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美帝花24億美元想把火星岩石搬回地球,值嗎?

                                                                            2017-01-30

 


   坐落在洛杉磯山脈北部和東部的噴氣推進實驗室(the Jet Propulsion Laboratory ,簡稱JPL)中充滿陽光,穿著襯衫的工程师們在桉樹形狀的小路上散步。一些人轉身進入了一棟建築,這里對火星探索來說非常重要,里面的遠程驅動設備控制著兩台正在火星上工作的探測器。其他人則繼續向前走,到了179號樓。曆史上有許多航天器都是在這里裝配的,無數奔向月球,火星,星際空間的的設備也是從這里誕生。

  如今,這也是制造2020年新型火星探測器的地方。

  此前NASA在宣布2020年的任務前,就吹捧過一系列來自這里新的技術。到目前為止,他們也成功发射了一連串的火星探測器。從1996年開始,11千克重的探路者號(Pathfinder)被发射升空,到2003年,180千克重的勇氣號(Spirit)與機遇號(Opportunity)同時升空,再到2012年,900千克重量的“好奇號”(Curiosity)也成功升空了。如果仔細觀察這些探測器的重量,你會发現好奇號的體重已經突破很多人的想象了。  

 

  探測器的假想圖

  現在,2020年時要使用的火星探測器可以沿著“好奇號”的工作繼續前行。其中大約85%將會繼承之前的設計,比如底盤,電力和通訊系統,還有一些設計是從其他探測器中搬過來的。NASA甚至決定投入24億美元,推進火星探測這個龐大的項目。參與過多項探測器任務的副項目經理Matt Wallace說:“我們也得到了很多資金的支持。”

  在設計新的探測器時,如何制造出在火星上測量與收集岩石樣品的工具,顯得至關重要。新的火星探測器的有效負荷有所改變,會包括七個部分改進甚至全新設計的儀器。例如,位于探測器頂端的全景攝像機,將會添加瞄准和變焦的功能,從而細致觀察科學家感興趣的部位;探測器中的激光儀器還額外增加了探測的波長,從而擴大對岩石中的礦物學或者化學特征的研究;探測器的機器人手臂使用增強的紫外線和X射線光譜儀,比起“好奇號”來,它可以更詳細地反映岩石的情況。

  科學家們表示,收集這些信息是理解火星演化的關鍵。畢竟,地球上已經有上百個來自火星的岩石了,但是現在的樣本無法體現火星的地質背景。這些隕石是在數百萬甚至數億年前,火星被撞擊時,碎裂的塊體變成隕石被带來地球的。探測器飛向火星後,是在原地鑽取岩石,這能確保樣品可以保留原始的背景信息,不被摩擦燃燒或者別的因素幹擾。這樣,研究者們就能通過破譯樣品中的信息,拼湊火星的演化過程了。

  JPL的天體生物學家,X射線光譜儀的主要研究者Abigail Allwood說:“我們想要一個真正的現場記錄,好讓後續的研究人員都可以圍繞這個樣本展開研究。如果我們要證明火星上有生命,就需要展開高水平的研究,徹底了解它所代表的信息。”

  火星尋寶

  這就是Steltzner與團隊啟動計劃的地方。他們推翻重來,想創造出比以往更好的樣本收集系統。在早期,他們隨機組合出了很多方案。最終,這個團隊經過多次測試,只選定了其中一個系統。這個系統的探測器手臂往外伸出,接觸岩石後,可以鑽取15克樣本,裝入潔淨的管子後再密閉送回探測器內。為了降低樣本暴露在火星空氣中的時間,並減少整個過程中可能出現的汙染,操作時長不能長于一個小時。

  新的火星探測器會預留出一些空間,好裝載30多根密閉金屬管(約14厘米長,2厘米寬)。除此之外還要准備一些制作精良的管子,它們填充著鋁網或者陶瓷,好捕捉環境汙染物。在飛去火星的路上,就可以直接使用這些管子了,打開一個,好測試在旅途中宇宙飛船本身會蒸发出什麼汙染物質。到達火星時,就可以把這根管子密封上,再把其他的金屬管按一定順序暴露在火星表面。這樣就可以收集火星中不同位置的化學成分。返回地球後,科學家就可以通過對比取樣管和環境汙染物收集管,確定鑽取的樣品是否被汙染了,甚至可以追溯出是什麼時候被汙染的。

