重探“地狱”金星

计算机芯片在美国宇航局的格伦极端环境设备中进行高温高压测试。它可能被用于长期金星着陆器。

资料来源:美国航天局照片

在一个不受重视的城市和一个不受重视的美国宇航局实验室，研究人员正在思考一个不应该被忽视的星球。金星和地球是一对“表亲”。它们在组成和大小上是最接近的，但是前者已经被隐藏了几十年。自1989年以来，美国宇航局没有向那里派出任何任务。然而，最近来自欧洲和日本的卫星已经在地球厚厚的硫云之外停留了一段时间。自1985年以来，没有航天器在金星着陆。恶劣的环境和缺乏资金使得金星，地球最近的邻居，感觉比以往任何时候都要遥远。

今年9月，美国国家航空航天局格伦研究中心的电气工程师菲尔·纽德克(Phil Neudeck)坐在显示器前，凝视着他面前的紫色和蓝绿色波形。那是他看邻居维纳斯的窗口。在密封的门后面，有一个14吨重的不锈钢罐，其巨大的端口是密封的。为了保证罐内极高的压力，固定螺母的螺钉也有自己的螺母。连续33天，格伦极端环境设备(GEER)一直在运行。它模拟了460摄氏度高温、充满超临界状态二氧化硫(气体和液体共存)的大气环境。罐子里有两个微芯片，它们有节奏地跳动。Neudeck根据金星时间运行它，一切正常。

Neudeck和他的同事正在帮助推动一项技术飞跃，这将彻底改变金星的探索，也可以应用于火星。在接下来的10年里，美国宇航局可能会在金星上着陆一些简单的无保护机器人，它们可以测量风速、温度、化学物质、压力和地震波。此外，这些着陆机器人可以在金星上停留数月而不是数小时。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。但是就金星的环境而言，我们已经获得了最坚固耐用的芯片。”如果这些芯片能够发挥它们的潜力，科学家们在金星上停留很长时间的梦想可能最终会实现。

袖珍计算器

如果格伦研究中心的计划成功，将有助于重新点燃人们对金星的兴趣。金星曾经是行星探索的主要目标之一，特别是苏联已经在它的表面着陆，但是从那以后金星一直被火星、小行星、系外行星和它们的卫星的探索任务所掩盖。今年早些时候，美国宇航局最新“发现”任务(耗资5亿美元的行星探测任务)的五个入围者中有两个与金星有关。他们计划探测金星周围或者直接跳入金星大气层。这些计划看起来不错，但最终都失败了。

今年晚些时候，该机构将宣布下一个10亿美元“新边疆”任务的入围者。在10多个候选项目中，有3个以金星为目标。但是他们面临着激烈的竞争，包括与土星的返回卫星土卫二和土卫六的竞争，卡西尼号的任务已经表明那里可能存在生命。

如果金星在比赛中再次失败，格伦中心的创新可能是最佳路线:不是围绕金星，而是一直到它的表面。它对金星进行科学探索的愿望非常强烈。没有一颗行星能解释地球是如何变成现在这个样子的。火星太小而且冻结了。它的大部分热量和大气很久以前就消失在太空中了。"对于一颗地球大小的行星来说，它确实属于金星."英国牛津大学的行星科学家高林·威尔森说。了解金星的大气层是如何变坏并变成失控的温室，将所有海洋蒸干并炙烤地球表面，将有助于天文学家研究太阳系的其他行星，并将外行星与地球的“邪恶表亲”金星区分开来。

因此，探索耐高温电子产品的吸引力不容忽视。在美国国家航空航天局和美国海军研究办公室的支持下，新兴电子公司克里(Cree)领导的研究人员已经设计出生长直径超过150毫米的碳化硅晶体的方法。Neudeck表示，电力行业正在使用这些材料建造更小的变压器和更高效的发电厂。

Neudeck和他的同事开始将这些材料转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。最大的突破是在四年前，当时他们发现了如何制造分层芯片，这样电子信号可以交叉，潜在的复杂性迅速增加。“我们正试图重现摩尔定律。我们这样做是为了高温。”纽德克说。一年内，他们将碳化硅芯片上的晶体管数量增加了10倍。

