從火星取樣返回 沒那么容易

晨陽

采集火星巖石樣本的那些辛酸事

印度《歐亞時報》7月2日稱，中國近日宣布天問一號火星探測器已經完成其預定使命。報道注意到，天問_號項目負責人孫澤洲還透露了中國下一步火星探測計劃，準備在2028嘵再執行兩次發射任務，并于2031年7月將火星樣本帶回地球。“中國將成為全球第一個實現火星取樣返回的國家，這比美國和歐盟的聯合計劃提早了兩年”。

美國“太空”網站稱，相比美國航空航天局（NASA）和歐空局的火星取樣返回聯合項目，中國類似的火星探測計劃更為簡單，沒有派出火星車對不同地點進行取樣的步驟。報道稱，中國已有了從月球上取樣返回的成功經驗。嫦娥5號探測器于2020年12月登陸月球，隨后向地球送回自1976年蘇聯“月球24號”探測器以來的第一批月球樣品。

但“太空”網站強調，目前人類想從火星取樣返回還面臨很多技術難題。雖然現在中國和美國都成功派遣探測器在火星軟著陸并展開科學考察，但這只完成了火星取樣返回的第一步。

該網站2日還詳細介紹了美國“毅力”號火星車在火星收集巖石樣本盼遇到的困難。目前它正在火星杰澤羅隕石坑的河流三角洲地區收集巖石樣本。根據NASA的聲明，科學家們認為，如果這顆紅色星球上曾經存在生命，那么該地區可能蘊藏著億萬年前火星古老生物留下的痕跡。但NASA近日在“毅力”號火星車的推特賬號上承認：“古老的河流三角洲的巖石令人驚嘆，但迄今為止，沒有一塊巖石適合于采樣。有些巖石過于脆弱，有些太參差不齊。”

報道稱，水流沖擊形成的沉積巖最可能蘊藏火星生命線索，但選擇一塊恰好適合采樣的巖石是非常艱難的挑戰。“毅力”號安裝有機械鉆頭，能將取出的巖芯封閉在樣品管中，但有時僅僅是取芯過程就可能導致巖石樣品破裂甚至破碎。事實上，“毅力”號在選擇取樣區域時，還必須考慮巖石的形狀和取樣角度，否則根本無法鉆孔。目前它遇到的就是這樣的麻煩一科學家已經選好一塊被稱為“貝蒂”的層狀巖石，它位于三角洲底部，由交替的粗粒和細粒材質組成。糟糕的是，“貝蒂”參差不齊的巖層和形狀,讓火星車無法安全地進行鉆探。NASA科學家被迫選擇了另一塊巖石，但可能需要數天時間才能確認它是否取樣。

由于人類對火星表面的認識非常有限，火星探測器已經多次在火星鉆孔或取樣時遇到困難。早先NASA的“洞察”號著陸器試圖在火星地表打洞，但地表的堅硬程度超過了探測器的鉆探能力，以至于它在火星上的工作一度陷于停頓。2021年“毅力”號火星車首次在火星取樣時，雖然鉆孔成功了，一切設備也都運轉正常，但由于選擇的巖石的強度太軟，以至于無法收集巖芯樣本，首次取樣以失敗而告終。按照計劃，“毅力”號最終將收集36個裝有火星巖石的樣品管，并等待將它們送回地球。▲

用“二踢腳”模式 從火星發射火箭

收集到足夠的火星巖石樣本后，如何將它們成功運回地球是另一個難題。《科學美國人》網站稱，NASA已經與川洛公司簽訂了一份價值1.94億美元的合同，以建造3米長的火星上升飛行器（MAV）,這是一種小型火箭，旨在將“毅力”號收集的巖石樣本送入火星軌道。這將開創一系列人類歷史的“第一次”，難度之大可想而知。

NASA噴氣推進實驗室的克里斯?查特利爾是火星發射系統的首席工程師。他介紹說，這將是人類首次在地球以外的另一顆行星上發射火箭，MAV必須克服多重挑戰。“火星的引力只有地球的1/3,其稀薄大氣密度只有地球的1/100,因此從火星發射火箭完全不同于從地球發射火箭，也不同于之前從幾乎沒有重力和空氣的小行星上發射探測器。”他還強調，火星距離地球動輒數千方公里，MAV的起飛過程必須完全自主進行。

按照計劃，MAV將在2026年到2028年期間跟隨著陸器發射升空，經過28個月的漫長旅途后，在火星的夏季著陸。洛?馬公司深空探索事業部負責人戴夫·莫羅說：“航天器需要在恰當的季節到達火星，這樣就不會遇到沙塵暴。”

最關鍵的部分來了。MAV抵達火星后，如何從火星表面升空呢？查特利爾說：“我們最初的設想是和地球發射一樣，讓火箭從著陸平臺上垂直起飛。”但火箭起飛初期非常不穩定，通常需要安裝發射導軌以穩定姿態。但后者會增加額外的重量，無法滿足火星探測任務的需求。

按照查特利爾的說法，目前的解決思路類似“二踢腳”，即首先將火箭以每秒5米的速度彈射到半空中，MAV在1秒后點燃發動機，將籃球大小的樣本艙送到約400公里高的軌道。此后，歐空局制造的航天器將進入火星軌道，回收樣本艙并開始返回地球之旅。在過去的兩年里，噴氣推進實驗室團隊已經完成了23次模擬彈射試驗，證明了其可行性。▲

火星樣本會威脅地球安全嗎？

即便克服重重困難將火星標本帶回地球軌道，但如何讓它安全地返回地球，仍面臨很多技術難題。尤其是這些“未消毒的樣本”是否會對地球安全構成威脅，已經引起不小的爭議。

美國《費城詢問者報》稱，科學家們希望將36個總重約1磅的火星巖石樣本帶回高度安全的實驗室，尋找火星古代微生物的跡象，為人們有朝一日踏上這顆紅色星球做準備。NASA表示，正在采取一切措施防止地球受到任何污染，“樣品管本身不會被消毒，但儲存它們的容器將在太空中被消毒，并通過熱焊徹底封閉，直到它們在實驗室中打開”。相關實驗室類似研究高度傳染性病原體的生物實驗室，設置有多級凈化程序、空氣過濾系統和其他保障措施。

報道稱，盡管NASA認為回收火星巖石樣本的環境和安全風險等級為“極低”，但“并不是每個人都對此表示贊同”。今年年初NASA就此征求公眾意見時得到約170條反饋，其中大多數持否定態度。有人反對說，“我們不知道這些樣本是否無菌。如果我們要把某種東西帶回地球，不管它們是否無菌，都應該先做一些粗略的測試，看看是否帶有其他生物。”還有人詢問，為什么不能先把火星樣本送到國際空間站進行檢查。

NASA表示，這些巖石樣本存在火星生命的可能性很低，因為當前火星非常寒冷、干燥且受到高強度輻射，對生物而言“不適宜生存”。此外，預計將于2031年退役的國際空間站沒有進行相關測試所需的精密設備。至于首先對樣本進行消毒的建議，NASA更是明確表示反對，因為這可能會破壞有價值的信息，例如過去火星生命存在的痕跡。

德國科技雜志《光譜》稱，著名天體生物學家史蒂文?本納支持NASA的決定。他表示，“我認為沒有必要就火星樣本到達我們的星球后，為如何處理進行冗長的討論。”“自從地球上出現生命以來的35億年里，數以萬億計的來自火星的隕石不斷地降落在地球上。如果火星微生物存在并且可以對地球的生物圈造成嚴重破壞的話，那么它早已發生了。”▲