NASA：2020探火星

李有觀

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

2012年，NASA噴氣推進實驗室火箭科學家亞當·斯特爾茨納成了工程界的明星，當時他是“好奇號”火星探測器登陸火星項目負責人。現在，他關注的是如何清潔火星車的問題。他所癡迷的清潔對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位于加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室（簡稱JPL），嚴格講是在一棟倉庫式建筑物內。他擔任了NASA新的火星探測器的總工程師。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器完成任務。

不遲于2020年7月，重達1噸、擁有6個輪子的火星車就將從美國佛羅里達州發射升空，攜帶43根這樣的金屬管子，開始長達7個月的火星之旅。到達火星之后，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，直到另一個航天器抵達，并把它們帶回地球。這將是人類把火星物質帶回地球的首次嘗試。如果一切按計劃順利進行，這些火星物質將成為迄今為止發現的最珍貴的外星樣本。金屬管內的微生物、生物礦物質或有機分子可能是地球以外生命是否存在的證據。

這就是為什么斯特爾茨納和他的團隊必須把管子處理得非常非常清潔的原因。管子里只要有一個地球細胞或其他污染物的微粒，都會破壞明確檢測到火星微生物的任何機會。因此，該項目團隊正在嘗試設計一種能夠保持工作環境一塵不染的機器人采樣系統。

去火星采標本

2020年，NASA計劃向火星發送探測器，采集火星土壤巖石及氣體標本，然后把這些標本存儲在超級清潔的笛子里。如果試驗成功，下一步就是把這些管子帶回地球進行研究。工程師們正在忙著測試包含采樣系統在內的火星車。

“我們將比以往任何時候都更加注重清潔。”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，“我們要認真設計這玩意兒。”

這是一次豪賭。NASA把24億美元的資金和其火星探測計劃的未來都押在了2020年的火星探測器上。如果這次任務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，就將有助于對太陽系的深入研究。如果計劃失敗——火星素以太空任務的墓地而臭名昭著——NASA將不得不放棄它幾十年以來的夢想。

在噴氣推進實驗室的會議室、試驗室和潔凈室里，科學家和工程師們正在為這次任務的關鍵問題做出最后決定。他們探索和質疑每一個細節：如何在火星表面讓金屬管保持涼爽;探測器在火星上每一分鐘的工作內容：如何按計劃完成所有工作。這是2020年的火星探測項目的關鍵階段，因為NASA將進一步選擇可能的火星著陸點，并進開展決定性的設計審查，該項目必須通過這項審查才可以繼續前進。到2020年發射時，任務成敗將在一定程度上取決于現在做出的選擇。

探測器

噴氣推進實驗室里陽光明媚，在其中—棟建筑物里，研究人員利用遠程操縱設備，正在控制著在火星上工作的探測器。另外一棟建筑物——179號樓是歷史悠久的航天飛行器組裝車間，許多執行月球、火星和行星際空間任務的設備都在這里誕生。

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

要求必須超級清潔的管子。

NASA在幾年前宣布2020年火星探測計劃時，就大力宣揚了這種可重復使用性。該機構已經成功地向火星發送了一系列的探測器：從1996年重11千克的“探路者號”，到2003年重180千克的“雙胞胎”——“勇氣號”和“機遇號”，再到2012年重達900千克的“好奇號”。噴氣推進實驗室設計和制造了所有探測器，每個探測器都在復雜性和科學性方面向前邁進了一步。

2020年的火星探測器可以部分沿用“好奇號”探測器已經驗證過的工作成果。新探測器大約85%的部件將會采用傳統設計——底盤、動力和通訊系統……，另外很多設計也是從“好奇號”上復制過來的。

需要重新設計的是用于科學研究的部件——在火星上進行測量的專用工具，以及收集和儲存巖石樣本的設備。新探測器的科學有效載荷將包括7套設備，所有設備要么是全新的，要么是經過改進的設計。例如，安裝在探測器桅桿上的全景攝像機將具有變焦功能，可以讓專家們細致觀測他們感興趣的區域。探測器的激光儀器將增加新的工作頻段，以增強對巖石化學和礦物學的研究能力。探測器的機器人手臂將配備紫外線和×射線光譜儀，能夠比“好奇號”探測器的儀器更詳細地測繪巖石。

極致清潔

發射探測器飛到火星表面，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場記錄，這樣研究人員在今后幾個世紀都可以參考它。”X射線光譜儀的首席研究員、噴氣推進實驗室的天體生物學家阿比蓋爾·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別對證據進行審查。”

斯特爾茨納和他的團隊決定從頭開始，構建出最好的樣品采集系統。早期的想法包括多種方案，例如利用多只機械臂來操縱不同的科學儀器。最后，他們選定了一個設計方案，在這個方案中，探測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，探測器先將金屬管密封，再把它們存放在探測器機體內——所有這些都在一小時內完成，以減少樣品暴露在火星大氣中的時間，避免可能的污染。

