作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2017/11/30 9:03:23
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重探“地狱”金星
科学家利用强悍芯片重启金星之旅

 

计算机芯片在美国宇航局格伦极端环境装备中进行高温高压测试,它或许能用于长期金星着陆器。

图片来源:NASA PHOTO

在一个并不被看好的城市,在一个并不被看好的美国宇航局(NASA)的实验室里,研究人员正在围绕着一个本不应该被忽视的星球认真思索。金星和地球是一对“表兄弟”,它们在构成和大小上最为接近,但数十年来前者一直被遮掩在面纱之下。自1989年起,NASA就再没向那里派过任务;而更近一些的欧洲和日本的人造卫星,在很大程度上只是暂时在该星球厚厚的硫云层外停留过。自1985年以来,没有任何一艘飞船再在金星上着陆。恶劣的环境和缺乏资金使得地球最近的邻居——金星在感觉上比以往任何时候都更遥远。

今年9月,NASA格伦研究中心电气工程师Phil Neudeck坐在一个显示器前盯着面前的紫色和蓝绿色的波形。那是他观看邻居金星的窗口。在密封的门后面,有一个14吨重的不锈钢罐,其巨大的端口被密封着,为了确保罐内的极高压力,固定其螺母的螺丝还有自己的螺母。连续33天,格伦极端环境装备(GEER)不停地运行着,它模拟了460摄氏度高温、充满压力处于超临界态(气体和液体并存)的二氧化硫的大气环境。罐子里有两个微型芯片,它们在有节奏地脉动着。Neudeck在根据金星时间操作它,一切时间都刚刚好。

Neudeck和同事在帮助驱动一项技术跨越,它将彻底改变对金星的探索,在火星上也可以应用。在接下来的10年里,NASA也许能在金星上登陆一些简单的不受保护的机器人,它们可以测量风速、温度、化学、压力和地震波。而且,这些登陆的机器人可以在金星上停留几个月,而不是几小时。Neudeck说:“我们没有世界上最快的芯片,也没有世界上最复杂的芯片。但就金星的环境而言,我们获得了最坚实耐用的芯片。”如果这些芯片能达到它们的潜能,科学家在金星上长期停留的梦想或许最终将触手可及。

袖珍计算器

格伦研究中心的计划如果成功,它将有助于重新点燃人们对金星的兴趣。金星曾是行星探测的主要目标之一,尤其是苏联已经在其表面登陆,但此后金星长期被火星、小行星、外行星及其卫星的探索任务遮掩了光彩。今年早些时候,在入围NASA最新“发现”任务(5亿美元的行星探测器任务)的5个名单中,有两项与金星有关,它们计划围绕金星进行探测或是直接跃入金星大气层。这样的计划似乎很好,但它们最终都没能成功。

今年晚些时候,该机构将宣布参加下一个10亿美元的“新前沿”任务的决赛名单;在十多个候选项目中,有3个项目的目标是金星。但它们面临着激烈的竞争,包括与重返土星卫星——土卫二和土卫六的竞争,卡西尼任务表明那里可能拥有生命。

如果金星项目在竞争中再次失败,格伦中心的创新可能是最好的路线:不是围绕金星轨道,而是一直到达其表面。它对金星的科学探索愿望非常强烈。没有任何一颗星球能够说明地球如何变成现在的样子。火星过小,而且冰封着,其大部分热量和大气在很久以前就消失在太空。“就类似地球大小的行星而言,的确要属金星。”英国牛津大学行星科学家Colin Wilson说。了解金星大气如何变得糟糕,并变成了一个失控的温室,把所有的海洋都蒸干,炙烤着地表,将有助于天文学家研究其他的太阳系行星,并区别出不同于地球“邪恶的表兄弟”金星的系外行星。

为此,探索耐高温电子产品的吸引力不容忽视。在NASA和美国海军研究办公室的支持下,由新兴电子公司Cree带领的研究人员设计出一些方法,可以生长出直径超过150毫米的碳化硅晶体。Neudeck说,电力行业正在用这些材料建造更小的变压器和更高效的发电厂。

