从火星拿石头回地球要多少钱?NASA:24亿美元起

NASA正在打造一台能将火星的生命迹象运回地球的火星车。

2012年,Adam Steltzner成了工程界的明星。有赖他的团队对探测器机动性的大胆设计,NASA的火星探测器好奇号这一年在火星表面完美着陆。而现在,Steltzner只关心一个问题:清洁。

他清洁执念的对象是一个和他的手掌差不多大小的深灰色金属管。Steltzner的工作地点是喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory , JPL)一栋仓库般的建筑:他是NASA下一个火星探测器的首席工程师。这个金属管就放在他办公室的一个工作台上。要完成这次火星探测器任务,它必须成为地球上最干净的物体之一。

最早在2020年7月,这个重达一吨的六轮火星车将在佛罗里达州发射,携带43个这样的金属管开始长达七个月的火星之旅。抵达火星之后,探测器将在火星表面行驶,并用这些金属管采集尘土、岩石或气体。随后,这些管子将被密封存放在火星表面,等待几年、甚至几十年后的另一架航天器把它们带回地球。这将会是人类把火星物质带回地球的首次尝试。

如果一切顺利,这些样本将会成为有史以来最宝贵的地外样本。塞在某个金属管里的,可能会是证明地外生命存在的那个微生物体、生物矿物质或有机分子。

这就是Steltzner和他的团队要做到非常清洁的原因了。一个来自地球的细胞,或者一点点其它污染都会毁掉明确检测到火星微生物的全部机会。因此,项目团队正在设计一个机器人采样系统,以保证全程没有污染。“我们要比有史以来的任何人都更讲究干净,”Steltzner一边说,一边摇晃金属管,就好像在把跑错了地方的微生物甩走似的。“我们得好好设计这玩意儿。”

这次尝试的赌注不能更高了。NASA把24亿美元和火星探测项目的未来都押在了火星2020探测器上。如果这次任务能够采集到一套无污染的岩石样本,且最终将这些样本取回地球,这些样本便将会决定太阳系科学的发展。如果计划失败——火星素有太空计划坟墓的恶名——航天局就将不得不放弃数十年来的梦想。

在JPL的会议室、实验室和洁净室里,科学家和工程师们正在做出此次任务中一些最为关键的决定。从如何在火星表面保证金属管不过热,到探测器在火星上每一分钟该做什么才能按计划完成所有任务,他们探究和质疑着每个细节。2月是火星2020项目的关键阶段,因为NASA将进一步筛选可能的着陆点,进行一次决定性的设计审查,项目必须通过审查才能继续推进。到2020年发射时,任务成功与否都在一定程度上被现在的选择所决定。

火星探测器的诞生

阳光明媚的JPL依偎着洛杉矶东北部的山脉。校园里,不穿外套的工程师们漫步在桉树遮荫的小径上。其中一些人拐弯进入了一桩建筑,在这里,任务指挥员们操控着目前在火星上工作的两辆火星车。其他人则继续步行至179号楼——历史悠久的航天飞行器组装车间,无数通往月球、火星和行星际空间的任务都在这里诞生。

现在,这里也是2020年火星探测器成型的地方。到目前为止,这栋建筑中巨大的洁净室里只有此次任务的一个主要部件——一个被包裹在褶皱的银色包装纸里的盘状隔热盾。这个部件是好奇号任务剩下的,将被回收利用在新探测器上。

四年前,在2020年的火星任务公布时,NASA就大力宣传了他们重复利用的能力。从1996年重11公斤的探路者号,到2003年重180公斤的“双胞胎”勇气号和机遇号,再到2012年重达900公斤的庞然大物好奇号,NASA已经成功将一系列探测器送上火星上。JPL设计制造了所有探测器,每一次新任务都意味着更复杂的设计和更大的科学野心。

但现在,从工程学角度来看,一些为好奇号任务所做的工作可以直接用在2020年火星探测器上。新探测器约85%的部分将会继承过去的设计——底盘,动力和通讯系统,还有其它可以从好奇号上复制的元素。“我们用更少的钱办了更多的事”,参与过数次火星探测器任务的项目副经理Matt Wallace说。

