten Fragen, die von der Mission BepiColombo untersucht werden sollen, ist die nach der Rolle der Oberfläche des Merkur als Quelle für exosphärische Neutralteilchen und magnetosphärische Ionen. Durch die Vermessung von Ionen relativ niedriger Energien vom thermischen bis zum keV-Bereich bietet PICAM die Möglichkeit, Informationen über die Zusammensetzung der Oberfläche zu erhalten und die Effizienz der verschiedenen Emissionsprozesse zu bestimmen.

 

 

Die Hauptziele von PICAM sind im Folgenden aufgeführt:

•   Prozesse, durch die Neutralteilchen von der Oberfläche des Merkur ausgestoßen werden
•   Globale Verteilung der chemische Zusammensetzung der Oberfläche
•   Bestimmung des atomaren Emissionsflusses von der Oberfläche des Merkur und Vermessung des Ionenrückflusses zur Oberfläche
•   Nachweis einer Ionosphäre und Bestimmung der Plasma-Konvektion in der Umgebung des Merkur
•   Aufbau der Merkur-Magnetosphäre und Analyse der Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind
•   Eigenschaften der Sonnenwind-Strömung um den Planeten

Technische Daten

Das PICAM (Planetary Ion Camera)-Massenspektrometer arbeitet wie eine All-Sky-Kamera für geladene Teilchen, die die Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung und des Massenspektrums für Ionen über eine ganze Halbkugel erlaubt. Dies erfolgt für Ionenenergien im thermischen Bereich und bis zu 3 keV über den Massenbereich bis zu ~ 132 amu (Xenon). Mit diesen Daten und einer Massenauflösung von mehr als ~ 60 m/dm ist das PICAM-Spektrometer bisherigen Massenspektrometern im Weltraumeinsatz weit überlegen.

Energiebereich 1 eV - 3 keV
Energie Auflösung dE / E = 7%
Blickwinkel 1.5 pi
Winkelauflösung 22 deg
Massenauflösung m / dm > 60
Optimale zeitliche Auflösung 10 sec
Geometrische Faktor G 0,023 cm^2 ster

Elektronisches Block-Diagramm

Bisheriger Instrumentbetrieb

Die SERENA-Instrumente wurden nach dem Start von BepiColombo im Oktober 2018 wiederholt erfolgreich betrieben und getestet. Im April 2020 wurden bei einem Vorbeiflug der Sonde an der Erde die ersten wissenschaftlichen Messungen im Bereich der Erd-Magnetosphäre gewonnen. Der nächste wissenschaftliche Betrieb der Instrumente ist während zwei Vorbeiflügen an der Venus am 15. Oktober 2020 und am 11. August 2021 vorgesehen.

Weitere Informationen über das SERENA-Experiment findet man in:

Orsini, S. et al., SERENA: A suite of four instruments (ELENA, STROFIO, PICAM and MIPA) on board BepiColombo-MPO for particle detection in the Hermean environment, Planetary and Space Science, 58, 166-181, 2010

Orsini, S. et al., SERENA: particle instrument suite for Sun-Mercury interaction on board BepiColombo, Space Science Reviews, 2020, submitted