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PrototypEntwicklung für Standards zur Korrektur/Kalibrierung von XRFMessungen im Weltraum Anne Dreißigacker betreut durch betreut durch Stephan van Stephan van Gasselt Gasselt & & Ralf Ralf Milke Milke

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Prototyp‐Entwicklung für Standards zur 

Korrektur/Kalibrierung von XRF‐Messungen im Weltraum

Anne Dreißigacker

betreut durch betreut durch 

Stephan van Stephan van GasseltGasselt && Ralf Ralf MilkeMilke

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RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometrieSpektrometrie

FFüür welche Missionr welche Mission

Warum ist Warum ist KalibrationKalibration nnöötig?tig?

Anforderungen an die ProbeAnforderungen an die Probe

MethodenMethoden

Ausblick: Was ist zu tunAusblick: Was ist zu tun

GliederungGliederung

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RRööntgenfluoreszenzstrahlungntgenfluoreszenzstrahlungAuftreffen hochenergetischer Strahlung auf AtomeAuftreffen hochenergetischer Strahlung auf Atome

Elektronen werden angeregt, aus ihrer Schale in hElektronen werden angeregt, aus ihrer Schale in hööhere Schalen zu springenhere Schalen zu springen

Elektronen werden aus ihren Schalen herauskatapultiertElektronen werden aus ihren Schalen herauskatapultiertElektronen der inneren Schalen Elektronen der inneren Schalen →→ niedriges Energieniveau niedriges Energieniveau Elektronen der Elektronen der ääuußßeren Schalen eren Schalen →→ hohes Energieniveauhohes Energieniveau

wird ein Elektron aus einer inneren Bahn geschossen, wird es durwird ein Elektron aus einer inneren Bahn geschossen, wird es durch ein ch ein Elektron aus einer Elektron aus einer ääuußßeren Bahn ersetzteren Bahn ersetzt

die die üüberflberflüüssige Energie wird als charakteristische Rssige Energie wird als charakteristische Rööntgenstrahlung abgegebenntgenstrahlung abgegeben

Elektronenschalen und Energieniveau‐Sprünge im Calcium‐Atom (H. Midtiby, 2008)

die Wellenldie Wellenläänge der charakteristischen nge der charakteristischen RRööntgenstrahlung ntgenstrahlung λλ entspricht der Energiedifferenz entspricht der Energiedifferenz zwischen den elementspezifischen Energieniveaus der zwischen den elementspezifischen Energieniveaus der beteiligten Elektronenschalen des Atoms beteiligten Elektronenschalen des Atoms 

die Intensitdie Intensitäät der charakteristischen Rt der charakteristischen Rööntgenstrahlung ntgenstrahlung I ist proportional zur Konzentration des Elements und I ist proportional zur Konzentration des Elements und zur Energie der auftreffenden hochenergetischen zur Energie der auftreffenden hochenergetischen StrahlungStrahlung

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RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometerSpektrometer

FunktionsunterschiedeFunktionsunterschiedeWellenlWellenläängendispersivengendispersive DetektionDetektion (WDXRF)(WDXRF)

EnergiedispersiveEnergiedispersive DetektionDetektion (EDXRF) (EDXRF) 

Vakuum

Strahlungs‐quelle

Detekto

r

Probeeinfacherer Messaufbaueinfacherer Messaufbau

ffüür mobilen Einsatz geeignetr mobilen Einsatz geeignet

ffüür  Weltraumeinsatz geeignetr  Weltraumeinsatz geeignet

terrestrische terrestrische XRFXRF‐‐BeispieleBeispiele: : 

XRFXRF‐‐GroGroßßgergeräätt ffüür die r die Laboranalyse Laboranalyse →→ RigakuRigaku ZSX100e ZSX100e XRF XRF 

XRFXRF‐‐TunnelTunnel‐‐ScanScan GerGeräät ft füür r Bohrkerne Bohrkerne →→ portable portable SpectroSpectroXeposXepos AnalyserAnalyser

RucksackRucksack‐‐XRFXRF→→ XX‐‐METMET‐‐880 880 FieldFieldPortablePortable

Funktionsskizze eines Funktionsskizze eines energiedispersivenenergiedispersiven XRFXRF‐‐SpektrometersSpektrometers (ohne Datenaufbereitung)(ohne Datenaufbereitung)

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RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometerSpektrometer im im WeltraumWeltraum

hochenergetische Strahlung hochenergetische Strahlung Strahlenquelle: GammaStrahlenquelle: Gamma‐‐, R, Rööntgenntgen‐‐ und UVund UV‐‐Strahlung der SonneStrahlung der Sonne

atmosphatmosphäärenlose Krenlose Köörper wie der Mond werden kontinuierlich rper wie der Mond werden kontinuierlich hochenergetischer Strahlung ausgesetzthochenergetischer Strahlung ausgesetzt

ststäändige Anregung der Oberflndige Anregung der Oberfläächecheststäändige Emission charakteristischer Rndige Emission charakteristischer Rööntgenstrahlungntgenstrahlung

im Weltraum herrscht ein hochreines Vakuumim Weltraum herrscht ein hochreines Vakuumgleichzeitiges Messen der Intensitgleichzeitiges Messen der Intensitäät und der Wellenlt und der Wellenläänge durch nge durch einen einen SCDSCD‐‐DetektorDetektor ((SweptSwept Charge Charge DeviceDevice))

ein SCD aus vielen ein SCD aus vielen planarplanar angeordneten Einzelzellen, es wird die Anzahl der angeordneten Einzelzellen, es wird die Anzahl der auftreffenden Photonen und ihre Energie gemessenauftreffenden Photonen und ihre Energie gemessen

Prinzip der RPrinzip der Rööntgenfluoreszenz (zusammengestellt durch ntgenfluoreszenz (zusammengestellt durch Fabel und KFabel und Kööhler)hler)

