NASA：2020探火星

李有觀

美國國家航空航天局（NASA）正在建造一臺(tái)可以將火星物質(zhì)帶回地球的火星車，以探尋火星上是否有生命跡象。

2012年，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室火箭科學(xué)家亞當(dāng)·斯特爾茨納成了工程界的明星，當(dāng)時(shí)他是“好奇號(hào)”火星探測(cè)器登陸火星項(xiàng)目負(fù)責(zé)人?，F(xiàn)在，他關(guān)注的是如何清潔火星車的問題。他所癡迷的清潔對(duì)象是一根深灰色的金屬管子，與他的手掌差不多大小。

管子

斯特爾茨納的工作地點(diǎn)位于加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱JPL），嚴(yán)格講是在一棟倉庫式建筑物內(nèi)。他擔(dān)任了NASA新的火星探測(cè)器的總工程師。他需要把這根金屬管子變成有史以來最干凈的物體之一，這樣才能保證火星探測(cè)器完成任務(wù)。

不遲于2020年7月，重達(dá)1噸、擁有6個(gè)輪子的火星車就將從美國佛羅里達(dá)州發(fā)射升空，攜帶43根這樣的金屬管子，開始長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月的火星之旅。到達(dá)火星之后，火星車將在火星表面行駛，在每根管子里裝滿泥土、巖石或氣體。然后，這些管子將被密封，存放在火星表面，等待幾年、也許是幾十年，直到另一個(gè)航天器抵達(dá)，并把它們帶回地球。這將是人類把火星物質(zhì)帶回地球的首次嘗試。如果一切按計(jì)劃順利進(jìn)行，這些火星物質(zhì)將成為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最珍貴的外星樣本。金屬管內(nèi)的微生物、生物礦物質(zhì)或有機(jī)分子可能是地球以外生命是否存在的證據(jù)。

這就是為什么斯特爾茨納和他的團(tuán)隊(duì)必須把管子處理得非常非常清潔的原因。管子里只要有一個(gè)地球細(xì)胞或其他污染物的微粒，都會(huì)破壞明確檢測(cè)到火星微生物的任何機(jī)會(huì)。因此，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在嘗試設(shè)計(jì)一種能夠保持工作環(huán)境一塵不染的機(jī)器人采樣系統(tǒng)。

去火星采標(biāo)本

2020年，NASA計(jì)劃向火星發(fā)送探測(cè)器，采集火星土壤巖石及氣體標(biāo)本，然后把這些標(biāo)本存儲(chǔ)在超級(jí)清潔的笛子里。如果試驗(yàn)成功，下一步就是把這些管子帶回地球進(jìn)行研究。工程師們正在忙著測(cè)試包含采樣系統(tǒng)在內(nèi)的火星車。

“我們將比以往任何時(shí)候都更加注重清潔。”斯特爾茨納一邊說，一邊搖晃著金屬管，仿佛要把里面不正常的微生物搞掉，“我們要認(rèn)真設(shè)計(jì)這玩意兒?！?/p>

這是一次豪賭。NASA把24億美元的資金和其火星探測(cè)計(jì)劃的未來都押在了2020年的火星探測(cè)器上。如果這次任務(wù)能夠采集到原始的巖石樣本，且能最終將這些樣本帶回地球，就將有助于對(duì)太陽系的深入研究。如果計(jì)劃失敗——火星素以太空任務(wù)的墓地而臭名昭著——NASA將不得不放棄它幾十年以來的夢(mèng)想。

在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的會(huì)議室、試驗(yàn)室和潔凈室里，科學(xué)家和工程師們正在為這次任務(wù)的關(guān)鍵問題做出最后決定。他們探索和質(zhì)疑每一個(gè)細(xì)節(jié)：如何在火星表面讓金屬管保持涼爽;探測(cè)器在火星上每一分鐘的工作內(nèi)容：如何按計(jì)劃完成所有工作。這是2020年的火星探測(cè)項(xiàng)目的關(guān)鍵階段，因?yàn)镹ASA將進(jìn)一步選擇可能的火星著陸點(diǎn)，并進(jìn)開展決定性的設(shè)計(jì)審查，該項(xiàng)目必須通過這項(xiàng)審查才可以繼續(xù)前進(jìn)。到2020年發(fā)射時(shí)，任務(wù)成敗將在一定程度上取決于現(xiàn)在做出的選擇。