新探测器的科研部分则将重新设计:在火星上开展测量的工具,以及负责收集和储藏岩石样本的系统。新探测器的科学载荷将包括七套设备,都是全新或改进设计的。举例来说,探测器桅杆上的全景照相机将拥有变焦功能,可以细致观测科学家感兴趣的区域。探测器的激光设备将添加更多波长,拓展探测器对岩石化学和矿物学的研究能力。探测器的机械臂将会搭载紫外线和X射线质谱仪,能比好奇号的设备更加细致地测绘岩石。

在此次任务中,为珍贵的岩石样本收集地质背景信息的唯一机会就寄托在这些工具上。科学家们说,地质背景信息是理解火星物质的关键,也是理解整颗行星的关键。科学家们已经拥有了数以百计的火星岩,但这些样本都没有地质背景信息:它们在几百万、甚至几十亿年前被撞离火星,成为陨石坠落到地球上。飞到火星表面、收集岩石并把它们带回地球是为了解读样本采集处的火星地貌史,从而拼凑出火星的演变过程。

“我们想得到一套完美的现场记录,一套人们在今后几百年都会查阅的纪录”,X射线质谱仪项目的负责人、JPL的天体生物学家Abigail Allwood如是说。“要证明生命存在,我们就要对证据做出最严酷、最挑剔的调查。”

寻宝

这就轮到Steltzner和他的团队登场了。他们要从零开始想象出最佳的样本采集机制。早期的想法中不乏离谱的方案,比如安装多条机械臂来操纵不同的科学仪器。最终,他们敲定了一套系统:探测器伸出手臂触及岩石,然后钻孔并提取一份重15克的样本。探测器将牢牢封住金属管,随后把它们存放在探测器内。为了减少样本暴露在火星大气中的时间,并尽可能减少样本污染,整个采样过程只用时1小时。

探测器将会携带足够的供给,以装满并密封至少31个约14厘米长、2厘米粗的金属管(探测器也会携带几个备用金属管,以防意外故障)。金属管并不都是用来装火星样本的,一些管子将会作为“见证”管:这些管中装满了铝网或陶瓷之类的材料,以捕捉环境污染物。在飞往火星的途中,其中一个见证管将被打开,以捕捉旅途中蒸发出来的一切物质。其它见证管将会在火星表面被先后打开,用来收集在各个采样点飘过的一切物质。之后,科学家们便能利用这些见证管来判定采集到的岩石样本是否被污染了,以及是何时被污染的。

直到最近,在一个代表未来研究者的科学委员会的建议下,项目科学家Ken Farley和火星2020团队的其他人才决定装备这些目击金属管。“我们要猜测未来研究者想对收回的样本做哪些研究”,田纳西大学诺克斯维尔分校的行星地理学家、委员会理事Hap McSween说。

首先,这意味着火星2020团队需要取回最最纯净的样本。被制造出来、清洁烘干,装进火星车后,这些金属管的内部有可能就是这颗星球上最纯净的环境了。项目副科学主管Ken Williford说:“这是对无机物质、有机物质和生物物质的三重洁净要求,因此,制造这些金属管非常具有挑战性,也使得这次任务与NASA以往的其他任务相比独一无二。”

其他航天器也曾达到过不可思议的洁净度,为的是不让其他行星被来自地球的微生物污染。早在上世纪70年代,人们就用溶剂清洗了海盗号火星着陆器上的关键设备,并把它们在氦气中放置了四天。欧洲空间局(European Space Agency)也为其ExoMars火星探测器计划了类似的保护式清洗措施。欧洲空间局的这项任务计划在2020年发射,目的是搜寻过往生命遗留下的痕迹。中国计划在2020年发射第一架火星探测器,但不具备生命探测功能。

而NASA的2020任务必须要超越行星保护的常规要求,以保证最终取回地球的样本的科学严谨性。在NASA华盛顿特区总部工作的行星保护官Cassie Conley称,NASA对这些样本的处理方式会像对阿波罗计划带回的月岩样本一样小心谨慎,甚至更为小心。

从实际操作的角度讲,航天器是没有办法做到绝对干净的,参与任务的科学家要决定出一个可以接受的污染水平。有机和无机污染物质都要被控制在特定标准下:举例来说,一个顾问团建议每份样本中的有机碳不超过十亿分之四十。