这不是计算机处理器。现代硅片可以包含70亿个晶体管。金星实验室每个芯片上运行着175个。Neudeck还采用了老式晶体管设计。基本上，这是一个极其昂贵和乏味的袖珍计算器。但是运行在金星上的袖珍计算器是有价值的。Neudeck说，“这是20世纪60年代和70年代许多早期科学任务的复杂性”，比阿波罗任务中的计算机芯片更强大。

然而，除非有办法证明芯片的耐久性，否则纽戴克团队的工作将是一场表演。这正是团队去年所做的。

有效表面

航空专家蒂博尔·克莱姆在华盛顿的美国宇航局总部呆了一段时间，在返回格伦中心之前看到了一个机会。起初，他集资建造了最大、最先进的设施来模拟金星表面。去年，这个小木屋被重建和升级。现在，除了在高温高压下运行大量气体外，GEER还可以将8种不同的气体混合形成一种类似金星大气的气体，这种气体可以将水和其他液体注入锅炉。“最终结果是，当我们到达那里时，我们更有可能完全了解金星的样子。”哈维说。

机舱很快证明了它在压力测试和基础科学中的价值。去年，纽德克的芯片在GEER停留了21天，这可能会改变金星探索的进程。从那以后，美国宇航局资助了克莱姆的团队，为长期着陆器探索三种不同的概念。由喷气推进实验室的机械工程师乔纳森·绍德领导的一个小组一直在开发一种像钟表一样的探测器来探索金星的表面，金星上几乎没有电子设备。马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心的洛里·格雷斯说:“我认为能够着陆或探索金星表面肯定是在未来的地平线上。”

金星表面可能比几年前行星科学家认为的要活跃得多。在21世纪的前10年，欧洲金星快车轨道器描绘了一幅更加生动的金星图像。

通过追踪大气，它看到了四倍的二氧化硫峰值，持续了大约一年——这可能是西奈山大规模喷发的迹象。通过让特定波长的光穿过云层，金星快车似乎能够区分火山地貌附近异常黑暗的地形——类似于地球上新熔岩的出现。在任务接近尾声时，金星快车在火山一侧的裂缝中观测到几百摄氏度的温度。"这让我们认为金星应该是活跃的."威尔逊说。

储能的新任务

科学家渴望知道答案。然而，如美国宇航局的三个“新边疆”候选任务等。，更加关注这个星球的遥远过去。但是其中的两个(一个由Glaze领导，另一个由科罗拉多大学行星科学家Larry Esposito领导)可能是“短命的”。

每次任务都将把压力容器放入金星大气中，测量着陆过程中大气中的化学物质，并在着陆金星表面后的几个小时内使用激光或钻孔机对岩石进行取样。

分析大气中惰性气体的同位素可以为科学家提供一个窗口，让他们知道金星开始时是否有大量像地球一样的水，以及水(板块构造的润滑剂)是否仍隐藏在金星内部。正如一些研究人员推测的那样，探测岩石的成分可以揭示被称为“嵌入物”的轻微隆起的区域是否是大陆留下的痕迹。

为了知道确切的答案，研究人员需要测量今天金星内部的情况。这种信息只能通过持续的倾听来获得，这正是格伦中心的着陆器承诺要做的。

此外，喷气推进实验室科学家苏珊·斯姆雷卡尔提出的第三项“新前沿”任务将采用一种更不寻常的方法:利用在轨雷达和分光计探测金星表面的成分，即一个小型探测器潜入大气层捕获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报道说，他的芯片可以在整个过程中发挥作用，并可能运行更长时间。他非常有信心有一天，像这样的装置会像地狱一样勇敢地降落在金星表面。在一切准备就绪之前，他会一直测试它，并为隔壁的“小地狱”标记时间。(冯伟伟编著)

《中国科学日报》(2017-130第三版国际版)