NASA：2020探火星

李有观

美国国家航空航天局（NASA）正在建造一台可以将火星物质带回地球的火星车，以探寻火星上是否有生命迹象。

2012年，NASA喷气推进实验室火箭科学家亚当·斯特尔茨纳成了工程界的明星，当时他是“好奇号”火星探测器登陆火星项目负责人。现在，他关注的是如何清洁火星车的问题。他所痴迷的清洁对象是一根深灰色的金属管子，与他的手掌差不多大小。

管子

斯特尔茨纳的工作地点位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室（简称JPL），严格讲是在一栋仓库式建筑物内。他担任了NASA新的火星探测器的总工程师。他需要把这根金属管子变成有史以来最干净的物体之一，这样才能保证火星探测器完成任务。

不迟于2020年7月，重达1吨、拥有6个轮子的火星车就将从美国佛罗里达州发射升空，携带43根这样的金属管子，开始长达7个月的火星之旅。到达火星之后，火星车将在火星表面行驶，在每根管子里装满泥土、岩石或气体。然后，这些管子将被密封，存放在火星表面，等待几年、也许是几十年，直到另一个航天器抵达，并把它们带回地球。这将是人类把火星物质带回地球的首次尝试。如果一切按计划顺利进行，这些火星物质将成为迄今为止发现的最珍贵的外星样本。金属管内的微生物、生物矿物质或有机分子可能是地球以外生命是否存在的证据。

这就是为什么斯特尔茨纳和他的团队必须把管子处理得非常非常清洁的原因。管子里只要有一个地球细胞或其他污染物的微粒，都会破坏明确检测到火星微生物的任何机会。因此，该项目团队正在尝试设计一种能够保持工作环境一尘不染的机器人采样系统。

去火星采标本

2020年，NASA计划向火星发送探测器，采集火星土壤岩石及气体标本，然后把这些标本存储在超级清洁的笛子里。如果试验成功，下一步就是把这些管子带回地球进行研究。工程师们正在忙着测试包含采样系统在内的火星车。

“我们将比以往任何时候都更加注重清洁。”斯特尔茨纳一边说，一边摇晃着金属管，仿佛要把里面不正常的微生物搞掉，“我们要认真设计这玩意儿。”

这是一次豪赌。NASA把24亿美元的资金和其火星探测计划的未来都押在了2020年的火星探测器上。如果这次任务能够采集到原始的岩石样本，且能最终将这些样本带回地球，就将有助于对太阳系的深入研究。如果计划失败——火星素以太空任务的墓地而臭名昭著——NASA将不得不放弃它几十年以来的梦想。

在喷气推进实验室的会议室、试验室和洁净室里，科学家和工程师们正在为这次任务的关键问题做出最后决定。他们探索和质疑每一个细节：如何在火星表面让金属管保持凉爽;探测器在火星上每一分钟的工作内容：如何按计划完成所有工作。这是2020年的火星探测项目的关键阶段，因为NASA将进一步选择可能的火星着陆点，并进开展决定性的设计审查，该项目必须通过这项审查才可以继续前进。到2020年发射时，任务成败将在一定程度上取决于现在做出的选择。

探测器

喷气推进实验室里阳光明媚，在其中—栋建筑物里，研究人员利用远程操纵设备，正在控制着在火星上工作的探测器。另外一栋建筑物——179号楼是历史悠久的航天飞行器组装车间，许多执行月球、火星和行星际空间任务的设备都在这里诞生。

现在，这里也是2020年火星探测器成形的地方。到目前为止，这栋建筑物中很大的洁净室里只有此次任务的一个主要部件——一个被包裹在银色包装纸里的圆盘形隔热罩。它是“好奇号”任务遗留下来的，将被重新利用在新的火星探测器上。

要求必须超级清洁的管子。

NASA在几年前宣布2020年火星探测计划时，就大力宣扬了这种可重复使用性。该机构已经成功地向火星发送了一系列的探测器：从1996年重11千克的“探路者号”，到2003年重180千克的“双胞胎”——“勇气号”和“机遇号”，再到2012年重达900千克的“好奇号”。喷气推进实验室设计和制造了所有探测器，每个探测器都在复杂性和科学性方面向前迈进了一步。

