美国正打造能将样本运回地球的火星车

火星2020探测器钻井系统照片来源:帕特里克·法伦

亚当·斯特尔茨纳在2012年成为工程界的明星。由于团队对探测器可操作性的大胆设计，美国宇航局的火星探测器好奇号今年完美着陆在火星表面。现在斯特尔茨纳只关心一个问题:如何清洁它。

他坚持要清理的东西是一个大约手掌大小的深灰色金属管。斯特尔茨纳在喷气推进实验室(JPL)的仓库式建筑中工作:他是美国宇航局下一个火星探测器的总工程师。为了完成这个火星探测任务，这个金属管必须成为地球上最干净的物体之一。

一吨重的六轮漫游者计划于2020年7月在佛罗里达发射，携带43个这样的金属管进行为期7个月的火星之旅。到达火星后，探测器将在火星表面运行，用这些金属管收集灰尘、岩石或气体。然后，这些管子将被密封在火星表面，等待另一艘宇宙飞船在几年甚至几十年后将它们带回地球。这将是首次尝试将火星物质带回地球。

如果一切顺利，这些样本将成为历史上最有价值的外星样本。卡在金属管中的可能是证明外星生命存在的微生物、生物矿物或有机分子。

这就是为什么斯特尔茨纳和他的团队必须非常干净。一个来自地球的细胞，或者一点点其他的污染，将会摧毁所有肯定能探测到火星微生物的机会。因此，该团队正在设计一个机器人取样系统，以确保整个过程无污染。"我们比历史上任何人都干净。"斯特尔茨纳摇晃着金属管说，“我们必须把这个东西设计好。”

这一尝试的风险不能再高了。美国国家航空和宇宙航行局已经押下24亿美元和2020年火星探测计划的未来。如果这次任务能够收集一组无污染的岩石样本，并最终将这些样本带回地球，这些样本将决定太阳系科学的发展。如果计划失败——火星被称为太空计划的坟墓——美国宇航局将不得不放弃几十年的梦想。

火星探测器的诞生

JPL依偎在洛杉矶东北部的群山中。在校园里，不穿外套的工程师们漫步在桉树树荫下的小路上。其中一些变成了一座建筑，在那里任务指挥官控制着目前正在火星上工作的两辆火星车。其他人继续步行到179号大楼，宇宙飞船组装车间，那里诞生了无数的月球、火星和星际空间任务设备。

现在，这也是2020年火星探测器形成的地方。到目前为止，大楼里巨大的洁净室只有一个主要组成部分——一个用银色包装纸包裹的圆盘形隔热罩。

四年前，当2020年宣布火星任务时，美国宇航局大力推广了他们的再利用能力。从1996年重11公斤的探路者号、2003年重180公斤的勇气号和机遇号，到2012年重900公斤的巨兽好奇号，美国宇航局已经成功地向火星发射了一系列探测器。JPL设计并制造了所有的探测器，每一项新的任务都意味着更复杂的设计和更大的科学野心。

但是现在，从工程的角度来看，为好奇号所做的一些工作可以直接用在火星漫游者2020上。大约85%的新探测器将继承过去的设计——底盘、电源和通信系统，以及其他可以从好奇号复制的元素。"我们用更少的钱做了更多的事情。"参与过几次火星探测任务的项目副经理马特·华莱士说。

新探测器的科学研究部分将被重新设计:在火星上进行测量的工具以及收集和储存岩石样本的系统。新探测器的科学有效载荷将包括7套设备，所有这些设备都是新的或在设计上有所改进。例如，探测器桅杆上的全景照相机将具有变焦功能，可以对科学家感兴趣的区域进行详细观察，探测器的机械臂将携带紫外线和X射线质谱仪，这种质谱仪可以比好奇号的设备更详细地测绘岩石。

在这次任务中，收集珍贵岩石样本的地质背景信息的唯一机会在于这些工具。地质背景信息是理解火星物质和整个星球的关键。科学家已经有数百块火星岩石，但这些样本没有地质背景信息:它们是几百万年前甚至几十亿年前从火星上被撞下来，作为陨石撞向地球。