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XRFXRF‐‐SpektrometerSpektrometer im Weltraumim Weltraum

Apollo 15 & Apollo 16 (Mond)Apollo 15 & Apollo 16 (Mond)KaguyaKaguya / SELENE (Mond)/ SELENE (Mond)ChandrayaanChandrayaan (Mond)(Mond)ChangChang‘‘ee ‐‐1 1 (Mond)(Mond)SMARTSMART‐‐1 (Mond)1 (Mond)SpiritSpirit & & OpportunityOpportunity Mars Rovers (Mars)Mars Rovers (Mars)Mars Mars PathfinderPathfinder SojournerSojourner Rover (Mars)Rover (Mars)VikingViking 1 & 1 & VikingViking 2 2 LanderLander (Mars)(Mars)Messenger (Merkur)Messenger (Merkur)VeneraVenera 11 bis 14 11 bis 14 LanderLander (Venus)(Venus)VegaVega 2 2 LanderLander (Venus)(Venus)HayabusaHayabusa ((25143) ((25143) ItokawaItokawa))NEAR ((433)Eros)NEAR ((433)Eros)

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XRFXRF‐‐L als Teil eines L als Teil eines OrbitersOrbiters

MMöögliche Missionengliche MissionenLunarLunar Exploration Orbiter LEOExploration Orbiter LEO

Start 2011 (geplant) Start Start 2011 (geplant) Start LEOLEO‐‐smallsmall (?)(?)ESAESA

LunaGLOBLunaGLOBStart 2013/2014Start 2013/2014RosKosmosRosKosmos

Jupiter Ganymed Orbiter JGO Jupiter Ganymed Orbiter JGO als Teil der Jupiter als Teil der Jupiter IcyIcy Moons Moons Explorer (JUICE)Explorer (JUICE)

Start 2020Start 2020ESAESA Messgeometrie des XRFMessgeometrie des XRF‐‐L auf dem L auf dem LunarLunar Exploration Exploration 

Orbiter (van Orbiter (van GasseltGasselt und und NeukumNeukum, 2007), 2007)

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Mond als Mond als MesstargetMesstarget

7.10.2006 terrestrische Aufnahme des Mondes von  Luc 7.10.2006 terrestrische Aufnahme des Mondes von  Luc ViatourViatour(Belgien)(Belgien)

Messgeometrie des XRFMessgeometrie des XRF‐‐L auf dem L auf dem LunarLunar Exploration Exploration Orbiter (van Orbiter (van GasseltGasselt und und NeukumNeukum, 2007), 2007)

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Mond als Mond als MesstargetMesstarget: Gesteine : Gesteine 

HochlandgesteineHochlandgesteineAnorthositAnorthosit‐‐GruppeGruppe

AnorthositeAnorthosite und und anorthositischeanorthositische Gabbros Gabbros ((ferroanferroan anorthositesanorthosites))

Ca+AlCa+Al reichreichMg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index 0,4) Index 0,4‐‐0,750,75

MgMg‐‐SuiteSuiteNoriteNorite, , GabbronoriteGabbronorite, Gabbros, , Gabbros, TroktolitheTroktolithe, , DuniteDunite

Mg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index 0,7) Index 0,7‐‐0,90,9Na/(Na+CaNa/(Na+Ca) Index erh) Index erhööhtht

AlkaliAlkali‐‐SuiteSuitealkalische alkalische AnorthositeAnorthosite, , GabbronoriteGabbronorite, Granite, , Granite, RhyolitheRhyolithe

Mg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index niedrig) Index niedrigNa/(Na+CaNa/(Na+Ca) Index hoch) Index hoch

KREEPKREEP‐‐BasalteBasalteKalium, Seltene Erden, Kalium, Seltene Erden, PhosphorPhosphor‐‐reichereiche BasalteBasalteerherhööhte Werte von Zr, Ba, Uhte Werte von Zr, Ba, U

Gesteine der MareGesteine der MareBasalte mit ca. Basalte mit ca. tholeitischertholeitischer

ZusammensetzungZusammensetzungPlagioklasPlagioklas, , AugitAugit, , PigeonitPigeonit, , HyperstenHypersten, , OlivinOlivin akzessorischakzessorischQuarz, Quarz, TitanomagnetitTitanomagnetit, , IlmenitIlmenitca. 49% SiOca. 49% SiO22, 15% Al, 15% Al22OO33, 12% , 12% CaOCaO, 13% , 13% FeOFeO, 7% , 7% MgOMgO, 2% , 2% TiOTiO22, 3% Na, 3% Na22OO

sehr sehr TiTi‐‐reichereiche BasalteBasaltebesonders reich an Febesonders reich an Fe2+2+

mehr als  9 mehr als  9 wtwt% TiO% TiO22

TiTi‐‐armearme BasalteBasalte1,51,5‐‐ 9 9 wtwt% TiO% TiO22

sehr sehr TiTi‐‐armearme BasalteBasalteweniger als 1,5 weniger als 1,5 wtwt% TiO% TiO22

Anorthosit, Apollo 16, Probe 60025 Anorthosit Dünnschliff, Apollo 16, Probe 60025 Mare‐Basalt Dünnschliff, Apollo 11, Probe 10003 Mondmeteorit Dhofar081, Dünnschliff Fsp‐reiche Brekzie (Regolith)

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Warum noch eine Mondmission Warum noch eine Mondmission Missionsanspruch fMissionsanspruch füür XRFr XRF‐‐LL

seit 2008 neue Generation von Detektoren seit 2008 neue Generation von Detektoren (SCD) entwickelt, die ein gro(SCD) entwickelt, die ein großßes es Energiespektrum und mit besserer AuflEnergiespektrum und mit besserer Auflöösung sung messen kmessen köönnennnen

globale chemische Detailkartierung des globale chemische Detailkartierung des Mondes mit einer AuflMondes mit einer Auflöösung vonsung von6 6 km/pxkm/px (NA) bzw. 12 (NA) bzw. 12 km/pxkm/px (WA)(WA)