2020年的火星探测器可以部分沿用“好奇号”探测器已经验证过的工作成果。新探测器大约85%的部件将会采用传统设计——底盘、动力和通讯系统……，另外很多设计也是从“好奇号”上复制过来的。

需要重新设计的是用于科学研究的部件——在火星上进行测量的专用工具，以及收集和儲存岩石样本的设备。新探测器的科学有效载荷将包括7套设备，所有设备要么是全新的，要么是经过改进的设计。例如，安装在探测器桅杆上的全景摄像机将具有变焦功能，可以让专家们细致观测他们感兴趣的区域。探测器的激光仪器将增加新的工作频段，以增强对岩石化学和矿物学的研究能力。探测器的机器人手臂将配备紫外线和×射线光谱仪，能够比“好奇号”探测器的仪器更详细地测绘岩石。

极致清洁

发射探测器飞到火星表面，采集岩石并把它们带回地球，目的之一是帮助研究人员了解样本采集处的火星地貌史，从而便于研究人员拼凑出火星的演化过程。

“我们想得到一套非常好的现场记录，这样研究人员在今后几个世纪都可以参考它。”X射线光谱仪的首席研究员、喷气推进实验室的天体生物学家阿比盖尔·奥尔伍德说。“如果我们要证明火星上有生命，那么我们就必须在最高级别对证据进行审查。”

斯特尔茨纳和他的团队决定从头开始，构建出最好的样品采集系统。早期的想法包括多种方案，例如利用多只机械臂来操纵不同的科学仪器。最后，他们选定了一个设计方案，在这个方案中，探测器伸出手臂接触岩石，在岩石上钻孔，然后提取一份重1 5克的样本放入金属管。接下来，探测器先将金属管密封，再把它们存放在探测器机体内——所有这些都在一小时内完成，以减少样品暴露在火星大气中的时间，避免可能的污染。

探测器将会携带足够的补给品，以填充和密封至少31根约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，以备不时之需）。并非所有的金属管都用来装火星样本，有些管子将作为“见证”管，事先装入铝网或陶瓷等材料，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，以捕捉可能从航天器上蒸发出来的任何物质。这个管子在抵达火星时将首先被密封。其他“见证”管将会在火星表面被依次打开，用来收集在各个采样点飘过的任何物质的样本。之后，科学家们便能够利用这些“见证”管，以确定采集到的岩石样本是否受到污染，或者确定样本是何时被污染的。

这意味着2020年火星探测任务需要取回超纯净的样本。等到这些金属管被制造出来，清洗，烘干，装入火星车，管子内部就可能是这颗星球上最纯净的环境了。该项目的一位负責人肯·威利福德说：“这是对无机、有机和生物物质的多重清洁要求，所以这些金属管的制造非常具有挑战性，也使得这次任务在NASA迄今为止执行的任务中独一无二。”

为了不让来自地球的微生物污染火星，其他航天器也曾经达到了极高水平的清洁度。早在20世纪70年代，美国发射“海盗号”火星探测器时就用溶剂清洗了主要设备，然后在氦气中烘烤了4天。欧洲航天局计划于2020年发射的ExoMars火星探测器也制定了类似的保护性清洁措施，其任务是前往火星寻找过去或现在的生命迹象。中国计划在2020年发射自己的火星探测器，但这个火星探测器不具备生命探测功能。

而NASA的2020年火星探测任务必须要符合超越常规的火星保护要求，以确保最终带回地球的样本的科学严谨性。NASA的行星保护官卡西·康利说，这些岩石样本将像“阿波罗”计划宇航员带回的月球岩石—样，需要被极其谨慎地处理。

实际上，人类没有办法使航天器达到绝对清洁。因此，有机和无机污染物质都要被控制在一定的范围内——例如，一个咨询小组建议，任何样本中的有机碳总合量不应超过一亿分之四。