“我们想要一套完美的现场记录，一套人们将在未来几百年内查阅的记录。”这是JPL天体生物学家阿比盖尔·奥尔伍德，x光质谱仪项目负责人所说的。“为了证明生命的存在，我们必须对证据进行最严厉和最关键的调查。”

寻宝者

为了找到宝藏，轮到斯特尔茨纳和他的团队了。他们必须从头开始想象最佳的样本收集机制。

最后，他们最终确定了一个系统:探头伸出去接触岩石，然后钻一个洞，取一个重15克的样品。探针将牢固地密封金属管，然后将它们储存在探针中。为了减少样品在火星大气中的暴露时间，尽可能减少样品污染，整个取样过程只需1小时。

探测器将携带足够的补给来填充和密封至少31根长约14厘米、厚约2厘米的金属管。一些管子将被用作“见证”管:这些管子填充有铝网或陶瓷等材料，以捕获环境污染物。在前往火星的途中，其中一个观察管将被打开，以捕捉旅行中蒸发的所有物质。火星表面的其他观察管将一个接一个地打开，以收集在不同采样点漂移的所有物质。科学家可以使用这些试管来确定采集的岩石样本是否以及何时受到污染。

这意味着火星2020团队需要取回最纯净的样本。在制造、清洗、干燥并装载到探测车之后，这些金属管的内部可能是地球上最纯净的环境。项目科学部副主任肯·威利福德说:“这是对无机、有机和生物材料的三重清洁要求。因此，制造这些金属管是非常具有挑战性的，这使得这项任务与过去美国宇航局的其他任务相比是独一无二的。”

此外，美国宇航局2020年的任务必须超越行星保护的常规要求，以确保地球样本最终检索的科学严谨性。在美国宇航局华盛顿总部工作的行星保护官员凯西·康利说，美国宇航局会像阿波罗带回的月球岩石样本一样小心甚至更加小心地处理这些样本。

有许多问题

从实用的角度来看，宇宙飞船不可能绝对干净，参与任务的科学家必须确定一个可接受的污染水平。有机和无机污染物都应该被控制在一定的标准之下:例如，一个顾问小组建议每个样品中的有机碳含量不应该超过十亿分之四十。

然而，这些样品无论如何都会被钨污染，因为钻齿是由氮化钨制成的。这意味着科学家将无法利用钨和铪的放射性衰变来确定火星岩石的年龄。

另一个需要考虑的问题是，当这些金属管在火星表面等待被带回地球时，它们会有多热。田纳西大学诺克斯维尔分校的行星地理学家Hap McSween和其他人分析了在不同的温度下会丢失什么科学信息。结论是60℃是可接受温度的上限。当温度超过60℃时，一些有机分子将开始降解，一些矿物质将开始分解，其他变化也会对研究产生不利影响。

科学家还担心，古代火星留下的有机化合物在暴露于火星表面数百万年后已经退化。因此，获得最佳样本的策略可能是瞄准特定的区域，比如火星悬崖的下部:当上部岩石破裂时，新的物质就会暴露出来。

可以说，火星2020探测器的成功在很大程度上取决于着陆点。

几天前，美国国家航空航天局宣布了新一代火星探测器的三个候选着陆点，包括火星表面古老区域东北部的流沙、曾经拥有古湖泊的耶零陨石坑，以及可能拥有古火星温泉并曾被勇气号探测器探测过的哥伦比亚山。耶零陨石坑曾经是火星湖泊的所在地，现在是科学家们最满意的地方。

美国宇航局项目科学家肯·法利回忆说，第一次认真讨论火星样本返回地球是在20世纪80年代末。当时，美国宇航局预计任务将在10年内完成。法利说，从现在开始，火星样本至少需要10年才能返回地球。“但至少我们已经开始了。”(唐毅宸编译)