Hauptelemente Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, FeHauptelemente Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Feweitere Elemente (Wweitere Elemente (Wüünsche, so realisierbar)nsche, so realisierbar)

OONi, CoNi, CoP, S, Rb, SrP, S, Rb, SrLa, Sm, EuLa, Sm, EuU, ThU, ThCu und andere RohstoffCu und andere Rohstoff‐‐ElementeElemente

Heranreichen an die Heranreichen an die DetektionsgrenzenDetektionsgrenzen von von LaborLabor‐‐EDXRFEDXRF (Messung von Gesteins(Messung von Gesteins‐‐Pulver mit Pulver mit 200 s Messdauer, 200 s Messdauer, NorrishNorrish and and ChapellChapell, 1973), 1973)

keine Elemente mit Ordnungszahl unter 9 messbarkeine Elemente mit Ordnungszahl unter 9 messbar0,2 % Na0,2 % Na100 100 ppmppm Al und Mg Al und Mg 30 30 ppmppm SS22‐‐6 6 ppmppm UU

ClementineClementine UV/VIS Ratio UV/VIS Ratio ModellingModelling, Fe, 200 , Fe, 200 m/pxm/px

Apollo 15/16 XRF Apollo 15/16 XRF ‐‐ Al/Si Al/Si ratioratio ((Lunar Sourcebook, 1991)

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Missionsziele fMissionsziele füür XRFr XRF‐‐LL

KleinrKleinrääumige Unterscheidung und umige Unterscheidung und geochemischegeochemischeCharakterisierung verschiedener Charakterisierung verschiedener magmatischermagmatischerEinheiten, Kartierung ihrer globalen VerteilungEinheiten, Kartierung ihrer globalen Verteilung

frfrüühe Magmen, he Magmen, KREEPKREEP‐‐MagmatismusMagmatismusgeochemischegeochemische Provinzen Provinzen Entwicklung der heterogenen HochlandmineralogieEntwicklung der heterogenen Hochlandmineralogieinterne interne ZonierungZonierung der der MareMare‐‐GebieteGebieteEntwicklung und Differentiation des Mondes als GesamtkEntwicklung und Differentiation des Mondes als Gesamtköörper rper 

Quantifizierung von Quantifizierung von impaktogenerimpaktogener geochemischergeochemischerKontamination der MondgesteineKontamination der Mondgesteine

Charakterisierung und Verteilung von Charakterisierung und Verteilung von ImpaktbrekzienImpaktbrekzien und und schockmetamorphenschockmetamorphen GesteinenGesteinen

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XRFXRF‐‐L im MondorbitL im Mondorbit

polarer Orbitpolarer Orbit50 km Flugh50 km FlughööheheTarget mit hohem Sonnenstand optimal 90Target mit hohem Sonnenstand optimal 90°°

Sonnenstand am Sonnenstand am ÄÄquator mindestens 10quator mindestens 10°°darf an den Polen niedriger seindarf an den Polen niedriger sein

Bodengeschwindigkeit 1,7 km/sBodengeschwindigkeit 1,7 km/sMessenergie: 0,5Messenergie: 0,5‐‐10 10 keVkeVprimaryprimary missionmission: 4 Jahre: 4 Jahreextendedextended missionmission: je nach Finanzierung: je nach Finanzierung

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Was soll kalibriert werden?Was soll kalibriert werden?

Energie der auftreffenden Strahlung Energie der auftreffenden Strahlung –– MessMess‐‐EnergieEnergieDa die Sonne eine natDa die Sonne eine natüürliche, stark variable rliche, stark variable Strahlungsquelle darstellt, muss konstant die IntensitStrahlungsquelle darstellt, muss konstant die Intensitäät t gemessen werdengemessen werden

Messprinzip: gleichzeitige Messung von Messprinzip: gleichzeitige Messung von MondoberflMondoberflääche und che und KalibrationsKalibrations‐‐SampleSample

XRFXRF‐‐L misst die von der MondoberflL misst die von der Mondoberflääche emittierte che emittierte RRööntgenstrahlungntgenstrahlungXRFXRF‐‐LL‐‐ISM misst die vom ISM misst die vom ReferenzReferenz‐‐TargetTarget emittierte emittierte RRööntgenstrahlung ntgenstrahlung XRFXRF‐‐LL‐‐DSM DSM üüberwacht das momentane Spektrum der berwacht das momentane Spektrum der Sonne (IntensitSonne (Intensitäät und Aktivitt und Aktivitäät)t)

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SonnenspektrumSonnenspektrumkontinuierliches Spektrumkontinuierliches Spektrum

Gammastrahlung (WellenlGammastrahlung (Wellenläänge 0,03nge 0,03‐‐0,003 0,003 nm) nm) RRööntgenstrahlung (Wellenlntgenstrahlung (Wellenläänge ab 0,03nge ab 0,03‐‐3 3 nm) nm) Ultraviolette Strahlung (3Ultraviolette Strahlung (3‐‐400 nm)400 nm)sichtbares Licht (Wellenlsichtbares Licht (Wellenläänge 400nge 400‐‐750 nm)750 nm)Infrarotes Licht (WellenlInfrarotes Licht (Wellenläänge 750 nm nge 750 nm ‐‐ 300 300 µµm)m)Mikrowellen (WellenlMikrowellen (Wellenläänge 300 nge 300 µµmm‐‐1 cm) 1 cm) Radiowellen (WellenlRadiowellen (Wellenläänge 1cmnge 1cm‐‐100km)100km)

zeitliche Variation des Spektrumszeitliche Variation des Spektrums

zeitliche Variation der Strahlungsintensitzeitliche Variation der Strahlungsintensitäät t auf den einzelnen Wellenlauf den einzelnen Wellenläängenngen

gleichzeitiger variabler Ausstogleichzeitiger variabler Ausstoßß von von Sonnenwind (Protonen, Elektronen und Sonnenwind (Protonen, Elektronen und Alphateilchen) Alphateilchen) 

variable Teilchendichtevariable Teilchendichtekann zur Ionisierung von planetaren kann zur Ionisierung von planetaren OberflOberfläächen fchen füührenhrenüüberlagert Ionisierung durch berlagert Ionisierung durch RRööntgenstrahlungntgenstrahlung

