美國正打造能將樣本運回地球的火星車

　　 2012年，Adam Steltzner成為工程界的明星。因為該團隊對探測器機動性的大膽設計，美國（NASA）的火星探測器好奇號這一年在火星表面完美著陸。而現在，Steltzner只關心一個問題：如何進行清潔。

　　他執意清潔的對象是一個和他的手掌差不多大小的深灰色金屬管。Steltzner工作于噴氣推進實驗室（JPL）的一棟倉庫般的建筑：他是NASA下一個火星探測器的首席工程師。要完成這次火星探測器任務，這個金屬管必須成為地球上最干凈的物體之一。

　　這個重達一噸的六輪火星車計劃在2020年7月于佛羅里達州發射，攜帶43個這樣的金屬管開始長達7個月的火星之旅。抵達火星之后，探測器將在火星表面行駛，并用這些金屬管采集塵土、巖石或氣體。隨后，這些管子會被密封存放在火星表面，等待幾年、甚至幾十年后的另一架航天器把它們帶回地球。這將會是人類把火星物質帶回地球的首次嘗試。

　　如果一切順利，這些樣本將會成為有史以來最寶貴的地外樣本。塞在某個金屬管里的，可能會是證明地外生命存在的那個微生物體、生物礦物質或有機分子。

　　這就是Steltzner和團隊要做到非常清潔的原因了。一個來自地球的細胞，或者一點點其他污染都會毀掉明確檢測到火星微生物的全部機會。因此，該團隊正在設計一個機器人采樣系統，以保證全程沒有污染。“我們要比有史以來的任何人都更干凈。”Steltzner一邊說，一邊搖晃金屬管，“我們得好好設計這玩意兒。”

　　這次嘗試的賭注不能更高了。NASA把24億美元和火星探測項目的未來都押在了火星2020探測器上。如果這次任務能夠采集到一套無污染的巖石樣本，且最終將這些樣本取回地球，這些樣本便將會決定太陽系科學的發展。如果計劃失敗——火星素有太空計劃墳墓的惡名——NASA就將不得不放棄數十年來的夢想。

　　火星探測器的誕生

　　JPL依偎著洛杉磯東北部的山脈。校園里，不穿外套的工程師漫步在桉樹遮蔭的小徑上。其中一些人拐彎進入了一樁建筑，在這里，任務指揮員操控著目前在火星上工作的兩輛火星車。其他人則繼續步行至179號樓——航天飛行器組裝車間，無數月球、火星和行星際空間的任務設備都在這里誕生。

　　現在，這里也是2020年火星探測器成型的地方。到目前為止，這棟建筑中巨大的潔凈室里只有此次任務的一個主要部件——一個被包裹在銀色包裝紙里的盤狀隔熱盾。

　　4年前，在2020年的火星任務公布時，NASA就大力宣傳了他們重復利用的能力。從1996年重11公斤的探路者號，到2003年重180公斤的勇氣號和機遇號，再到2012年重達900公斤的龐然大物好奇號，NASA已經成功將一系列探測器送上火星上。JPL設計制造了所有探測器，每一次新任務都意味著更復雜的設計和更大的科學野心。

　　但現在，從工程學角度來看，一些為好奇號任務所做的工作可以直接用在2020年火星探測器上。新探測器約85%的部分將會繼承過去的設計——底盤、動力和通訊系統，還有其他可以從好奇號上復制的元素。“我們用更少的錢辦了更多的事。”參與過數次火星探測器任務的項目副經理Matt Wallace說。

　　新探測器負責科研的部分將重新設計：在火星上開展測量工作的工具，以及負責收集和儲藏巖石樣本的系統。新探測器的科學載荷將包括7套設備，都是全新或改進設計的。例如，探測器桅桿上的全景照相機將擁有變焦功能，可以細致觀測科學家感興趣的區域、探測器的機械臂將會搭載紫外線和X射線質譜儀，能比好奇號的設備更加細致地測繪巖石。

　　在此次任務中，為珍貴的巖石樣本收集地質背景信息的唯一機會，就寄托在這些工具上。地質背景信息是理解火星物質的關鍵，也是理解整顆行星的關鍵。科學家已經擁有了數以百計的火星巖，但這些樣本都沒有地質背景信息：它們在幾百萬、甚至幾十億年前被撞離火星，成為隕石墜落到地球上。