  為了保障地球上的微生物不會汙染其它行星,航天器上的用水已經達到了令人驚訝的水平。早在上世紀70年代時,海盜號(Viking)火星探測器的關鍵儀器就使用了溶劑清潔,還用氦氣對它烘烤了四天。歐洲航天局的ExoMars火星探測器也計劃使用類似的保護清潔,它也會在2020年发射升空,尋找過去的生命跡象。中國也計劃在2020年发射自己的火星探測器,但這套探測器不具備探測生命的功能。

  在2020年的任務中,NASA的工作重點是必須提供超高的保護標准,確保樣品科學完整地返回地球。NASA的行星保護官員Cassie Conley表示,他們會仔細工作,像當時對待阿波羅號(Apollo)宇航員带回的月球岩石一樣,對待從火星带回來的樣品,甚至,還會提高工作的標准。

  實際上,宇宙飛船沒有辦法保障完全幹淨。相反,科學家們的任務是決定他們可以忍受的汙染是什麼樣的水平。有機和無機材料都必須保持在一定范圍內,例如,一個諮詢小組建議,任何樣品中的總有機碳含量不要超過十億分之四十。

  可惜,樣品不可避免地會被鎢汙染,因為鑽頭是由氮化鎢制成的。這意味著,未來的科學家不能使用依賴鎢和鉿的放射性衰變系統來確定火星岩石的年齡,他們將不得不選擇其他替代方案。McSween說:“將來我們需要接受這一點。”

  還有一點也需要注意,當金屬管在火星表面等待被其他飛行器带回地球時,它們會經曆怎樣的高溫考驗。在Farley的要求下,McSween和他的小組會分析,在不同的溫度下,樣品會丟失什麼科學信息。他們總結出,60℃是可以接受的上限,溫度再高,一些有機化合物就會降解,有些礦物也會分解,這個過程发生的變化,可能會對未來的研究造成威脅。因此,工程师們決定,將這些金屬管用氧化鋁包裹起來,從而反射陽光保證它們的溫度在60℃以下。

  目前NASA還沒有將樣本带回來的計劃,但是當新的探測器抵達火星地面時,研究者們會使用一套技術,測試火星上是否曾經存在生命。他們會尋找氨基酸,蛋白質前體,以及其他复雜的有機化合物。當然,關鍵分子的同位素比值也可以作為參照,地球上的這些分子就是提供生物活動過程的一種替代信號。

  要完成這一系列的動作可不容易。Farley是一位研究宇宙射線如何改變岩石的地球化學家,他擔心,在火星表面的環境中暴露上百萬年的時間,可能會使曾經的有機化合物遭受分解。要想獲取最佳的樣本,或許得瞄准火星懸崖底部的區域,在那里,岩石從高處掉落時會破裂開,新鮮的物質會暴露出來。

  目前,在火星上的4.5年里,“好奇號”只鑽了15個洞,行使了超過16公里的路程。新的火星探測器團隊計劃,未來會以更快的速度完成更大量的工作。Farley說:“很明顯,我們必須保持一個非常高的工作效率才行。時間不允許我們坐下來慢慢討論要在哪里鑽孔。”

  把樣品带回地球

  到2017年2月時,設計團隊需要把這項任務的相關設計再審查一遍。如果審查通過,JPL會按方案繼續建設科學儀器、采樣系統和其它部分的硬件。探測器制造完成後,會在2020年7月左右做實體測試。

  NASA還沒有確定什麼時候樣品會被取回地球,但總部管理人員已開始暗示,他們想在2022年发射新的衛星,取代之前已經老化的衛星,從而繼續為未來的研究鋪路。此後,可能就會考慮將火星樣本带回地球了。

  現在,NASA的新計劃也在推進,他們資助了一些關于在火星上发射飛行器的研究,這些飛行器會攜带著一小包樣品(可能是保齡球般大小)進入火星軌道。此時,一艘新的航天飛行器就會在這個軌道上收集來自火星的包裹,把它們带回地球,可惜,目前,這艘新的航天飛行器還沒有明確的計劃。

  Farley說,在上個世紀80年代時,他們就已經開始認真討論如何把火星上的樣本带回地球了。當時,NASA估計需要10年的時間才能完成。現在,好像還要等10年才能真的把火星的樣本带回地球,Farley還說:“但至少我們現在開始做了。”

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