探測(cè)器

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里陽光明媚，在其中—棟建筑物里，研究人員利用遠(yuǎn)程操縱設(shè)備，正在控制著在火星上工作的探測(cè)器。另外一棟建筑物——179號(hào)樓是歷史悠久的航天飛行器組裝車間，許多執(zhí)行月球、火星和行星際空間任務(wù)的設(shè)備都在這里誕生。

現(xiàn)在，這里也是2020年火星探測(cè)器成形的地方。到目前為止，這棟建筑物中很大的潔凈室里只有此次任務(wù)的一個(gè)主要部件——一個(gè)被包裹在銀色包裝紙里的圓盤形隔熱罩。它是“好奇號(hào)”任務(wù)遺留下來的，將被重新利用在新的火星探測(cè)器上。

要求必須超級(jí)清潔的管子。

NASA在幾年前宣布2020年火星探測(cè)計(jì)劃時(shí)，就大力宣揚(yáng)了這種可重復(fù)使用性。該機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功地向火星發(fā)送了一系列的探測(cè)器：從1996年重11千克的“探路者號(hào)”，到2003年重180千克的“雙胞胎”——“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”，再到2012年重達(dá)900千克的“好奇號(hào)”。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造了所有探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器都在復(fù)雜性和科學(xué)性方面向前邁進(jìn)了一步。

2020年的火星探測(cè)器可以部分沿用“好奇號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)驗(yàn)證過的工作成果。新探測(cè)器大約85%的部件將會(huì)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)——底盤、動(dòng)力和通訊系統(tǒng)……，另外很多設(shè)計(jì)也是從“好奇號(hào)”上復(fù)制過來的。

需要重新設(shè)計(jì)的是用于科學(xué)研究的部件——在火星上進(jìn)行測(cè)量的專用工具，以及收集和儲(chǔ)存巖石樣本的設(shè)備。新探測(cè)器的科學(xué)有效載荷將包括7套設(shè)備，所有設(shè)備要么是全新的，要么是經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)計(jì)。例如，安裝在探測(cè)器桅桿上的全景攝像機(jī)將具有變焦功能，可以讓專家們細(xì)致觀測(cè)他們感興趣的區(qū)域。探測(cè)器的激光儀器將增加新的工作頻段，以增強(qiáng)對(duì)巖石化學(xué)和礦物學(xué)的研究能力。探測(cè)器的機(jī)器人手臂將配備紫外線和×射線光譜儀，能夠比“好奇號(hào)”探測(cè)器的儀器更詳細(xì)地測(cè)繪巖石。

極致清潔

發(fā)射探測(cè)器飛到火星表面，采集巖石并把它們帶回地球，目的之一是幫助研究人員了解樣本采集處的火星地貌史，從而便于研究人員拼湊出火星的演化過程。

“我們想得到一套非常好的現(xiàn)場(chǎng)記錄，這樣研究人員在今后幾個(gè)世紀(jì)都可以參考它?！盭射線光譜儀的首席研究員、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體生物學(xué)家阿比蓋爾·奧爾伍德說。“如果我們要證明火星上有生命，那么我們就必須在最高級(jí)別對(duì)證據(jù)進(jìn)行審查。”

斯特爾茨納和他的團(tuán)隊(duì)決定從頭開始，構(gòu)建出最好的樣品采集系統(tǒng)。早期的想法包括多種方案，例如利用多只機(jī)械臂來操縱不同的科學(xué)儀器。最后，他們選定了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，在這個(gè)方案中，探測(cè)器伸出手臂接觸巖石，在巖石上鉆孔，然后提取一份重1 5克的樣本放入金屬管。接下來，探測(cè)器先將金屬管密封，再把它們存放在探測(cè)器機(jī)體內(nèi)——所有這些都在一小時(shí)內(nèi)完成，以減少樣品暴露在火星大氣中的時(shí)間，避免可能的污染。