　　“我們想得到一套完美的現場記錄，一套人們在今后幾百年都會查閱的紀錄。”X射線質譜儀項目的負責人、JPL天體生物學家Abigail Allwood如是說。“要證明生命存在，我們就要對證據做出最嚴酷、最挑剔的調查。”

　　尋寶奇兵

　　要尋寶，就輪到Steltzner和他的團隊登場了。他們要從零開始想象出最佳的樣本采集機制。

　　最終，他們敲定了一套系統：探測器伸出手臂觸及巖石，然后鉆孔并提取一份重15克的樣本。探測器將牢牢封住金屬管，隨后把它們存放在探測器內。為了減少樣本暴露在火星大氣中的時間，并盡可能減少樣本污染，整個采樣過程只用時1小時。

　　探測器將會攜帶足夠的供給，以裝滿并密封至少31個約14厘米長、2厘米粗的金屬管。而一些管子將會作為“目擊”管：這些管中裝滿了鋁網或陶瓷之類的材料，以捕捉環境污染物。在飛往火星的途中，其中一個目擊管將被打開，以捕捉旅途中蒸發出來的一切物質。其他目擊管將會在火星表面被先后打開，用來收集在各個采樣點飄過的一切物質。之后，科學家便能利用這些管子判定采集到的巖石樣本是否被污染了，以及是何時被污染的。

　　這意味著火星2020團隊需要取回最純凈的樣本。被制造出來、清潔烘干，裝進火星車后，這些金屬管的內部有可能就是這顆星球上最純凈的環境了。項目副科學主管Ken Williford說：“這是對無機物質、有機物質和生物物質的三重潔凈要求，因此，制造這些金屬管非常具有挑戰性，也使得這次任務與NASA以往的其他任務相比獨一無二。”

　　此外，而NASA的2020任務必須要超越行星保護的常規要求，以保證最終取回地球的樣本的科學嚴謹性。在NASA華盛頓特區總部工作的行星保護官Cassie Conley稱，NASA對這些樣本的處理方式會像對阿波羅計劃帶回的月巖樣本一樣小心謹慎，甚至更為小心。

　　問題重重

　　從實際操作角度講，航天器無法做到絕對干凈，參與任務的科學家要決定出一個可以接受的污染水平。有機和無機污染物質都要被控制在特定標準下：例如，一個顧問團建議每份樣本中的有機碳不超過十億分之四十。

　　但樣本無論如何都會被鎢污染，因為鉆齒是用氮化鎢制成的。這意味著科學家將無法利用鎢和鉿元素的放射性衰變來判斷火星巖石的年齡。

　　另一個需要考慮的問題是，這些金屬管在火星表面、等待被接回地球時，它們的溫度會達到多少。田納西大學諾克斯維爾分校行星地理學家Hap McSween等人分析了在不同溫度下，有哪些科學信息會丟失。結論是，60°C是可接受溫度的上限；超過60°C時，一些有機分子就會開始降解，一些礦物質開始分解，其他變化也會對研究產生不利影響。

　　科學家還擔心在火星表面暴露了數百萬年后，遠古火星遺留下來的有機化合物都已經降解了。因此，一種獲取最佳樣本的策略或許是針對特定的區域，比如火星山崖的下方：上層的巖石斷裂時，新鮮物質就能暴露出來。

　　可以說，火星2020探測器能否成功在很大程度上取決于著陸點。

　　日前，NASA公布了新一代火星探測器的三個著陸地點候選目標，包括火星表面的古老區域東北流沙，曾擁有古代湖泊的耶澤羅隕石坑，以及可能擁有過古代火星溫泉、之前的勇氣號火星車曾探測過的哥倫比亞山脈。其中耶澤羅隕石坑曾是一個火星湖泊所在地，目前最令科學家們滿意。

　　NASA項目科學家Ken Farley回憶道，第一次認真談起把火星樣本運回地球是上世紀80年代末。那時，NASA預計這項任務可能將在十年內完成。Farley表示，從現在算起，至少還需要十年時間才能把火星樣本運回地球。“但我們至少已經開始了。”