Neudeck和同事开始把这些材料变成成熟的计算机电路,在干净的房间里组装越来越复杂的芯片。最大的突破是在4年前做出的,当时他们弄清了如何制造分层芯片,使电子信号能够交叉,使潜在的复杂性迅速增加。“我们在试图重新创建摩尔定律,这样做是为了高温。”Neudeck说。在1年的时间里,他们使碳化硅芯片上的晶体管数量增加了10倍。

这并非要做计算机处理器。一个现代硅芯片能包含70亿个晶体管;而每个在金星实验室运行的芯片上则有175个。Neudeck还使用了一种老派的晶体管设计。基本上看,它是一个超昂贵的、迟钝的袖珍计算器。但在金星上运行的袖珍计算器却具有价值。Neudeck说,“这已经是上世纪六七十年代许多早期科学任务的复杂程度”,而且比阿波罗飞行任务中的电脑芯片更强大。

尽管如此,除非能有一种方法证明该芯片的耐力,否则Neudeck团队的工作将是一场秀。而这正是该团队在去年所做的。

活跃的表面

航空专家Tibor Kremic曾在华盛顿特区NASA总部呆过一段时间,在返回格伦中心之前他看到了一个机会。一开始,他凑钱建造了最大、最先进的模拟金星表面的设施。去年,这个迷你型的舱室得到重建和升级。现在,除了在高温高压下运行大量气体外,GEER还可以混合8种不同的气体,形成类似金星大气的气体,它可以将水和其他液体注入到汽锅中。“最终的结果是,当我们到达那里时,就更有可能充分了解金星是什么样子了。”Harvey说。

该舱室很快便在压力测试和基础科学方面证明了它的价值。去年,Neudeck的芯片在GEER中度过了21天,这或能改变金星探索的进程。从那以后,NASA已经资助Kremic的团队为长期登陆者探索3个不同的概念。由喷气推进实验室机械工程师Jonathan Sauder领导的团队一直在研制一种类似钟表发条的探测器以探索金星表面,它几乎没有电子设备。马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的Lori Glaze说:“我认为,能够登陆或探索金星表面绝对处于未来视野之内。”

金星表面可能比几年前行星科学家所认为的要活跃得多。在21世纪头十年后期,欧洲金星快车轨道探测器描绘了一幅更加生动的金星画面。

通过追踪大气,它看到持续约1年的二氧化硫的4倍峰值——或许一种皮纳图博式火山大规模爆发的迹象。通过以特定波长的光线穿过云层,金星快车似乎能分辨出类似火山地貌附近的异常黑暗的地形——这类似于地球上新熔岩的样子。在任务接近尾声时,金星快车在一座火山一侧的裂缝中观测到了几百摄氏度的高温。“这让我们认为金星应该是活跃的。”Wilson说。

蓄力新任务

科学家很想知道答案。然而,诸如NASA的3个“新前沿”候选任务等,更关注该行星的遥远过去。但其中两项(一项由Glaze带领,另一项由科罗拉多大学行星科学家Larry Esposito带领)可能会是“短命”任务。

每个任务将把压力容器投入金星大气中,以此在降落过程中测量其大气中的化学物质,并用激光或钻头在登陆金星表面后的几个小时内进行岩石采样。

分析大气中无反应惰性气体的同位素可以给科学家提供一扇窗,了解金星是否在一开始像地球一样有大量的水,以及金星内部是否仍然隐藏着水(板块构造的润滑剂)。正如一些研究人员推测的那样,探测岩石成分可以揭示被称为“嵌入体”的略微升高的区域是否是各大陆留下的痕迹。

如果要知道确切答案,研究人员需要测量今天金星内部的情况。这一信息只能通过持续聆听来获得,这正是格伦中心的着陆器承诺可以做到的。

此外,由喷气推进实验室科学家Suzanne Smrekar提出的第三个“新前沿”任务,将采取一种更不寻常的方式:用在轨雷达和光谱仪探测金星表面的成分,即用一个小型探测器俯冲到大气中捕捉气体并进行同位素分析。

与此同时,在克利夫兰,最新的耐力测试已经结束。Neudeck报告说,他的芯片可以在整个过程中发挥作用,而且可能会运行得更久。他很有信心,未来有一天,类似这样的装置将能勇敢地降临在“地狱”般的金星表面。在一切准备好之前,他会一直对其进行测试,为隔壁的“小地狱”标记时间。(冯维维编译)

《中国科学报》 (2017-11-30 第3版 国际)
 
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