作者:唐一尘 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/2/16 15:58:28
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从火星拿石头回来:24亿美元起
美国正打造能将样本运回地球的火星车

火星2020探测器的钻孔系统 图片来源:Patrick Fallon

2012年,Adam Steltzner成为工程界的明星。因为该团队对探测器机动性的大胆设计,美国(NASA)的火星探测器好奇号这一年在火星表面完美着陆。而现在,Steltzner只关心一个问题:如何进行清洁。

他执意清洁的对象是一个和他的手掌差不多大小的深灰色金属管。Steltzner工作于喷气推进实验室(JPL)的一栋仓库般的建筑:他是NASA下一个火星探测器的首席工程师。要完成这次火星探测器任务,这个金属管必须成为地球上最干净的物体之一。

这个重达一吨的六轮火星车计划在2020年7月于佛罗里达州发射,携带43个这样的金属管开始长达7个月的火星之旅。抵达火星之后,探测器将在火星表面行驶,并用这些金属管采集尘土、岩石或气体。随后,这些管子会被密封存放在火星表面,等待几年、甚至几十年后的另一架航天器把它们带回地球。这将会是人类把火星物质带回地球的首次尝试。

如果一切顺利,这些样本将会成为有史以来最宝贵的地外样本。塞在某个金属管里的,可能会是证明地外生命存在的那个微生物体、生物矿物质或有机分子。

这就是Steltzner和团队要做到非常清洁的原因了。一个来自地球的细胞,或者一点点其他污染都会毁掉明确检测到火星微生物的全部机会。因此,该团队正在设计一个机器人采样系统,以保证全程没有污染。“我们要比有史以来的任何人都更干净。”Steltzner一边说,一边摇晃金属管,“我们得好好设计这玩意儿。”

这次尝试的赌注不能更高了。NASA把24亿美元和火星探测项目的未来都押在了火星2020探测器上。如果这次任务能够采集到一套无污染的岩石样本,且最终将这些样本取回地球,这些样本便将会决定太阳系科学的发展。如果计划失败——火星素有太空计划坟墓的恶名——NASA就将不得不放弃数十年来的梦想。

火星探测器的诞生

JPL依偎着洛杉矶东北部的山脉。校园里,不穿外套的工程师漫步在桉树遮荫的小径上。其中一些人拐弯进入了一桩建筑,在这里,任务指挥员操控着目前在火星上工作的两辆火星车。其他人则继续步行至179号楼——航天飞行器组装车间,无数月球、火星和行星际空间的任务设备都在这里诞生。

现在,这里也是2020年火星探测器成型的地方。到目前为止,这栋建筑中巨大的洁净室里只有此次任务的一个主要部件——一个被包裹在银色包装纸里的盘状隔热盾。

4年前,在2020年的火星任务公布时,NASA就大力宣传了他们重复利用的能力。从1996年重11公斤的探路者号,到2003年重180公斤的勇气号和机遇号,再到2012年重达900公斤的庞然大物好奇号,NASA已经成功将一系列探测器送上火星上。JPL设计制造了所有探测器,每一次新任务都意味着更复杂的设计和更大的科学野心。

但现在,从工程学角度来看,一些为好奇号任务所做的工作可以直接用在2020年火星探测器上。新探测器约85%的部分将会继承过去的设计——底盘、动力和通讯系统,还有其他可以从好奇号上复制的元素。“我们用更少的钱办了更多的事。”参与过数次火星探测器任务的项目副经理Matt Wallace说。

新探测器负责科研的部分将重新设计:在火星上开展测量工作的工具,以及负责收集和储藏岩石样本的系统。新探测器的科学载荷将包括7套设备,都是全新或改进设计的。例如,探测器桅杆上的全景照相机将拥有变焦功能,可以细致观测科学家感兴趣的区域、探测器的机械臂将会搭载紫外线和X射线质谱仪,能比好奇号的设备更加细致地测绘岩石。

