對於任何關注美國宇航局數十年機器人探索火星努力的人來說，現在是令人緊張的時刻。去年七月發射並朝著紅色星球和傑澤羅隕石坑疾馳而來的，是美國宇航局的“毅力號”探測車，它被包裹在耐熱遮蔽罩中，準備在2月18日進行一次可怕的、技術上大膽的、火熱的俯衝，穿過火星大氣層。緊隨其後的是許多人認為更可怕的事情：透過懸停的火箭動力“天空起重機”平臺，將機器人自動降低到堅實的地面上——這項技術成功地將“毅力號”的前身，“好奇號”探測車於2012年送到了火星表面。
“毅力號”被譽為有史以來發射到太空的最大、最重、最乾淨、最複雜的漫遊機器人地質學家，是一位多工處理的佼佼者。
科羅拉多大學博爾德分校的著名行星科學家布魯斯·雅科斯基說：“毅力號探測車是我們探索火星的關鍵下一步。”他最近擔任了美國宇航局工作組的主席，該工作組的任務是規劃紅色星球研究的未來。“毅力號”強調收集最終要返回地球的物質，這對於任何此類計劃都至關重要。
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雅科斯基說：“除了‘毅力號’將在傑澤羅隕石坑表面進行科學探索外，透過從地表關鍵位置採集樣本，它將成為將火星表面樣本返回地球的第一步。對這些樣本的分析預計將徹底改變我們對火星、其歷史以及是否存在當今或過去生命跡象的理解。”
其他主要任務包括釋放一架火星直升機，偵察其選定著陸點周圍的直接環境，這是一個古老的湖泊-三角洲系統，可能蘊藏著微生物化石生命的跡象。然後是其操作第一代裝置的objective，將富含二氧化碳的火星空氣轉化為氧氣。如果建造得更大，這項探路者的技術後代可能透過直接從稀薄的空氣中生產可呼吸氣體和火箭推進劑，來幫助維持未來人類在火星上的探險。
“毅力號”的主要樣本收集目標是一項艱鉅的任務，它將把探測車從一次性的科學任務轉變為我們與紅色星球持續關係中大部分（如果不是全部）未來計劃的關鍵。收集和儲存珍貴的樣本，以便最終返回地球，將是名為“火星樣本返回”（MSR）的複雜、多部分和耗資巨大的努力的開端。如果成功，“毅力號”將成為連線行星科學規劃的多個世代和子學科的粘合劑，形成一個有凝聚力的、堅固的整體；如果失敗，大部分精心構建的火星探測大廈可能會坍塌成廢墟。
“毅力號”探測車使用其鑽頭在火星上鑽取岩石樣本的插圖。
圖片來源： NASA/JPL-Caltech
一旦安全著陸，這輛汽車大小的探測車將收集岩石和土壤樣本，甚至可能虹吸一小口火星大氣。這些樣本將被小心地放置在數十個雪茄大小的管子中，這些管子將被密封，並放置在火星表面，以便後續的機器人探測車進行回收。“毅力號”攜帶了43個樣品管；其中五個是“見證管”，暴露於火星環境中，以發現樣品採集過程中可能從探測車中滲出的任何地球汙染物。這留下了38個管子，旨在容納精心挑選的火星部分，長期儲存，等待最終回收。
“毅力號”的主要任務跨越一個火星年，相當於略少於兩個地球年，儘管該機械的合格壽命為1.5個火星年，或約三個地球年。
甚至在探測車安全著陸火星之前，關於其最終離開傑澤羅隕石坑的積極討論正在進行中，初步計劃是“毅力號”將駛過崎嶇的地形，駛過隕石坑邊緣，並在鄰近的尼利平原地區的另一個地點進行探測。一旦到達那裡，探測車可能會建立第二個選定樣本的存放點——當然，前提是探測車健康，還有剩餘的管子可以從其傑澤羅的巡視中使用，並且任務規劃者接受從額外的遙遠快取地點檢索樣本的複雜性。這個“第二個存放點”的概念將最大限度地提高任務的科學回報，超出其被認為是樣本收集的最低、基線目標，但這遠非保證。
然而，考慮到實際的樣本收集和快取正在發生，後續的後“毅力號”步驟相對僵化，涉及幾個後續的航天器，這些航天器由美國宇航局和歐洲航天局合作建造和發射到火星。
首先，樣本回收著陸器任務將於2026年發射，將樣本取回探測車和火星上升飛行器（MAV）都投放到火星表面。一旦釋放，這輛快速行動的探測車將撿起樣品管，並將它們存放在MAV鼻錐內的容器中，以便將它們火箭發射離開火星返回軌道。如果取回探測車以某種方式發生故障，先前由“毅力號”留在表面的任何樣本都不太可能被回收。為了防止這種意外情況，“毅力號”的規劃者正在考慮將一組具有高科學價值的樣本留在探測車上；如果核動力探測車保持健康，它可能會將這些特別珍貴的樣本運送到MAV。
這張鑲嵌圖描繪了“毅力號”探測車在任務期間可能穿過傑澤羅隕石坑的路線。
圖片來源： NASA/JPL-Caltech
