Dùng "kính hiển vi điện tử quét" để tìm kiếm vật mẫu sinh học trên sao Hỏa

Một trong những mục tiêu cuối cùng của chuyến thăm dò sao Hỏa là mang được các vật mẫu từ trên bề mặt sao Hỏa về Trái đất, đặc biệt những mẫu vật này có thể kiểm tra làm bằng chứng chứng minh có sự sống tồn tại trên hành tinh Đỏ.

Để thực hiện được một nhiệm vụ như vậy sẽ rất tốn kém và các vật mẫu có nguy cơ nhiễm xạ trong cuộc hành trình trở về Trái đất. Vì vậy, các nhà khoa học lựa chọn việc phân tích các vật mẫu trong môi trường sống tự nhiên của chúng trên sao Hỏa, trước khi mang về Trái đất để nghiên cứu thêm. Phòng thí nghiệm Sao Hỏa (Mars Science Lab - MSL) và Rover sao Hỏa khác đang nghiên cứu các vật mẫu ngay trên sao Hỏa bằng một loạt các công cụ đưa ra hình ảnh và đánh giá hóa học cơ bản về các vật mẫu khác nhau trên sao Hỏa. Tuy nhiên, chỉ có một vài công nghệ kỹ thuật có thể xác định được rõ ràng rằng sự sống có tồn tại trên hành tinh Đỏ hay không.

Đây là hình ảnh kính hiển vi điện tử quét cho thấy điểm đặc trưng hình phỏng cầu (vòng tròn) trên Yamato 000.593 - một thiên thạch được tìm thấy trên Trái đất có nguồn gốc từ sao Hỏa. Các điểm đặc trưng được tìm thấy nằm trong một lớp iddingsite - một loại khoáng chất được tạo ra trong nước. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ mang được kính hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao lên bề mặt sao Hỏa. (Nguồn ảnh: NASA).

Ở hành tinh Trái đất, các nhà khoa học đã sử dụng một dụng cụ để kiểm tra sự sống và các vật mẫu sinh học khác, đó là một kính hiển vi điện tử quét khí quyển hoặc môi trường (ASEM hoặc ESEM). Các ESEM có khả năng chụp ảnh với độ phân giải cao hơn so với 10 nanomet, hoặc khoảng một phần nghìn độ rộng trên sợi tóc của con người, và cũng có khả năng xác định được các thành phần của vật mẫu giống nhau. Trái lại, tính thương mại của các ESEM thường rất lớn và "thèm khát quyền lực". Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu đã đảm nhận thử thách bằng một tiểu ESEM, làm cho nó phù hợp với các hoạt động tiến hành ngay trên sao Hỏa.

Một nhóm nghiên cứu của NASA thử nghiệm các kỹ thuật có thể được sử dụng cho các phi hành gia trên sao Hỏa. Các nhiệm vụ mang vật mẫu trở về Trái đất sẽ giúp xác định những địa điểm trên sao Hỏa có thể thăm dò một cách an toàn. (Nguồn ảnh: NASA).

Việc thu nhỏ biến áp kính hiển vi điện tử quét (Miniaturized Variable Pressure Scanning Electron Microscope - MVP-SEM) là một dự án do NASA tài trợ dựa trên các khái niệm mà có thể được sử dụng trên Trạm vũ trụ quốc tế và Mặt trăng. Mục tiêu tiếp theo là tạo ra một dụng cụ kiểu - ESEM này sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu địa chất của sao Hỏa và tìm các vi khuẩn trên bề mặt của sao Hỏa, trong một số nhiệm vụ chưa xác định được.

"Việc thực hiện khả năng này bằng một cỗ xe rover hoặc tàu đổ bộ, không chỉ giúp chúng tôi có thể chọn lựa được các vật mẫu tốt hơn mang về trái đất, mà còn có thể tiến hành chụp các hình ảnh chất lượng cao và phân tích ngay trên sao Hỏa - không có nguy cơ ô nhiễm từ một vật mẫu mang về Trái đất để nghiên cứu, "Jessica Gaskin, người nghiên cứu chính trong dự án cho biết.

Dự án này được trình bày tại Hội nghị Khoa học hành tinh và mặt trăng vào đầu năm 2016. Nó được tài trợ bởi chương trình Khái niệm dụng cụ hành tinh của NASA dành cho sự tiến bộ trong việc quan sát hệ mặt trời (PICASSO).

Sự phát triển của các dụng cụ

Biến áp quét kính hiển vi điện tử hoặc khí quyển được dùng trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến địa chất học. Dụng cụ đặc biệt được NASA tài trợ sẽ giúp nghiên cứu các tài liệu địa chất theo một cách - giữ nguyên vẹn các vật mẫu. Bởi quá trình này không phá hủy các vật mẫu, sau đó có thể phân tích được bằng các dụng cụ khác và vì vậy, để có một bức tranh hoàn chỉnh hơn được hình thành từ nguồn gốc các mẫu vật và có thể phát triển.

