岩石、火箭和機器人：將火星帶回地球的計劃

在2031年，一顆從火星射出的炮彈應該會落在美國西部的某個沙漠中，讓科學家們能夠獲得一些人認為人類歷史上最珍貴的材料：從另一個星球表面採集的原始地質樣本。

經過數十年的籌備，這一刻將代表機器人火星樣本返回（MSR）任務的頂峰，這是一項涉及NASA、歐洲航天局（ESA）和工業合作伙伴聯盟的國際努力。但它的實現遠非必然。

除了一個組成部分——NASA的火星2020漫遊車，計劃最早於7月發射——儘管估計耗資70億美元，但這項多階段任務仍然主要停留在概念階段。而且，不僅僅是無數的技術障礙和前所未有的太空探索壯舉阻礙了成功。無法保證兩個航天機構——各自由截然不同的政治制度資助和象徵——能夠完美地協同工作，以在任務令人驚歎的11年時間表內實現里程碑。困難甚至超出了看似最大的挑戰：實際將來之不易的樣本返回地球。任務規劃者仍在爭論如何準確地保護來自火星的岩石免受地球汙染，以及任何可能爆發的外星生物，無論這種可能性多麼渺茫。

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無論從複雜性還是大膽程度來看，MSR都將成為未來所有主要的行星際機器人任務的試金石。它完全有可能失敗，變成一個價值數十億美元的機構間功能失調的紀念碑。但是，如果MSR的規劃者設法完成它，這項任務將成為地外行動國際框架優點的縮影，帶來無數的科學寶藏，甚至可能引發社會對太空探索認知的巨大轉變。

行星協會高階太空政策顧問凱西·德雷爾說：“這將是一項人類的成就，而不僅僅是NASA或ESA的成就。”

偉大的行星際迴旋鏢

從火星取回未受破壞的樣本一直是幾代行星科學家的主要目標。研究人員已經在少數火星隕石中發現了紅色星球遙遠過去的線索，這些隕石是從火星上脫落並被古代巨型撞擊拋向地球的。但這些太空岩石非常罕見——並且在它們不可思議的旅程中發生了物理變化，因此在回答科學家最緊迫的問題方面的用途有限。

然而，使用我們想要的任何方法或儀器在地球上研究原始的火星岩石，可能會揭示我們鄰近世界的更詳細的歷史，揭示其火山活動、水文、氣候、磁性和可能的生物學的演變。西班牙天體生物學中心的高階科學家瑪麗亞-帕斯·佐爾扎諾說，即使是整個機器人任務艦隊也無法提供所有這些資料。而且，她補充說，“如果你想將人類送往火星，你首先必須證明你可以安全地帶回一些東西。”

儘管可能會發生變化，但NASA和ESA已經勾勒出一個計劃，以完成這項行星際抓取任務。核動力火星2020漫遊車目前在加利福尼亞州的潔淨室中，為今年夏天的發射做準備。預計它將於2021年2月在潛在的過去宜居地——傑澤羅隕石坑（位於火星赤道以北）著陸。如果火星上曾經存在生命，那麼在古代隕石坑湖泊和傑澤羅及其周圍的相關河流系統中，很有可能已經繁衍生息（甚至可能已經化石化）。在當地進行各種實驗時，火星2020漫遊車可以使用鑽頭提取多達43個鋼筆大小的岩石樣本。然後將樣本密封在管子中。其中一些將儲存在漫遊車上，另一些將儲存在行星表面附近某個方便的位置。

當漫遊車整理其岩石收藏時，它與地球的通訊將不得不依賴於有些過時的軌道架構。火星奧德賽號（2001年發射）將在2025年耗盡推進劑，火星勘測軌道飛行器（2005年發射）的電池可能會在同一時間左右耗盡，這可能會阻止任何一艘航天器充當通訊中繼。火星大氣與揮發演化探測器（MAVEN，2013年發射）仍然執行良好，但火星微量氣體軌道飛行器（2016年發射）很可能成為火星2020漫遊車的主要資料管道。

如果這種拼湊而成的通訊方案失敗，漫遊車的冒險可能會被縮短，或者更糟的是，在開始之前就結束。這種情況意味著“我們必須在我們擁有這種基礎設施的時候採取行動”，德雷爾說。即使微量氣體軌道飛行器在未來許多年內保持功能，火星2020漫遊車也必須與其他裝置（包括ESA的羅莎琳德·富蘭克林漫遊車，它也將在2021年抵達）共享軌道飛行器的頻寬。ESA的MSR活動負責人桑傑·維金德蘭說，這種安排可能會導致可以傳送回家的資料量受到限制。

火星2020號將發射，無論發生什麼情況。但後續任務階段尚未成為現實。“樣本返回”列車已經駛離車站，而前方的軌道仍在建設中。

如果一切按計劃進行，2026年將進行兩次發射：一枚火箭將攜帶ESA的地球返回軌道飛行器。另一枚火箭將發射NASA的樣本返回著陸器任務，該任務將把NASA的火星上升飛行器和ESA的樣本獲取漫遊車運送到我們鏽紅色的鄰居。軌道飛行器將首先於2028年抵達火星，以便監測稍後到達的著陸器的進入、下降和著陸。

樣本獲取漫遊車將使用MSR科學家上傳的預先計劃的路徑穿越地形，尋求使用其機械臂抓住火星2020號的所有快取樣本管，然後再將它們送回著陸器。與更逐步、緩慢但可靠的遠端駕駛方法相比，它的導航和樣本拾取將自主處理，從而節省時間。但是，如果裝置遇到特別危險的地形，它可以向地球發出訊號請求人工幫助。維金德蘭說，如果最初的火星2020漫遊車仍在執行，它也可以將其自身的樣本送到樣本返回著陸器。