但样本无论如何都会被钨污染,因为钻齿是用氮化钨制成的。这意味着未来的科学家将无法利用钨和铪元素的放射性衰变来判断火星岩石的年龄,而不得不从其他几种替代方案中选择。McSween说:“我们只能接受这个限制。”

另一个需要考虑的问题是,这些金属管存放在火星表面、等待被接回地球时,它们的温度会达到多少。在Farley的请求下,McSween和他的科学委员会分析了在不同温度下,有哪些科学信息会丢失。他们的结论是,60 C是可接受温度的上限;超过60 C时,一些有机分子就会开始降解,一些矿物质开始分解,其他变化也会对研究产生不利影响。因此,工程师们决定在金属管外涂上一层氧化铝来反射阳光,让金属管保持在60 C的阈值下。

NASA目前还没有计划取回样本的任务,但一旦这些样本抵达地球,研究者们就将拥有众多手段来探测可能的火星生命。他们会寻找氨基酸(蛋白质的前体),以及其他复杂的有机化合物。其它证据也可能来自关键分子中同位素的比例,在地球上,这一信息能提供生物过程的清晰信号。研究者们还尚未商定出足以证明火星存在生命的测量数据标准,但通过对火星岩及其内部成分的一整套观察,科学家们或许能给出一个令人信服的答案。

这并不意味着探测火星生命是一个轻松的任务。Farley是一位研究宇宙射线如何改变岩石化学成分的地球化学家。从专业角度看,他担心在火星表面暴露了数百万年后,远古火星遗留下来的有机化合物都已经降解了。一种获取最佳样本的策略或许是针对特定的区域,比如火星山崖的下方:上层的岩石断裂时,新鲜物质就能暴露出来。

NASA的计划是在1-1.5火星年中精心选取并记录20份样本。这意味探测器要在许多可能的采样地点间行驶,并从各式各样的地理环境中选择最有可能得到令人感兴趣的信息的地点。在采集时,探测器或许会将金属管存放在火星表面上一个或多个地点。

好奇号探测器在火星上的4.5年中只钻了15个洞,行驶了16公里多的距离。火星2020团队必须比这快得多。“显然,我们需要保持很快的节奏”,Farley说。“科学团队不能光坐在一起讨论要不要在某个地点钻孔。”

尘埃落定

归根结底,火星2020探测器能否成功在很大程度上取决于它的着陆点。NASA正在考虑八个可能的着陆点。其中一半地点都是曾经的湖泊、三角洲,或其它长期有水和沉积物的环境,因为这些环境能保存古生物存在的证据。另一类可能的着陆点则在更古老的岩石间,在那里,温暖的热泉水曾渗过火星地壳,或许在很久以前滋养过生命。加州理工学院的行星地理学家Bethany Ehlmann表示,最终决定的着陆点将会确定火星科学的研究方向。

今年二月,在加州蒙罗维亚举行的一场学术讨论会上,科学家们将进一步把着陆地点的候选名单缩小一半,并在发射前一到两年前为NASA推荐一个最终选址。

同样在二月,此次任务将会经历针对所有设计环节的终审。如果通过,JPL将会继续全心制造科学仪器、样本采集系统和其他硬件。一旦建成,这些设备还需要在2020年七月或八月被送抵发射前通过测试。

NASA尚未决定何时将样本取回地球。火星2020探测器之后,并没有其它已获得预算或已被批准的火星任务。NASA总部的管理者已经放出消息,想在2022年发射一架火星轨道飞行器,来替代已经老化的现役轨道飞行器,为未来的火星任务提供信息中转。之后,NASA的首要目标将是把火星样本运回地球,同时支持可能的载人火星任务。NASA正在为设计火星升空载具的早期研究提供资金,升空载具将把约为保龄球大小的样本包送上火星轨道。随后,一架尚未计划的航天器将会接收这个包裹,随后把它送回地球,送入严密隔离的实验室中。

Farley回忆道,他第一次认真谈起把火星样本运回地球还是上世纪八十年代末的事。那时,NASA预计这项任务可能将在十年内完成。Farley表示,从现在算起,至少还需要十年时间才能把火星样本运回地球。“但我们至少已经开始了。”