地外天体采样：困难很多 办法也不少

文/ 迟惑

▲ “毅力号”钻探艺术想像图

据媒体报道，美国宇航局（NASA）旗下的毅力号火星车于9月初成功收集到第一管火星岩石样本，未来有望带回地球，帮助科学家深入了解这颗红色星球。

8月初，毅力号火星车曾首次尝试对火星岩石进行采样，但最终宣告失败。9月初，毅力号火星车再次尝试对岩石进行采样，并拍摄了采样管内的岩石照片传回地球，任务团队确认采样管内有岩石样本。随后毅力号火星车密封采样管，并将其放置在火星车的腹部。

“毅力号”是第一个试图钻探火星取样的，但并不是第一个钻探外星球的，也不是第一个钻探成功的。那么，人们为什么一定要去外星球上取点土石回来？都有哪些办法可以采用呢？

为什么要去地外采样？

地外天体采样返回是人类零距离了解宇宙的重要手段。无人探测器上无法携带完善的实验分析设备，人不在场，也无法对样品进行机智灵活的分析，所以，能够采样返回当然是再好不过。如果今后要从事月球、火星和小行星资源开发乃至移民，采样返回将是一个不可缺少的阶段。

到目前为止，人类研究太阳系的日常手段还是望远镜，那些激动人心的行星、小行星和彗星探测器，不但数量太少，而且所能携带的仪器数量也太少。特别是很多大型科学仪器，目前还没有办法装上探测器，发射到宇宙里。如果能从地外天体上拿回一点样品，就可以在地球上进行详细、长期的研究。探测器如果在现场发现了一些超出人们认知的现象，也没有办法立刻研制新的仪器发射过去，可能要等几年、十几年甚至几十年后，才有机会再探测一轮。

如果把样品拿回地球，它就在实验室里跑不掉了，随时可以用新的实验分析方法处理。

如果能从地外天体上拿回一些样品，也可以用来判断和比对望远镜观察的结果，特别是光谱分析的结果和行星的实际情况是不是符合。

▲ “阿波罗16 号”任务期间，航天员在月面活动

▲ 神秘的小行星带

生命起源一直是科学界的研究重点。在彗星、小行星、火星或气态巨行星卫星上，是不是存在生命的组成部分，望远镜是很难判定的。探测器着陆或许能解答这个问题的一部分，但是要想得到完整答案，还是需要把样品带回地球才可以。

外星球采样有什么办法？

▲ “阿波罗17 号”航天员走近一块大石头

▲ 奥巴马时期的小行星重新定向计划

▲ 美国星尘号彗星探测器模拟图

▲ “奥西里斯-雷克斯”靠近小行星贝努模拟图

所谓采样返回，是从地外的某个地点获得样本，送回地球进行分析。这里的“样品”范围很宽，可能只有原子和分子，也可以是松散的行星物质，比如土壤、岩石之类的沉积物。

外星球采样返回可以分为人力采样和机器人采样。到目前为止，只有美国阿波罗计划实现了人力采样。所谓人力采样就是用人类的手直接抓，这是效果最好的采样手段，但也是难度最大的。不就是到外星上去捡石头挖土吗？话虽这样说，但这要首先解决怎么把人类送上天体再送回地球的问题，难度可想而知。

迄今为止，唯一实现了人手直接抓的采样就是阿波罗计划。其中，“阿波罗11 号”成功取回了大约22 千克的月球表面物质，“阿波罗12 号”取回34 千克，“阿波罗14 号”取回42.8 千克，“阿波罗15 号”取回76.7千克，“阿波罗16号”取回94.3千克。“阿波罗17 号”取回110.4 千克，这也是迄今为止地外天体采样的最高纪录。

要是解决不了送人上天体的技术，那当然就要靠机械了。然而事实证明，这件事情的难度并不比载人小多少，而且采样的数量比较少。除阿波罗计划外，其他的采样活动都是用机器人实施的，采样对象包括月球、小行星和彗星。对于火星，目前人类还只做到了采样，没能实现返回。