VariabilitVariabilitäät der gemessene Strahlungsstt der gemessene Strahlungsstäärke der solaren rke der solaren Radiostrahlung bei 10,7 cm WellenlRadiostrahlung bei 10,7 cm Wellenläänge , auch nge , auch RadiofluxindexRadiofluxindexgenannt, korreliert mit Sonnenfleckenzyklus. Messintervall des genannt, korreliert mit Sonnenfleckenzyklus. Messintervall des Sonnenfleckenzyklus Nr. 23 und anschlieSonnenfleckenzyklus Nr. 23 und anschließßende Prognose fende Prognose füür r den Zyklus Nr.  24,  NASA/NOAAden Zyklus Nr.  24,  NASA/NOAA

Kontinuierliches Spektrum der Sonne, doppelte logarithmische Kontinuierliches Spektrum der Sonne, doppelte logarithmische Darstellung, NASA/NOAA  Darstellung, NASA/NOAA  

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KalibrationKalibration der Messenergie: der Messenergie: SonnenzyklenSonnenzyklen

1111‐‐Jahres Jahres SonnenfleckenzyklusSonnenfleckenzyklus: 30.8.1991: 30.8.1991‐‐6.9.2001 Montage von 6.9.2001 Montage von YohkohYohkoh SXT SXT AufnahmenAufnahmen (ISAS /NASA 2001).(ISAS /NASA 2001).

RekonstruktionRekonstruktion des des SonnenfleckenzyklenSonnenfleckenzyklen Nr.21Nr.21‐‐23 23 PhysikalischPhysikalisch meteorologischesmeteorologischesObservatoriumObservatorium DavosDavos, 2005, 2005

Die Sonnenaktivität variiert in einem ca. 11 Jahre langen Zyklus

mit der Anzahl der Sonnenflecken steigt die Sonnenaktivität

Erhöhung von Strahlungsleistung (Leuchtkraft), magnetischer Flussdichte und der Strahlungsintensität

bei steigender Strahlungsintensität steht mehr Energie zur Verfügung, Elemente mit höherer Ordnungszahl können ionisiert werden und emittieren Röntgenstrahlung

kurzfristige Variation der Sonnenaktivität durch FlaresFlares und und koronalekoronale MassenauswMassenauswüürfe (CME)rfe (CME)

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Funktion XRFFunktion XRF‐‐LL‐‐ISM ISM 

Messprinzip: gleichzeitige Messung von Messprinzip: gleichzeitige Messung von MondoberflMondoberflääche und che und KalibrationsKalibrations‐‐SampleSample

XRFXRF‐‐L misst im Nadir die von der L misst im Nadir die von der MondoberflMondoberflääche emittierte che emittierte RRööntgenstrahlungntgenstrahlung

XRFXRF‐‐LL‐‐ISM (ISM (IndirectIndirect Solar Monitor) ist auf Solar Monitor) ist auf das von der Sonne bestrahlte das von der Sonne bestrahlte ReferenzReferenz‐‐TargetTarget gerichtet und misst die vom gerichtet und misst die vom ReferenzReferenz‐‐TargetTarget emittierte emittierte RRööntgenstrahlungntgenstrahlung

Probenhalter aus AluminiumProbenhalter aus Aluminiumkleinerer kleinerer SCDSCD‐‐DetektorDetektor, der technisch mit , der technisch mit Hauptinstrument identisch istHauptinstrument identisch istReferenztargetReferenztarget sollte im gleichen sollte im gleichen Bestrahlungswinkel wie die MondoberflBestrahlungswinkel wie die Mondoberflääche che gemessen werdengemessen werden

XRFXRF‐‐LL‐‐DSM (DSM (DirectDirect Solar Monitor) blickt Solar Monitor) blickt direkt auf die Sonne und direkt auf die Sonne und üüberwacht das berwacht das momentane Spektrum der Sonne momentane Spektrum der Sonne (Intensit(Intensitäät und Aktivitt und Aktivitäät)t)

Aufbau des XRFAufbau des XRF‐‐L  im Zusammenhang mit L  im Zusammenhang mit dem XRFdem XRF‐‐LL‐‐ISM und XRFISM und XRF‐‐LL‐‐DSM auf dem DSM auf dem LunarLunarExploration Orbiter (van Exploration Orbiter (van GasseltGasselt und und NeukumNeukum, , 2007)2007)

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Anforderung an die ProbenAnforderung an die Proben

Standard fStandard füür Konzentrationsmessungen r Konzentrationsmessungen mehrerer Elemente bei variierender mehrerer Elemente bei variierender MessenergieMessenergie

mehrere Proben, deren Zusammensetzung mehrere Proben, deren Zusammensetzung bekannt ist und die je einer bekannt ist und die je einer Durchschnittszusammensetzung eines Durchschnittszusammensetzung eines Mondgesteins Mondgesteins äähnelnhneln

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Aufgaben und ProblemeAufgaben und Probleme