MSR遠征的最後一站是向火星發射一個軌道飛行器，捕捉環繞火星執行的原始火星樣本，以便火箭將其運回地球，最早在2031年在猶他州沙漠卸下關鍵貨物。
美國宇航局成立的獨立審查委員會最近將這項精心策劃的機器人往返的價格定在38億美元至44億美元之間——這個數字不包括已經花費在“毅力號”火星2020任務上的大約24億美元。
投資回報
為了確保這個驚人的數字能夠帶來最佳的價效比，200多名火星研究人員參加了1月21日舉行的虛擬策略研討會，專門制定一個明確的策略，明確“毅力號”的樣本應該如何快取。他們都同意一件事：多部分MSR計劃的高風險性使得他們的討論變得緊迫且略微令人擔憂。
美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）新成立的MSR活動科學辦公室的火星樣本返回實施科學家布蘭迪·卡里爾說，制定一個連貫的樣本快取計劃“代表著確保‘毅力號’探測車的操作和樣本回收計劃得到最佳化的關鍵一步，以降低風險，並將儘可能好的樣本集合交付給地球。”
諾克斯維爾田納西大學的行星地球科學家哈里·麥斯威恩告訴《大眾科學》：“這是一個非常複雜的任務系統，每個任務本身都具有挑戰性，”他說，“所以，我們將不得不祈禱好運。”
但他堅持認為，這場賭博是值得的。麥斯威恩說，從月球、彗星和太陽（以捕獲的太陽風的形式）返回的樣本已經徹底改變了對這些地外天體的科學理解，“MSR幾乎肯定會做同樣的事情。”他補充說，樣本是“不斷給予的禮物”，並指出，在首次阿波羅登月和樣本採集半個多世紀後，透過將新的分析方法應用於那些精心儲存的月球岩石，現在正在取得新的發現。
儘管行星際交叉汙染的可能性似乎很遙遠，但天體生物學家熱衷於避免將任何潛在危險的火星微生物帶回樣本中。因此，它們最終返回地球的先決條件是將它們放置在某種隔離區中，直到透過分析或消毒，它們被認為可以安全地釋放到外部實驗室。
目前正在進行工作，以明確樣本返回設施必須採取哪些措施來防止地球生物圈的意外汙染。多年來，在一份又一份的報告中，科學界一直在努力解決這樣一個問題：這種設施可以多麼簡約，因為它的成本、能力和準備程度會深刻地影響MSR工作的其餘部分。理想情況下，火星科學家群體希望儘可能多的樣本相關研究發生在生物安全控制以外的典型研究實驗室中，在那裡它們可能會更快、更好、更便宜地進行。
概念圖顯示了火星上升飛行器將裝滿樣本的管子發射到軌道，這是多階段火星樣本返回任務的一個步驟。
圖片來源： NASA/JPL-Caltech
美國宇航局總部火星探測計劃的首席科學家邁克爾·邁耶說，有一些研究資金用於制定這種設施所需的東西。他說，MSR科學規劃小組正在制定一份初步的需求清單，主要目的是幫助估算成本。
邁耶說：“您可能會猜到，擁有來自火星的樣本，我們在保持其原始和受控狀態的同時，實現出色的科學，這構成了一個挑戰。”
科學意義
隨著MSR計劃向前推進，有些人並不喜歡這個計劃。
科羅拉多大學博爾德分校的榮譽教授和行星科學家弗蘭·巴格納爾渴望我們太陽系內的其他探索目的地，並擔心從紅色星球匆忙將樣本帶回地球的價格標籤。
巴格納爾說：“與其花費鉅額資金將一個單一的小樣本帶回地球，在那裡確實有實驗室可以進行極其精確的測量，我建議傳送多個小型航天器到[火星]的廣泛地點進行‘刮擦和嗅探’，這在科學上更有意義。”“這將給出化學環境範圍的印象。它還將使我們能夠更明智地決定在哪裡收集那一個珍貴的樣本帶回地球。”
巴格納爾說，在行星探索中平衡成本對於確保我們對整個太陽系獲得深入和全面的瞭解至關重要，這應該迫使我們正視關於關注火星是否合理的難題。
“我對我們對姐妹行星金星的瞭解如此之少感到震驚，金星可能會為地球提供寶貴的教訓。談論全球變暖！”巴格納爾說。“我的研究興趣主要在太陽系外……我擔心火星計劃的成本超支會延遲前往天王星或海王星的任務，[每個行星]分別僅在1986年和1989年被‘旅行者’號航天器飛掠探測過一次。”
與此同時，美國宇航局與遙遠火星的長期舞蹈仍在繼續，該機構的“毅力號”探測車已瞄準其即將到來的紅色星球的猛衝。
毋庸置疑，MSR活動可能會因“毅力號”的墜毀而顛覆。過去充斥著在火星上失敗的航天器，這促使並驗證了這句格言：“火星是困難的。”
JPL的卡里爾回應道：“我認為，如果‘毅力號’任務失敗，MSR將不得不回到第一步，回收任務的規劃將暫停，直到有另一個機會收集樣本。”“然而，我們目前正在為成功做計劃，以便如果一切按計劃進行，事情可以繼續向前推進。幸運的是，我們將在幾天內知道‘毅力號’是否已成功著陸並在火星上執行！”