探測(cè)器將會(huì)攜帶足夠的補(bǔ)給品，以填充和密封至少31根約14厘米長(zhǎng)、2厘米粗的金屬管（探測(cè)器也會(huì)攜帶幾個(gè)備用金屬管，以備不時(shí)之需）。并非所有的金屬管都用來裝火星樣本，有些管子將作為“見證”管，事先裝入鋁網(wǎng)或陶瓷等材料，以捕捉環(huán)境污染物。在飛往火星的途中，其中一個(gè)“見證”管將被打開，以捕捉可能從航天器上蒸發(fā)出來的任何物質(zhì)。這個(gè)管子在抵達(dá)火星時(shí)將首先被密封。其他“見證”管將會(huì)在火星表面被依次打開，用來收集在各個(gè)采樣點(diǎn)飄過的任何物質(zhì)的樣本。之后，科學(xué)家們便能夠利用這些“見證”管，以確定采集到的巖石樣本是否受到污染，或者確定樣本是何時(shí)被污染的。

這意味著2020年火星探測(cè)任務(wù)需要取回超純凈的樣本。等到這些金屬管被制造出來，清洗，烘干，裝入火星車，管子內(nèi)部就可能是這顆星球上最純凈的環(huán)境了。該項(xiàng)目的一位負(fù)責(zé)人肯·威利福德說：“這是對(duì)無機(jī)、有機(jī)和生物物質(zhì)的多重清潔要求，所以這些金屬管的制造非常具有挑戰(zhàn)性，也使得這次任務(wù)在NASA迄今為止執(zhí)行的任務(wù)中獨(dú)一無二?！?/p>

為了不讓來自地球的微生物污染火星，其他航天器也曾經(jīng)達(dá)到了極高水平的清潔度。早在20世紀(jì)70年代，美國發(fā)射“海盜號(hào)”火星探測(cè)器時(shí)就用溶劑清洗了主要設(shè)備，然后在氦氣中烘烤了4天。歐洲航天局計(jì)劃于2020年發(fā)射的ExoMars火星探測(cè)器也制定了類似的保護(hù)性清潔措施，其任務(wù)是前往火星尋找過去或現(xiàn)在的生命跡象。中國計(jì)劃在2020年發(fā)射自己的火星探測(cè)器，但這個(gè)火星探測(cè)器不具備生命探測(cè)功能。

而NASA的2020年火星探測(cè)任務(wù)必須要符合超越常規(guī)的火星保護(hù)要求，以確保最終帶回地球的樣本的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。NASA的行星保護(hù)官卡西·康利說，這些巖石樣本將像“阿波羅”計(jì)劃宇航員帶回的月球巖石—樣，需要被極其謹(jǐn)慎地處理。

實(shí)際上，人類沒有辦法使航天器達(dá)到絕對(duì)清潔。因此，有機(jī)和無機(jī)污染物質(zhì)都要被控制在一定的范圍內(nèi)——例如，一個(gè)咨詢小組建議，任何樣本中的有機(jī)碳總合量不應(yīng)超過一億分之四。

但樣品仍將不可避免地被鎢元素污染，因?yàn)殂@齒是用氮化鎢制成的。這意味著未來的科學(xué)家將不能使用依賴于鎢和鉿的放射性衰變系統(tǒng)來確定火星巖石的年代，從而不得不在其他幾種方案中進(jìn)行選擇。美國田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的行星地質(zhì)學(xué)家哈普·麥克斯韋恩說：“這種情況我們只能夠接受。”

另一個(gè)需要考慮的問題是，這些金屬管放置在火星表面，等待被其他航天器帶回地球時(shí)，它們經(jīng)受的溫度會(huì)有多高。應(yīng)項(xiàng)目科學(xué)家肯·法利的要求，麥克斯韋恩和他的研究小組分析了在不同溫度下樣本會(huì)丟失哪些科學(xué)信息。他們得出的結(jié)論是，60攝氏度是可接受溫度的上限;超過這個(gè)溫度，一些有機(jī)化合物開始分解，一些礦物質(zhì)開始分解，而其他變化也可能會(huì)影響研究。因此，工程師決定用氧化鋁涂覆金屬管，以反射陽光，讓它們的溫度保持在60攝氏度以下。