Herstellung und PrHerstellung und Prüüfung der fung der KalibrationsprobeKalibrationsprobeEinfluss der Probenbeschaffenheit auf die MessungEinfluss der Probenbeschaffenheit auf die MessungWelche Welche lunarenlunaren Gesteine sind zum Nachbau und als Gesteine sind zum Nachbau und als KalibrationsprobeKalibrationsprobe geeignet?geeignet?Messenergie und Variationsspektrum im Messenergie und Variationsspektrum im Missionszeitraum und welche Elemente sind dann Missionszeitraum und welche Elemente sind dann messbar?messbar?Anforderungen der XRFAnforderungen der XRF‐‐L und XRFL und XRF‐‐LL‐‐ISM an die ProbeISM an die ProbeWeltraumtauglichkeitWeltraumtauglichkeitHaltbarkeitHaltbarkeitexterne Bestimmungenexterne Bestimmungen

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Art der HerstellungArt der Herstellung

Anforderungen an das SampleAnforderungen an das Sample

1.1. Zusammensetzung (Chemie)Zusammensetzung (Chemie)

2.2. MineralogieMineralogie

3.3. GefGefüüge, Korngrge, Korngrößößen, Oberflen, Oberfläächeche

4.4. Externe Bestimmungen (Externe Bestimmungen (PlanetaryPlanetary ProtectionProtection))

5.5. Technische AnforderungenTechnische Anforderungen

6.6. XRFXRF‐‐L und XRFL und XRF‐‐LL‐‐ISMISM

7.7. WeltraumtauglichkeitWeltraumtauglichkeit

8.8. Keine Kontamination der Messung durch Keine Kontamination der Messung durch z.B.Harzez.B.Harze

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MMöögliche Arten der Herstellunggliche Arten der Herstellung

terrestrische terrestrische ÄÄquivalente quivalente ‐‐ gesgesäägte Gesteinegte Gesteine

terrestrische terrestrische ÄÄquivalente  quivalente  ‐‐ natnatüürliche Glrliche Glääserser

Oxide, technische Minerale oder natOxide, technische Minerale oder natüürliche rliche Minerale in Minerale in lunarerlunarer MischungMischung

jeweils  entweder als Schmelztablette oder in jeweils  entweder als Schmelztablette oder in TrTräägermaterialgermaterial

TrTräägermaterialien: Klebstoffe (Acryl, germaterialien: Klebstoffe (Acryl, EpoxydEpoxyd‐‐ und und andere Harze, etc.), amorphes SiOandere Harze, etc.), amorphes SiO22......

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Einfluss der Probenbeschaffenheit auf Einfluss der Probenbeschaffenheit auf die Messungdie Messung

Welche EinflWelche Einflüüsse sollen untersucht werden:sse sollen untersucht werden:

KorngrKorngrößößee

SortierungSortierung

Kontamination der Messung durch das BindemittelKontamination der Messung durch das Bindemittel

OberflOberfläächenbeschaffenheitchenbeschaffenheit

Quantifizierung des Einflusses auf die MessungQuantifizierung des Einflusses auf die Messung

Zum Vergleich : Der Mond ist ein raues, Zum Vergleich : Der Mond ist ein raues, unbeschichunbeschich‐‐tetestetes, ungleichk, ungleichköörniges, diffus reflektierendes rniges, diffus reflektierendes MesstargetMesstarget

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Messenergie und Variationsspektrum im Messenergie und Variationsspektrum im MissionsMissions‐‐zeitraumzeitraumZeitplan Mission vs. SonnenzyklusZeitplan Mission vs. SonnenzyklusSonnenspektrum Sonnenspektrum 

VariabilitVariabilitäät  der Messenergie im Sonnenzyklust  der Messenergie im SonnenzyklusVariabilitVariabilitäät in kt in küürzeren Zeitrrzeren Zeiträäumenumen

solares Minimum und Maximum: welche Elemente solares Minimum und Maximum: welche Elemente sind jeweils messbar (auf welchen Linien, welche sind jeweils messbar (auf welchen Linien, welche Genauigkeit)Genauigkeit)Dauer & IntensitDauer & Intensitäät von t von FlaresFlares, gibt es einen Extra, gibt es einen Extra‐‐nutzen fnutzen füür die Messung?r die Messung?

Berechnung der MessenergieBerechnung der Messenergie

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WeltraumtauglichkeitWeltraumtauglichkeit

Anforderungen, die an das Flugmodell des Samples Anforderungen, die an das Flugmodell des Samples gestellt werdengestellt werdenphysikalische Belastungen physikalische Belastungen 

Start Start –– SenkrechtSenkrecht‐‐ & Querbeschleunigung& Querbeschleunigungmax. 5 g (Beschleunigung lmax. 5 g (Beschleunigung läängs und quer zur Flugrichtung)ngs und quer zur Flugrichtung)1,61,6‐‐4,9 g 4,9 g randomrandom vibrationvibration

LunarLunar Orbit InsertionOrbit InsertionVakuumVakuumTemperaturschwankungen Temperaturschwankungen 

ca. 130 ca. 130 °°C bis C bis −−160 160 °°C (auf der MondoberflC (auf der Mondoberflääche)che)Strahlung und SonnenwindStrahlung und SonnenwindLebensdauer Mission: min. 4 JahreLebensdauer Mission: min. 4 Jahre

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Externe BestimmungenExterne Bestimmungen

UN UN TreatiesTreaties and and PrinciplesPrinciples on on OuterOuter SpaceSpace(2002)(2002)

PlanetaryPlanetary SurfaceSurface ConservationConservation ActActSchutz von PlanetenoberflSchutz von Planetenoberfläächen vor chen vor Kontamination durch terrestrische LebensspurenKontamination durch terrestrische Lebensspuren

Schutz von PlanetenoberflSchutz von Planetenoberfläächen vor chen vor unkontrollierter Kontamination durch radioaktives unkontrollierter Kontamination durch radioaktives MaterialMaterial

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Anforderungen der XRFAnforderungen der XRF‐‐L und XRFL und XRF‐‐LL‐‐ISM an die ProbeISM an die Probe

MasseMasseAbmaAbmaßße und Forme und FormDickeDickeAnzahl der ProbenAnzahl der ProbenArt der Befestigung im ProbenhalterArt der Befestigung im ProbenhalterOberflOberfläächeche......