但样品仍将不可避免地被钨元素污染，因为钻齿是用氮化钨制成的。这意味着未来的科学家将不能使用依赖于钨和铪的放射性衰变系统来确定火星岩石的年代，从而不得不在其他几种方案中进行选择。美国田纳西大学诺克斯维尔分校的行星地质学家哈普·麦克斯韦恩说：“这种情况我们只能够接受。”

另一个需要考虑的问题是，这些金属管放置在火星表面，等待被其他航天器带回地球时，它们经受的温度会有多高。应项目科学家肯·法利的要求，麦克斯韦恩和他的研究小组分析了在不同温度下样本会丢失哪些科学信息。他们得出的结论是，60摄氏度是可接受温度的上限;超过这个温度，一些有机化合物开始分解，一些矿物质开始分解，而其他变化也可能会影响研究。因此，工程师决定用氧化铝涂覆金属管，以反射阳光，让它们的温度保持在60摄氏度以下。

2020火星车登陆想象图。这台火箭调姿中的“起重机”正在把火星车吊运到火星地表。

按照NASA的计划，一旦火星岩石样本被带回地球，研究人员就将利用各种技术来探测火星上是否可能存在的生命迹象。他们将寻找氨基酸、蛋白质的前体以及其他复杂的有机化合物。其他证据也可能来自关键分子中同位素的比例，这些分子在地球上可以提供生物进化过程的清晰信号。研究人员一致认为，并没有一组测量数据可以证明火星生命的存在，但通过对火星岩石及其内部成分的一系列观察，科学家或许能够提出一个令人信服的答案。

这并不意味着探测火星生命会很容易。肯·法利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。因此，他担心火星表面暴露了数百万年以后，任何来自远古火星的有机化合物都已经分解掉了。获取最佳样本的一种策略可能必须针对火星悬崖底部的区域。在那里，岩石从高处断裂后，新鲜物质就会暴露出来。

着陆点

NASA的计划是在1至1.5个火星年内收集20个精心挑选并记录在案的样本。这意味着火星探测器需要在许多可能的采样地点之间移动，并从多种地质环境中选择可以获得最有用信息的地点。在采集时，探测器可能会将金属管放置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年里只钻了15个洞，行驶了16千米多一点。2020年火星探测任务的团队必须更快地工作。肯·法利说：“很明显，我们必须保持非常高的速度。”

可以说，2020年火星探测器的科学成功在很大程度上取决于它着陆的地点。NASA正在考虑8个着陆点。其中一半位于以前的湖泊、三角洲或其他曾长期存在水和沉积物的环境中，因为这样的环境可以保存古代生命的证据。其他可能的着陆点位于比较古老的岩石间，在那里，温暖的热泉水曾经渗透过火星地壳，这可能在很久以前就使生命得以繁衍。2020年火星探测任务团队成员、美国加州理工学院的行星地质学家贝瑟尼·埃尔曼说，被选中的着陆点将会决定火星科学的研究方向。

在美国加利福尼亚州蒙罗维亚举行的一次研讨会上，科学家们计划把着陆点的名单缩减一半，并在火星探测器发射之前为NASA推荐一个最终选定的着陆点。

同时，该任务团队将对其设计的所有方面进行最后审查。如果通过，喷气推进实验室将继续认真制造科学仪器、样本采集系统和其他硬件。这些设备一旦制成，还需要通过测试，然后在2020年7月或8月发射。

NASA还没有决定什么时间将火星岩石样本带回地球。在2020年火星探测任务以后，并没有其他获得预算或批准的火星任务。NASA总部的管理人员已经表示，希望在2022年发射一个新的火星轨道飞行器，作为未来任务的通信中继站，并取代已经老化的火星轨道飞行器。在此之后，NASA的首要任务是把火星岩石样本带回地球，同时支持可能的载人火星计划。

肯·法利说，可能至少还需要10年时间才能把火星岩石样本带回地球。“但是我们现在已经开始工作了。”（原作者：亚历山德拉·维特泽）

责任编辑：吴佩新