到目前为止，人类一共发明过3种采样返回方式，分别是直接挖、枪炮轰和迎风捞。

直接挖

比较大的外星球，例如月球和火星，可以提供足够的引力，让探测器稳稳地着陆在上面，这为机械手抓取和钻探活动提供了基本条件。苏联的几次月球采样返回计划和中国的“嫦娥五号”，都属于直接采样。

第一次成功实现机器人采样返回的，是苏联的“月球16 号”。但此前的8次月球采样返回任务全部失败。“月球16 号”采回样品101 克，恐怕还没有“阿波罗”航天员捡的一块石头重。此后，苏联“月球20号”带回样品55克，“月球24 号”带回样品170 克。苏联时代的月球采样返回活动到此为止。苏联月球采样返回行动失败的原因各种各样，包括火箭失败、月球制动失败、探测器失败等，为后续任务提供了宝贵的经验教训。目前，俄罗斯正在筹备“月球25号”采样返回任务，因为技术复杂、事关重大，已经推迟了好几次。

苏联还曾经在1970年考虑过实施一次火星采样返回任务，原计划在1979年完成，但由于技术复杂无法实现，项目在1977年取消。

世界上第二个成功实现机器人采样的，就是中国。“嫦娥五号”不但成功取回了月球岩土样本，还创造了机器人采样的样品重量纪录——接近2 千克。

美国奥巴马政府期间，一度考虑对小行星进行采样，也就是著名的小行星重新定向计划。当时考虑抓一颗小行星进入环月飞行的轨道，然后派航天员前去采样。随着奥巴马政府任期结束，这个项目被取消了。

▲ 隼鸟2 号探测器探测“龙宫”小行星模拟图

▲ “隼鸟号”探测的糸川小行星

目前还有一个直接抓的项目正在执行当中，就是美国奥西里斯-雷克斯探测器对贝努小行星实施的采样。采样工作已经在2020年10月完成，据说，因为“贝努”的质地比想象中更疏松一些，采样数量超过了预期。按照飞行计划，“奥西里斯-雷克斯”将在2023年返回地球。到时候，我们就知道它到底挖了多少石头回来。

“枪炮”轰

“枪炮”轰的办法，只有日本用过，也就是“隼鸟号”和“隼鸟2 号”两次探测任务，第一次用“枪”，第二次用“炮”。采用这样的采样手段，是因为日本宇宙航空研究开发机构选择的采样对象比较特殊。

两次采样所针对的，都是质地坚硬的小行星。如果是在月球或者火星上，就可以把探测器着陆下去，站稳之后用钻头取样。然而小行星的引力很弱，探测器根本站不稳，不能对表面形成压力，无从钻探。

所以日本采取的方法，是发射高速弹丸，把小行星表面打碎，然后探测器立刻下降，去收集溅起来的碎片。事实证明，这种方法也是可行的。“隼鸟号”和“隼鸟2 号”都取得了成功，虽然带回来的样品稀少，但解决了有无问题。

迎风捞

迎风捞这种方式，一般用来采集太阳风、彗星尾部之类的稀疏天体样品。其中比较著名的，就是美国宇航局的星尘号彗星探测器。它的探测对象是一颗叫做怀尔德2 号的彗星。

人们虽然可以从望远镜里看到彗尾，但是它实际上比大气稀疏得多，要想从其中获得足够多样本，难度还是相当大的。特别是彗星和探测器的相对速度很高，如果让彗尾粒子硬撞在采样器上，可能导致粒子破坏而失去科学价值。所以，“星尘号”采用了特殊的低密度气凝胶收集器阵列，密度只有玻璃的1/1000。即使这么小心翼翼，“星尘号”也不过收集到了7 颗粒子，珍贵程度可想而知。

目前，地外采样返回的焦点还是火星。除了“毅力号”之外，俄罗斯、中国都规划了火星采样任务。虽然路途遥远，但火星采样将是火星工厂、火星城市、火星农场的第一步。希望我们在有生之年，可以看到这一切的实现。★