在此次任务中,为珍贵的岩石样本收集地质背景信息的唯一机会,就寄托在这些工具上。地质背景信息是理解火星物质的关键,也是理解整颗行星的关键。科学家已经拥有了数以百计的火星岩,但这些样本都没有地质背景信息:它们在几百万、甚至几十亿年前被撞离火星,成为陨石坠落到地球上。

“我们想得到一套完美的现场记录,一套人们在今后几百年都会查阅的纪录。”X射线质谱仪项目的负责人、JPL天体生物学家Abigail Allwood如是说。“要证明生命存在,我们就要对证据做出最严酷、最挑剔的调查。”

寻宝奇兵

要寻宝,就轮到Steltzner和他的团队登场了。他们要从零开始想象出最佳的样本采集机制。

最终,他们敲定了一套系统:探测器伸出手臂触及岩石,然后钻孔并提取一份重15克的样本。探测器将牢牢封住金属管,随后把它们存放在探测器内。为了减少样本暴露在火星大气中的时间,并尽可能减少样本污染,整个采样过程只用时1小时。

探测器将会携带足够的供给,以装满并密封至少31个约14厘米长、2厘米粗的金属管。而一些管子将会作为“目击”管:这些管中装满了铝网或陶瓷之类的材料,以捕捉环境污染物。在飞往火星的途中,其中一个目击管将被打开,以捕捉旅途中蒸发出来的一切物质。其他目击管将会在火星表面被先后打开,用来收集在各个采样点飘过的一切物质。之后,科学家便能利用这些管子判定采集到的岩石样本是否被污染了,以及是何时被污染的。

这意味着火星2020团队需要取回最纯净的样本。被制造出来、清洁烘干,装进火星车后,这些金属管的内部有可能就是这颗星球上最纯净的环境了。项目副科学主管Ken Williford说:“这是对无机物质、有机物质和生物物质的三重洁净要求,因此,制造这些金属管非常具有挑战性,也使得这次任务与NASA以往的其他任务相比独一无二。”

此外,而NASA的2020任务必须要超越行星保护的常规要求,以保证最终取回地球的样本的科学严谨性。在NASA华盛顿特区总部工作的行星保护官Cassie Conley称,NASA对这些样本的处理方式会像对阿波罗计划带回的月岩样本一样小心谨慎,甚至更为小心。

问题重重

从实际操作角度讲,航天器无法做到绝对干净,参与任务的科学家要决定出一个可以接受的污染水平。有机和无机污染物质都要被控制在特定标准下:例如,一个顾问团建议每份样本中的有机碳不超过十亿分之四十。

但样本无论如何都会被钨污染,因为钻齿是用氮化钨制成的。这意味着科学家将无法利用钨和铪元素的放射性衰变来判断火星岩石的年龄。

另一个需要考虑的问题是,这些金属管在火星表面、等待被接回地球时,它们的温度会达到多少。田纳西大学诺克斯维尔分校行星地理学家Hap McSween等人分析了在不同温度下,有哪些科学信息会丢失。结论是,60°C是可接受温度的上限;超过60°C时,一些有机分子就会开始降解,一些矿物质开始分解,其他变化也会对研究产生不利影响。

科学家还担心在火星表面暴露了数百万年后,远古火星遗留下来的有机化合物都已经降解了。因此,一种获取最佳样本的策略或许是针对特定的区域,比如火星山崖的下方:上层的岩石断裂时,新鲜物质就能暴露出来。

可以说,火星2020探测器能否成功在很大程度上取决于着陆点。

日前,NASA公布了新一代火星探测器的三个着陆地点候选目标,包括火星表面的古老区域东北流沙,曾拥有古代湖泊的耶泽罗陨石坑,以及可能拥有过古代火星温泉、之前的勇气号火星车曾探测过的哥伦比亚山脉。其中耶泽罗陨石坑曾是一个火星湖泊所在地,目前最令科学家们满意。

NASA项目科学家Ken Farley回忆道,第一次认真谈起把火星样本运回地球是上世纪80年代末。那时,NASA预计这项任务可能将在十年内完成。Farley表示,从现在算起,至少还需要十年时间才能把火星样本运回地球。“但我们至少已经开始了。”(唐一尘编译)

 
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