Các dụng cụ này sẽ chụp những bức ảnh độ phân giải cao (tốt hơn so với 50 nanomet) và Phổ tán sắc năng lượng (Energy Dispersive Spectroscopy - EDS), hoặc lập bản đồ hóa học để xác định rõ các thành phần hóa học. Những SEM có trường ảnh độ sâu lớn với khả năng quan sát một vật chất mẫu lớn và không yêu cầu các vật mẫu phải được chuẩn bị trước trong thời gian thử nghiệm, mà đơn giản hóa các hoạt động cho một rover làm việc xa con người.

"Phần chính của công nghệ cụ thể này sẽ sử dụng khí quyển sao Hỏa như khí trong hình ảnh của chúng tôi. Điều này giúp chúng ta quan sát được chất liệu (dẫn điện và không dẫn điện) các mẫu vật "để trần" trong môi trường tự nhiên của chúng", Gaskin cho biết.

Lời phê bình các sinh vật học vũ trụ là xu hướng tìm kiếm sự sống dựa trên carbon quen thuộc sẽ phát triển mạnh khi có sự hiện diện của nước. Một chiến lược mở rộng việc tìm kiếm sự sống là để tìm một số loại mất cân bằng trong môi trường xung quanh, không thể dễ dàng giải thích bằng vật lý hay hóa học. Ví dụ, nếu một số lượng lớn silic được tìm thấy trong một môi trường cụ thể thì cách giải thích đó có thể là sự hiện diện của cuộc sống. Các quang phổ sẽ có khả năng phát hiện ra sự mất cân bằng trong môi trường.

"Dụng cụ này cũng sẽ cung cấp đầy đủ hình ảnh có độ phân giải cao để xác định dấu hiệu cơ thể sống," Jennifer Edmunson, nhà khoa học tham gia dự án MVP-SEM nói.

Robot Curiosity rover đang làm việc ở khu vực Gale Crater trên sao Hỏa. Mục tiêu chính trong chương trình sao Hỏa của NASA là tìm kiếm các khu vực có sự sống ở trong quá khứ và hiện tại. (Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech / MSSS).

Một ví dụ là việc tìm kiếm protein từ vi khuẩn, chẳng hạn như Pyrobaculum aerophilum, một loại vi khuẩn phát triển mạnh trong nước sôi. "Mục tiêu phát triển dụng cụ của chúng tôi là để có thể phân biệt được các hợp chất như canxi oxalat (dấu hiệu cơ thể sống tiềm năng) từ cacbonat canxi", Edmunson cho biết thêm.

Các vi khuẩn sống được trong môi trường khắc nghiệt trên Trái đất thường sử dụng tại các mô hình lý thuyết vi sinh vật rằng chúng có thể tồn tại trong vùng nước mặn, lạnh cóng của hành tinh sao Hỏa. Ngoài ra, trong trường hợp bất kỳ dạng sống có thể tiếp xúc trên một số bề mặt vật mẫu, chẳng hạn như bào tử khô - giống như dạng sống, các thiết bị của chúng tôi có thể chụp được hình ảnh để giải thích làm sáng tỏ và nghiên cứu.

MVP-SEM sẽ sử dụng một máy dò điện tử thứ cấp để giúp các nhà khoa học tìm hiểu về các đặc trưng riêng trên bề mặt bằng kính hiển vi, cũng như một máy dò điện tử tán xạ ngược cung cấp thông tin về thành phần và cấu tạo của một vật mẫu. Máy dò EDS cũng được sử dụng để nghiên cứu các thành phần hóa học.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tìm cách xác định tối ưu các hoạt động trong bầu không khí giàu carbon dioxide của sao Hỏa, sau đó một mẫu thử nghiệm sẽ được phát triển và thử nghiệm trong phòng có môi trường giống trên sao Hỏa tại JPL. Những người tham gia chính trong nghiên cứu này khác so với MSFC, bao gồm Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực (Jet Propulsiom Laboratory - JPL), Creare, Ứng dụng công nghệ vật lý (Applied Physics Technologies), Đại học Case Western Reserve và cố vấn Tiến sĩ G. Danilatos (người tiên phong của SEM không khí hoặc môi trường).

Sau khi nghiên cứu PICASSO được hoàn thành, nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục phát triển các dụng cụ khác thông qua dụng cụ tiến bộ do NASA tài trợ trong thăm dò hệ Mặt trời (MatlSSe), là một phần trong cơ quan nghiên cứu về các cơ hội trong chương trình không gian và khoa học Trái đất.