Diese Punkte werden in Zusammenarbeit mit Diese Punkte werden in Zusammenarbeit mit O.O. Fabel und Fabel und E.E.KKööhler sowohl fhler sowohl füür den r den XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp als auch fals auch füür das r das XRFXRF‐‐LL‐‐FlugmodellFlugmodell erarbeitet und getesteterarbeitet und getestet

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XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototypMitte: Blick in die geöffneteVakuumkammer mitbeheizbaremProbenhalter, Detektor, Steuerungs‐elektronik und Kühlrohren (Fabel und Köhler, unpublished proposal)

Rechts: Röntgen‐strahlungsquelle: Oxford‐Instruments Ser. 5000 mitRhodium‐Anode (Fabel und Köhler, unveröffentlicht)

Gesamtansichtdes XRF‐L‐Prototyps, Vakuum‐Testkammer , Röntgenquelle und Steuerungselektronik(Fabel und Köhler, unveröffentlicht)

Unten: Blick in die geöffneteVakuumkammer frontal auf den SCD‐Detektor mitSteuerungselektronik, Kühlrohren und Steuerungselektronik(Steckbrett) im Hintergrund(Fabel und Köhler, unveröffentlicht)

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XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp‐‐SpektrenSpektren

MessungMessung einereiner KupferplatteKupferplatte imim XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp und und anschlieanschließßenderender Simulation des Simulation des KupferspektrumsKupferspektrums ausaus den den Messdaten(FabelMessdaten(Fabel und und KKööhlerhler, unpublished proposal), unpublished proposal)

Energie/eV

counts

―Cu-Kα

――――Cu-Kβ

―Al-K

α

―Cr-Kα

―Cu-Kα+Cu-Kα

―Fe-Kα

―――Cu-Kα+Cu-Kβ

――――Cu-Kβ+Cu-Kβ

―Pb-Lα

―Cu-Kα+Cr-Kα

―Cu-Kα+Fe-Kα

Cu3-fach

Qualitative Messung von Qualitative Messung von homogen homogen strukuriertenstrukuriertenWerkstoffen bereits mWerkstoffen bereits mööglich glich (Kupferblech, verzinktes (Kupferblech, verzinktes Eisenblech, etc.)Eisenblech, etc.)

Qualitative Messung von  Qualitative Messung von  Gesteinen und quantitative Gesteinen und quantitative Messungen stehen noch ausMessungen stehen noch aus

StStöörsignale rsignale Al (Probenhalter)Al (Probenhalter)Pb (BleiPb (Blei‐‐Blende zur Blende zur Zentrierung und Zentrierung und AbschwAbschwäächung der chung der RRööntgenstrahlung)ntgenstrahlung)Fe (GehFe (Gehääuse der use der Vakuumkammer)Vakuumkammer)Cr (Verchromung des Cr (Verchromung des GehGehääuses)uses)Rh (Rh (Rhodium‐Anode derRöntgenquelle, erst ab 40 keV)

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MethodenMethodenAnforderungsprofil erstellenAnforderungsprofil erstellenHerstellungsmethode ermittelnHerstellungsmethode ermittelnPrototypen bauenPrototypen bauen

HerstellungsartHerstellungsart‐‐PrototypenPrototypenZusammensetzungsZusammensetzungs‐‐PrototypenPrototypen

Testmethode konzipieren und prTestmethode konzipieren und prüüfenfenfunktioniert meine Herstellungsmethode?funktioniert meine Herstellungsmethode?

wie teste ich, ob: die Probe ordentlich gebunden ist, die gewwie teste ich, ob: die Probe ordentlich gebunden ist, die gewüünschte Oberflnschte Oberflääche besitzt...che besitzt...

erreiche ich die gewerreiche ich die gewüünschte Zusammensetzung?nschte Zusammensetzung?wie teste ich, ob: die Probe die gewwie teste ich, ob: die Probe die gewüünschte chemische Zusammensetzung besitzt...nschte chemische Zusammensetzung besitzt...

TestenTestenAuflichtmikroskopie, PolarisationsmikroskopieAuflichtmikroskopie, PolarisationsmikroskopieVakuumkammerVakuumkammerMikrosondeMikrosondeBESSYBESSYTest im Test im XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp und und XRFXRF‐‐LL‐‐FlugmodellFlugmodell (innerhalb einer Testkammer)(innerhalb einer Testkammer)

Fertigung des finalen PrototypenFertigung des finalen Prototypen

KalibrationsmessungKalibrationsmessung des finalen Prototypendes finalen PrototypenKonzipieren der Einmessung als Standard mit ElektronenstrahlKonzipieren der Einmessung als Standard mit Elektronenstrahl‐‐Mikrosonde, Mikrosonde, XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp (und (und eventuell auch BESSY)eventuell auch BESSY)Statistik und FehlerrechnungStatistik und FehlerrechnungDurchfDurchfüührung und Auswertung der Messung fhrung und Auswertung der Messung füür den finalen Prototypenr den finalen Prototypen

Dokumentation der Bauanleitung des finalen Prototypen und AnpassDokumentation der Bauanleitung des finalen Prototypen und Anpassung fung füür das Flugsampler das Flugsample