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“毅力号”的采样方式

在火星地面作业中，“毅力号”的主要工作，就是在石头上打洞。具体分为以下几个步骤：

第一步：找到有价值的岩石

科学家们特别希望“毅力号”能找到在水中形成或被水改变的岩石。如果能找到这两类岩石，就很有可能在火星上发现远古微生物痕迹。此外，“毅力号”还要收集火山岩和其他岩石，帮助建立地质和环境随时间变化的记录。

▲ 钻取岩石的示意图

▲ 把样品放进存储设备

▲ 样品传送到“毅力号”车体内

第二步：采集岩样

一旦科学家确定了一个感兴趣的岩石目标，“毅力号”就会动用钻机，钻出一个核心样本。钻机的原理和我们在地球上给空调打孔的水钻一样，但是考虑到“毅力号”的承载能力和发电功率都很有限，而且也不可能加水冷却及润滑，它的钻取深度只有2 英寸（大约5 厘米）。

钻探工作的主角，是“毅力号”的机械臂。在机械臂的末端是一个转塔，安装在转塔上的科学工具有钻探类和观测类两种。

最重要的当然是钻探设备。转塔上有3 种不同的旋转冲击钻头：岩石取样钻头、风化岩石和土壤取样钻头、研磨钻头，直径都是27 毫米。前两种钻头用于将火星样本直接收集到干净的样本收集管中，而研磨钻头则用于刮除或“研磨”岩石表层，露出新鲜、未风化的表面，以供研究。

岩石取样的钻头可以从岩石内部切出样品，然后从岩石本体上切断取出，再把样品直接收集到干净的样品收集管中。这些样品管大约有一个手电筒那么大。每个收集到的岩芯直径为13 毫米，长度为60 毫米，平均每根管子含有10~15 克火星物质。这种钻头的形状和原理，和我们在建筑物墙体上开孔安装空调的开孔钻几乎一样，只是体积更小一些。

除了坚硬的岩石，“毅力号”还需要在风化严重的岩石和土壤上取样。风化岩石和土壤的特点是容易破碎，而且钻探过程中会产生大量粉尘。因此，“毅力号”还配备了另一种钻头。它的开孔钻部分稍微短一些，侧面开有比较宽的长孔，这样就可以在钻探期间，把大量粉尘排出去，免得它们卡死钻头。

第三步：密封岩石样本

火星2020 任务并不仅仅是把岩石样本钻探出来，供下一次任务带回地球。它能够在火星上就对这些样品进行一些初步的理化分析。从美国宇航局为此发布的视频中可以看到，当钻探完成之后，收纳着岩石样品的管子会从钻机里出来，被插到一个转盘里，再被机械臂送到火星车内部的理化分析仪器当中，进行初步的扫描和分析。其中最重要的工作是测量样品的体积和重量。然后，样品存放管会被密封起来，放进火星车后部的收纳空间。每个过程都要留下影像证据。根据美国宇航局发布的视频，“毅力号”上一共有大约37 个可以容纳岩石样品的收纳空间。按照地球上岩石的密度计算，每个样品重约半盎司（15 克）。

▲ 毅力号也能斜着钻探

▲ “毅力号”是靠机械臂采样的

第四步：携带样品

存好样品之后，“毅力号”会把管子插进自身携带的一个储存架上，然后带着它继续行进，直到任务小组在火星表面选好一个临时存储位置为止。因为这些样品来之不易，所以任务小组把这些临时位置称为“战略位置”。

第五步：保存样本

将火星样本放在火星表面的一个位置，等到2022年美国宇航局会发射另一个探测器来到火星取走它。这个探测器具备从火星表面起飞的能力，它会找到“毅力号”存放样品的地方，把它取走送回地球。按照目前的技术，火星探测器在绕火星飞行的时候，可以精确获取火星表面的影像，定位精度可以达到1 米，再结合漫游车用摄像头拍摄的图像，可以把定位精度提高到1厘米。如果一切顺利，返回探测器可以很容易地找到样品存放点。