2020火星車登陸想象圖。這臺(tái)火箭調(diào)姿中的“起重機(jī)”正在把火星車吊運(yùn)到火星地表。

按照NASA的計(jì)劃，一旦火星巖石樣本被帶回地球，研究人員就將利用各種技術(shù)來探測(cè)火星上是否可能存在的生命跡象。他們將尋找氨基酸、蛋白質(zhì)的前體以及其他復(fù)雜的有機(jī)化合物。其他證據(jù)也可能來自關(guān)鍵分子中同位素的比例，這些分子在地球上可以提供生物進(jìn)化過程的清晰信號(hào)。研究人員一致認(rèn)為，并沒有一組測(cè)量數(shù)據(jù)可以證明火星生命的存在，但通過對(duì)火星巖石及其內(nèi)部成分的一系列觀察，科學(xué)家或許能夠提出一個(gè)令人信服的答案。

這并不意味著探測(cè)火星生命會(huì)很容易?？稀しɡ且晃谎芯坑钪嫔渚€如何改變巖石化學(xué)成分的地球化學(xué)家。因此，他擔(dān)心火星表面暴露了數(shù)百萬年以后，任何來自遠(yuǎn)古火星的有機(jī)化合物都已經(jīng)分解掉了。獲取最佳樣本的一種策略可能必須針對(duì)火星懸崖底部的區(qū)域。在那里，巖石從高處斷裂后，新鮮物質(zhì)就會(huì)暴露出來。

著陸點(diǎn)

NASA的計(jì)劃是在1至1.5個(gè)火星年內(nèi)收集20個(gè)精心挑選并記錄在案的樣本。這意味著火星探測(cè)器需要在許多可能的采樣地點(diǎn)之間移動(dòng)，并從多種地質(zhì)環(huán)境中選擇可以獲得最有用信息的地點(diǎn)。在采集時(shí)，探測(cè)器可能會(huì)將金屬管放置在火星表面上一個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)。

“好奇號(hào)”探測(cè)器在火星上的4.5年里只鉆了15個(gè)洞，行駛了16千米多一點(diǎn)。2020年火星探測(cè)任務(wù)的團(tuán)隊(duì)必須更快地工作。肯·法利說：“很明顯，我們必須保持非常高的速度?！?/p>

可以說，2020年火星探測(cè)器的科學(xué)成功在很大程度上取決于它著陸的地點(diǎn)。NASA正在考慮8個(gè)著陸點(diǎn)。其中一半位于以前的湖泊、三角洲或其他曾長(zhǎng)期存在水和沉積物的環(huán)境中，因?yàn)檫@樣的環(huán)境可以保存古代生命的證據(jù)。其他可能的著陸點(diǎn)位于比較古老的巖石間，在那里，溫暖的熱泉水曾經(jīng)滲透過火星地殼，這可能在很久以前就使生命得以繁衍。2020年火星探測(cè)任務(wù)團(tuán)隊(duì)成員、美國加州理工學(xué)院的行星地質(zhì)學(xué)家貝瑟尼·埃爾曼說，被選中的著陸點(diǎn)將會(huì)決定火星科學(xué)的研究方向。

在美國加利福尼亞州蒙羅維亞舉行的一次研討會(huì)上，科學(xué)家們計(jì)劃把著陸點(diǎn)的名單縮減一半，并在火星探測(cè)器發(fā)射之前為NASA推薦一個(gè)最終選定的著陸點(diǎn)。

同時(shí)，該任務(wù)團(tuán)隊(duì)將對(duì)其設(shè)計(jì)的所有方面進(jìn)行最后審查。如果通過，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)認(rèn)真制造科學(xué)儀器、樣本采集系統(tǒng)和其他硬件。這些設(shè)備一旦制成，還需要通過測(cè)試，然后在2020年7月或8月發(fā)射。

NASA還沒有決定什么時(shí)間將火星巖石樣本帶回地球。在2020年火星探測(cè)任務(wù)以后，并沒有其他獲得預(yù)算或批準(zhǔn)的火星任務(wù)。NASA總部的管理人員已經(jīng)表示，希望在2022年發(fā)射一個(gè)新的火星軌道飛行器，作為未來任務(wù)的通信中繼站，并取代已經(jīng)老化的火星軌道飛行器。在此之后，NASA的首要任務(wù)是把火星巖石樣本帶回地球，同時(shí)支持可能的載人火星計(jì)劃。

肯·法利說，可能至少還需要10年時(shí)間才能把火星巖石樣本帶回地球?！暗俏覀儸F(xiàn)在已經(jīng)開始工作了?！保ㄔ髡撸簛啔v山德拉·維特澤）

責(zé)任編輯：吳佩新