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LiteraturLiteraturPapersPapers

van van GasseltGasselt, S und , S und NeukumNeukum, G: , G: LunarLunar XX‐‐RayRay‐‐FluorescenceFluorescence Experiment XRFExperiment XRF‐‐L fL füür den r den LunarLunar ExplorationsExplorations‐‐OrbiterOrbiter (LEO); (LEO); unpublishedunpublished proposalproposalvan van GasseltGasselt, S und , S und NeukumNeukum, G: Studie und  Aufbau der  Kerneinheiten eines  , G: Studie und  Aufbau der  Kerneinheiten eines  RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometersSpektrometers (XRF(XRF‐‐L)  fL)  füür den Einsatz auf der  r den Einsatz auf der  russischen Mission russischen Mission LunaGLOBLunaGLOB zur Exploration des Mondes, zur Exploration des Mondes, unpublishedunpublished proposalproposalvan van GasseltGasselt, S. : Studie und Aufbau der Kerneinheiten eines , S. : Studie und Aufbau der Kerneinheiten eines RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometersSpektrometers (XRF(XRF‐‐L) fL) füür den Einsatz auf der russischen Mission r den Einsatz auf der russischen Mission LunaGLOBLunaGLOB zur Exploration des Mondes; zur Exploration des Mondes; unpublishedunpublished proposalproposalFabel, O. and KFabel, O. and Kööhler, E.: hler, E.: UntersuchungUntersuchung und und AufbauAufbau derder KerneinheitenKerneinheiten eineseines RRööntgenfluoreszenzntgenfluoreszenz‐‐SpektrometersSpektrometers (XRF(XRF‐‐L) L) ffüürr den den EinsatzEinsatz auf auf derderrussischenrussischen Mission Mission LunaGlobLunaGlob zurzur Exploration des Exploration des MondesMondes; ; unpublishedunpublished proposalproposalWien, K. et al: Wien, K. et al: Fast application of XFast application of X‐‐ray fluorescence spectrometry aboard ship: how good is the new pray fluorescence spectrometry aboard ship: how good is the new portable ortable SpectroSpectro XeposXepos analyser?, analyser?, GeoGeo‐‐Marine Marine LettersLetters VolumeVolume 25, 25, NumberNumber 4 4 SurkovSurkov, I. et al: Method and equipment for the analysis of rocks, appl, I. et al: Method and equipment for the analysis of rocks, applied on the Veneraied on the Venera‐‐13 and Venera13 and Venera‐‐14 probes; 14 probes; KosmicheskieKosmicheskie IssledovaniiIssledovanii , , VolumeVolume21, 198321, 1983Holland,AHolland,A. and . and Pool,PPool,P.: A new family of swept charge devices (.: A new family of swept charge devices (SCDsSCDs) for x) for x‐‐ray spectroscopy applications, Proc. SPIE 7021, 702117 (2008)ray spectroscopy applications, Proc. SPIE 7021, 702117 (2008)United Nations: United Nations Treaties and Principles on Outer United Nations: United Nations Treaties and Principles on Outer Space,2002Space,2002

BBüüchercherGillisGillis, J.J.  et al: , J.J.  et al: UnderstandingUnderstanding LunarLunar SurfaceSurface and and SpaceSpace‐‐MoonMoon InteractionsInteractions, In: New , In: New viewsviews of of thethe Moon, Moon, ReviewsReviews in in MineralogyMineralogy and and GeochemistryGeochemistry, , VolumeVolume 6, 20066, 2006Heiken,G.HHeiken,G.H.: .: LunarLunar sourcebooksourcebook –– a a useruser‘‘ss guideguide to to thethe moonmoon; ; CambridegeCambridege University Press, 1991University Press, 1991Okrusch,MOkrusch,M. und Matthes, S.: Mineralogie . und Matthes, S.: Mineralogie –– Eine EinfEine Einfüührung in die spezielle Mineralogie, hrung in die spezielle Mineralogie, PetrologiePetrologie und Lagerstund Lagerstäättenkunde; Edition 7, Springer, 2005ttenkunde; Edition 7, Springer, 2005Hall,AHall,A.: .: IgneousIgneous PetrologyPetrology, Edition 2 , Edition 2 LongmanLongman Group, 1996Group, 1996PrPröölsslss, G.W.: Physik des erdnahen Weltraums , G.W.: Physik des erdnahen Weltraums –– Eine EinfEine Einfüührung; Edition 2, Springer, 2004hrung; Edition 2, Springer, 2004

InternetInternethttp://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?collectiohttp://www.nasa.gov/multimedia/videogallery/index.html?collection_id=15504n_id=15504http://www.swpc.noaa.gov/SolarCyclehttp://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle//http://solar.physics.montana.edu/mckenzie/Images/The_Solar_Cyclehttp://solar.physics.montana.edu/mckenzie/Images/The_Solar_Cycle_XRay_hi.jpg_XRay_hi.jpg David David ChenetteChenette at Lockheed Martin Advanced Technology Centerat Lockheed Martin Advanced Technology Centerhttp://www.flightglobal.com/news/articles/lavochkinhttp://www.flightglobal.com/news/articles/lavochkin‐‐beginsbegins‐‐phasephase‐‐bb‐‐workwork‐‐forfor‐‐lunaluna‐‐globglob‐‐11‐‐orbiterorbiter‐‐317424/317424/http://www.lpi.usra.edu/lunar/samples/atlas/thin_section/?missiohttp://www.lpi.usra.edu/lunar/samples/atlas/thin_section/?mission=Apollo%2016&sample=60025&source_id=JSC03918n=Apollo%2016&sample=60025&source_id=JSC03918http://sci.esa.int/sciencehttp://sci.esa.int/science‐‐e/www/object/index.cfm?fobjectid=45407e/www/object/index.cfm?fobjectid=45407http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstanthttp://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstantwww.Lucnix.bewww.Lucnix.behttp://www.arianespace.com/launchhttp://www.arianespace.com/launch‐‐servicesservices‐‐soyuz/Soyuz_Users_Manual_CSG_June06.pdfsoyuz/Soyuz_Users_Manual_CSG_June06.pdfhttp://cluhttp://clu‐‐in.org/characterization/technologies/pdf/SOPs/XRaySOPs/Xmet880.pin.org/characterization/technologies/pdf/SOPs/XRaySOPs/Xmet880.pdfdfhttp://www.wcaslab.com/tech/xrf.htmhttp://www.wcaslab.com/tech/xrf.htmhttp://www.swpc.noaa.gov/SolarCyclehttp://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle//