探測器將會攜帶足夠的補給品，以填充和密封至少31根約14厘米長、2厘米粗的金屬管（探測器也會攜帶幾個備用金屬管，以備不時之需）。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，事先裝入鋁網或陶瓷等材料，以捕捉環境污染物。在飛往火星的途中，其中一個“見證”管將被打開，以捕捉可能從航天器上蒸發出來的任何物質。這個管子在抵達火星時將首先被密封。其他“見證”管將會在火星表面被依次打開，用來收集在各個采樣點飄過的任何物質的樣本。之后，科學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被污染的。

這意味著2020年火星探測任務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，管子內部就可能是這顆星球上最純凈的環境了。該項目的一位負責人肯·威利福德說：“這是對無機、有機和生物物質的多重清潔要求，所以這些金屬管的制造非常具有挑戰性，也使得這次任務在NASA迄今為止執行的任務中獨一無二。”

為了不讓來自地球的微生物污染火星，其他航天器也曾經達到了極高水平的清潔度。早在20世紀70年代，美國發射“海盜號”火星探測器時就用溶劑清洗了主要設備，然后在氦氣中烘烤了4天。歐洲航天局計劃于2020年發射的ExoMars火星探測器也制定了類似的保護性清潔措施，其任務是前往火星尋找過去或現在的生命跡象。中國計劃在2020年發射自己的火星探測器，但這個火星探測器不具備生命探測功能。

而NASA的2020年火星探測任務必須要符合超越常規的火星保護要求，以確保最終帶回地球的樣本的科學嚴謹性。NASA的行星保護官卡西·康利說，這些巖石樣本將像“阿波羅”計劃宇航員帶回的月球巖石—樣，需要被極其謹慎地處理。

實際上，人類沒有辦法使航天器達到絕對清潔。因此，有機和無機污染物質都要被控制在一定的范圍內——例如，一個咨詢小組建議，任何樣本中的有機碳總合量不應超過一億分之四。

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

另一個需要考慮的問題是，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，它們經受的溫度會有多高。應項目科學家肯·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丟失哪些科學信息。他們得出的結論是，60攝氏度是可接受溫度的上限;超過這個溫度，一些有機化合物開始分解，一些礦物質開始分解，而其他變化也可能會影響研究。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。這臺火箭調姿中的“起重機”正在把火星車吊運到火星地表。

按照NASA的計劃，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來探測火星上是否可能存在的生命跡象。他們將尋找氨基酸、蛋白質的前體以及其他復雜的有機化合物。其他證據也可能來自關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化過程的清晰信號。研究人員一致認為，并沒有一組測量數據可以證明火星生命的存在，但通過對火星巖石及其內部成分的一系列觀察，科學家或許能夠提出一個令人信服的答案。

這并不意味著探測火星生命會很容易。肯·法利是一位研究宇宙射線如何改變巖石化學成分的地球化學家。因此，他擔心火星表面暴露了數百萬年以后，任何來自遠古火星的有機化合物都已經分解掉了。獲取最佳樣本的一種策略可能必須針對火星懸崖底部的區域。在那里，巖石從高處斷裂后，新鮮物質就會暴露出來。

著陸點

NASA的計劃是在1至1.5個火星年內收集20個精心挑選并記錄在案的樣本。這意味著火星探測器需要在許多可能的采樣地點之間移動，并從多種地質環境中選擇可以獲得最有用信息的地點。在采集時，探測器可能會將金屬管放置在火星表面上一個或多個地點。

“好奇號”探測器在火星上的4.5年里只鉆了15個洞，行駛了16千米多一點。2020年火星探測任務的團隊必須更快地工作。肯·法利說：“很明顯，我們必須保持非常高的速度。”

可以說，2020年火星探測器的科學成功在很大程度上取決于它著陸的地點。NASA正在考慮8個著陸點。其中一半位于以前的湖泊、三角洲或其他曾長期存在水和沉積物的環境中，因為這樣的環境可以保存古代生命的證據。其他可能的著陸點位于比較古老的巖石間，在那里，溫暖的熱泉水曾經滲透過火星地殼，這可能在很久以前就使生命得以繁衍。2020年火星探測任務團隊成員、美國加州理工學院的行星地質學家貝瑟尼·埃爾曼說，被選中的著陸點將會決定火星科學的研究方向。

在美國加利福尼亞州蒙羅維亞舉行的一次研討會上，科學家們計劃把著陸點的名單縮減一半，并在火星探測器發射之前為NASA推薦一個最終選定的著陸點。

同時，該任務團隊將對其設計的所有方面進行最后審查。如果通過，噴氣推進實驗室將繼續認真制造科學儀器、樣本采集系統和其他硬件。這些設備一旦制成，還需要通過測試，然后在2020年7月或8月發射。

NASA還沒有決定什么時間將火星巖石樣本帶回地球。在2020年火星探測任務以后，并沒有其他獲得預算或批準的火星任務。NASA總部的管理人員已經表示，希望在2022年發射一個新的火星軌道飛行器，作為未來任務的通信中繼站，并取代已經老化的火星軌道飛行器。在此之后，NASA的首要任務是把火星巖石樣本帶回地球，同時支持可能的載人火星計劃。

肯·法利說，可能至少還需要10年時間才能把火星巖石樣本帶回地球。“但是我們現在已經開始工作了。”（原作者：亞歷山德拉·維特澤）

責任編輯：吳佩新