Design study of a Lunar Environmental Atomic Force Microscope (LEAF) for an in-situ mission with the ESA Lunar Lander

Abstract

Diese Diplomarbeit ist Teil einer Designstudie für das Lunar Environmental Atomic Force Microscopy (LEAF), im Zuge des Lunar Dust Analysis Package für eine für 2018 geplante Roboter Mondlandemission, dem ESA Lunar Lander. Eines der Ziele dieser Mission ist es, möglicherweise gesundheitsschädlichen Mondstaub mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu analysieren. Bei einem AFM ist eine kleine Spitze an dem freien Ende eines Balken montiert welche die Probenoberfläche, mit einer Kraft im Pico-Newto-Bereich, abtastet und ein 3D Bild der Oberfläche bereitstellt. Es wurde experimentell gezeigt, dass es möglich ist mit Hilfe magnetischer Messmoden einzelne magnetischen Nanoteilchen, welche sich unter der Oberfläche befinden, zu abzubilden. Des Weiteren wurden verschiedene Möglichkeiten zur Probenpräparation von losen Teilchen im Mikro- und Nano-Meter-Bereich untersucht. Um die Abbildungsqualität zu steigern wurden Superspitzen mit Hilfe von Electron Beam-Induced Deposition (EBID) auf normalen AFM Spitzen aufgewachsen. Es wurden die zwei bereits existierenden Weltraum AFMs, dem First Atomic Force Microscope on Mars (FAMARS) und dem Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) verglichen. Das Design von LEAF basiert auf FAMARS. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde eine thermische, elektrische und mechanische Analysen von FAMARS durchgeführt. Dazu wurden unter anderem Lorentz und piezoelektrische Nanoaktoren verglichen und die Möglichkeit einer aktiven Temperaturstabilisierung des AFMs untersucht.<br />Im Zuge der theoretischen Untersuchungen werden einige Updates und Verbesserungen vorgeschlagen, um die Performanz des AFMs zu verbessern.

This thesis is part of the design study for a Lunar Environmental Atomic Force Microscopy (LEAF), which is part of the Lunar Dust Analysis Package (L-DAP) for an in-situ robotic moon mission with the European Space Agency (ESA) Lunar Lander, originally planed for 2018. Its goal is to analyze lunar dust in the micro- and nanometer scale, because of its potentially toxic behavior, and to btain the particle size distribution within this scale. Atomic Force Microscopy (AFM) is known to achieve this resolution by mechanically probing the sample with a micro machined tip. It is experimentally shown that AFM has the capability to analyze the nanometer sized magnetic and hazardous Nanophase iron particles, which are imbedded in the glassy rim of lunar dust (formed by space weathering), under the surface. Different methods for sample preparation of loose particles in the micro- and nanometer range are investigated. It is also shown how to build AFM super tips with a high aspect ratio for better imaging quality of samples with high aspect ratio. The two existing space borne AFMs, the First Atomic Force Microscope on Mars (FAMARS) from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) Phoenix Mars Mission, and the Micro-Imaging Dust Analysis System (MIDAS) from the ESA Rosetta mission to the comet 67P/Churyumov Gerasimenko, are compared. LEAF is based on the FAMARS design and therefore an analysis of the thermal, electrical and mechanical system of FAMARS is done.