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Danke fDanke füür eure r eure AufmerksamkeitAufmerksamkeit

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chemische Zusammensetzung von chemische Zusammensetzung von Mondgesteinen IMondgesteinen I

chemische Zusammensetzung von Mare Basalten und Hochlandgesteinen (Lunar Source Book (Heiken, 1991))

High‐Ti‐Mare‐Basalt

Low‐Ti‐Mare‐Basalt

Very low‐Ti‐Mare‐Basalt

Anorthosit der Anorthositgruppe

Norit der Mg‐Suite

Troktolit der Mg‐Suite

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chemische Zusammensetzung von chemische Zusammensetzung von Mondgesteinen IIMondgesteinen II

Chemische Zusammensetzung von Chemische Zusammensetzung von LunarLunar SoilsSoils, Apollo und Luna, Apollo und Luna‐‐Proben (New Proben (New viewsviews of of thethe moonmoon, 2006), 2006)

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KalibrationKalibration der Messenergie: der Messenergie: FlaresFlaresund und koronalerkoronaler Massenauswurf (CME)Massenauswurf (CME)

Sonneneruption am 27.2. 2011 (ges. 90 min, alle 24s eine Aufnahme) aufgenommen von Solar Dynamics Observatory (SDO) 

Sonneneruption mit koronalemMassenauswurf am 7.6.2011 aufgenommen von STEREO A (Solar Terrestrial Relations Observatory  ahead) 

Sonneneruption in 3 Richtungen mit koronalemMassenauswurf am 12.12.2010 aufgenommen von Solar HeliosphericObservatory(SOHO) 

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Mond als Mond als MesstargetMesstarget: Gesteine : Gesteine HochlandgesteineHochlandgesteine

AnorthositAnorthosit‐‐GruppeGruppeAnorthositeAnorthosite und und anorthositischeanorthositischeGabbros (Gabbros (ferroanferroan anorthositesanorthosites))

Ca+AlCa+Al reichreichMg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index 0,4) Index 0,4‐‐0,750,75

MgMg‐‐SuiteSuiteNoriteNorite, , GabbronoriteGabbronorite, Gabbros, , Gabbros, TroktolitheTroktolithe, , DuniteDunite

Mg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index 0,7) Index 0,7‐‐0,90,9Na/(Na+CaNa/(Na+Ca) Index erh) Index erhööhtht

AlkaliAlkali‐‐SuiteSuitealkalische alkalische AnorthositeAnorthosite, , GabbronoriteGabbronorite, , Granite, Granite, RhyolitheRhyolithe

Mg/(Mg+FeMg/(Mg+Fe) Index niedrig) Index niedrigNa/(Na+CaNa/(Na+Ca) Index hoch) Index hoch

KREEPKREEP‐‐BasalteBasalteKalium, Seltene Erden, Kalium, Seltene Erden, PhosphorPhosphor‐‐reichereicheBasalteBasalteerherhööhte Werte von Zr, Ba, Uhte Werte von Zr, Ba, U Anorthosit Dünnschliff, Apollo 16, Probe 60025

Anorthosit, Apollo 16, Probe 60025

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Mond als Mond als MesstargetMesstarget: Gesteine : Gesteine 

Gesteine der MareGesteine der MareBasalte mit ca. Basalte mit ca. tholeitischertholeitischerZusammensetzung Zusammensetzung 

PlagioklasPlagioklas, , AugitAugit, , PigeonitPigeonit, , HyperstenHypersten, , OlivinOlivin akzessorischakzessorisch Quarz, Quarz, TitanomagnetitTitanomagnetit, , IlmenitIlmenitca. 49% SiOca. 49% SiO22, 15% Al, 15% Al22OO33, 12% , 12% CaOCaO, 13% , 13% FeOFeO, 7% , 7% MgOMgO, 2% TiO, 2% TiO22, 3% Na, 3% Na22OO

sehr sehr TiTi‐‐reichereiche BasalteBasaltebesonders reich an Febesonders reich an Fe2+2+

mehr als  9 mehr als  9 wtwt% TiO% TiO22

TiTi‐‐armearme BasalteBasalte1,51,5‐‐ 9 9 wtwt% TiO% TiO22

sehr sehr TiTi‐‐armearme BasalteBasalteweniger als 1,5 weniger als 1,5 wtwt% TiO% TiO22

Mondmeteorit Dhofar081, Dünnschliff Fsp‐reiche Brekzie (Regolith)

Mare‐Basalt Dünnschliff, Apollo 11, Probe 10003

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Methoden IIMethoden II

Fertigung des finalen PrototypenFertigung des finalen Prototypen

KalibrationsmessungKalibrationsmessung des finalen Prototypendes finalen PrototypenKonzipieren der Einmessung als Standard mit ElektronenstrahlKonzipieren der Einmessung als Standard mit Elektronenstrahl‐‐Mikrosonde, Mikrosonde, XRFXRF‐‐LL‐‐PrototypPrototyp (und eventuell auch BESSY)(und eventuell auch BESSY)

Statistik und FehlerrechnungStatistik und Fehlerrechnung

DurchfDurchfüührung und Auswertung der Messung fhrung und Auswertung der Messung füür den finalen Prototypenr den finalen Prototypen

Dokumentation der Bauanleitung des finalen Prototypen und AnpassDokumentation der Bauanleitung des finalen Prototypen und Anpassung ung ffüür das Flugsampler das Flugsample

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RoadmapRoadmap & Zeitplan& Zeitplan

Stand Juli 2012Stand Juli 2012