各種私營公司正在為ESA的樣本獲取漫遊車及其地球返回軌道飛行器開發概念研究。航空航天公司空中客車的ESA漫遊車工程經理亞當·卡米萊蒂擔心的是在險惡地形上堅持時間表：太陽能驅動的車輛——缺乏核電池（部分原因是缺乏更多資金）——無法長時間被困在任何地方。這種限制存在是因為樣本獲取漫遊車只有大約150個火星日的時間來將所有這些樣本送到著陸器，然後更黑暗的冬季月份——以及季節性的太陽能破壞性塵暴——就會來臨。等待著陸器上的第二個機械臂將抓住漫遊車運送的樣本管，將它們放入一個足球大小的容器中，然後該容器將由火星上升飛行器發射到軌道上。

大多數專家懷疑，發射將是任務中最具挑戰性的事件。與從地球發射的任何東西相比，火星只有我們地球引力和大氣層的一小部分，從而更容易進入太空。但是，上升飛行器必須完美地執行任務——而且，除了最初的發射指令外，完全自主，沒有任何人為干預來拯救它，如果出現問題。

儘管火星環境對太空發射有利，但它也有相當大的缺點。ESA的ExoMars專案科學家豪爾赫·瓦戈說，將火箭在寒冷中放置幾個月，等待樣本獲取漫遊車完成其工作，這是一個很大的風險。在地球上，固體火箭燃料在暴露於低溫後並不總是能正常燃燒。火星上的條件要冷得多，而且上升飛行器的暴露時間將比發射到北極圈內地球極光中的探空火箭要長得多。液體燃料可能更可靠，但它們需要複雜的閥門系統，這將引入額外的潛在故障點。

南加州大學的火箭科學家和航天工程師安妮塔·森古普塔負責開發超音速降落傘系統，該系統使NASA的好奇號漫遊車能夠安全降落在火星上。她說，將機器人降落在另一個世界上絕非沒有風險。航天機構在這方面已經進行了充分的實踐，並取得了多項成功，但遠端從另一個星球發射火箭，而沒有機會修復故障閥門或取消發射，則是一項全新的挑戰。“在有史以來，沒有人做過這樣的事情，”森古普塔說。

NASA火星探測計劃的首席科學家邁克爾·邁耶說，發射將是“那些令人緊張的時刻之一”。如果成功，它將釋放樣本容器，使其在火星軌道上自由漂浮。然後，地球返回軌道飛行器將使用其 onboard 攝像頭定位樣本容器，最終與樣本容器會合、捕獲並將其存放在火星上空——並超出地球上任務控制人員的任何幫助性干預範圍。這個關鍵步驟將完全依賴於航天器在沒有類似地球GPS衛星網路幫助的情況下，在火星軌道上導航和搜尋微小容器的能力。

猶他州，我們遇到了問題

在任何前往火星的航天器離開地球之前，它通常會在烤箱中烘烤一段時間，在那裡對其進行仔細消毒，以減少任何微生物搭便車者汙染外星世界的可能性。但是，科學家們也擔心“反向汙染”——任何火星生物群都可能汙染地球，並使我們或我們的生物圈處於嚴重危險之中的概念。

天體生物學家認為，在MSR的任何岩石中發現現存生命的可能性都非常渺茫。英格蘭開放大學的行星科學家曼尼什·帕特爾說：“樣本中存在任何危險物質的可能性接近於零。”“問題是我們不能說它是零。”

加州大學戴維斯分校的進化生物學家喬納森·艾森說，火星上進化出的東西基本上不可能感染人類並引起疾病。他說，更可能的是，如果它進入它可以肆意繁殖的環境，可能會在地球上引起生態問題。

儘管可能不太可能，但這種風險受到了非常認真的對待。MSR的寶藏必須經過仔細密封，因此人類不會直接接觸到火星的塵埃、岩石和土壤。因此，當地球返回航天器在火星軌道上捕獲覆蓋著灰塵的樣本容器時，它會將該容器隔離在多層艙內。邁耶說，這個動作就像手套接住一個滿是灰塵的棒球，然後多次將其包裝起來。

軌道飛行器應該在2031年帶著其珍貴、保護良好的貨物抵達地球上空。艾森建議，此時，樣本應該首先在太空進行研究，可能在國際空間站或某個其他軌道設施上。“如果你在空間站上，你做了一堆測試，你發現[樣本中的東西]是活的，把它帶到地球上是不可原諒的，”他說。

此步驟目前未在任務的工作計劃中體現。相反，當軌道飛行器到達地球時，預計艙體將透過NASA的地球進入飛行器到達陸地，該飛行器將在沒有降落傘的幫助下，在美國沙漠（暫定在猶他州）以大約每小時90英里的速度硬著陸。“它很快，但沒有瘋狂的快，”維金德蘭說。

MSR的主管們放棄了降落傘，因為無法保證這些裝置能夠正常工作，維金德蘭說——這在2004年被太陽風粒子收集創世紀號任務所銘記，該任務的樣本艙在意外硬著陸後破裂。在這種情況下，製造一個可以承受這種著陸的剛性艙體更簡單。“它只是進來，然後，砰，它撞到地面，”瓦戈說。“這將是一個有趣的時刻。”

ESA的行星保護官員格哈德·克米內克說，返回飛行器上安裝多個保護系統降低了樣本會溢位到沙漠中的可能性。如果艙體沒有像雞蛋一樣破裂，它的下一站將是一個接收設施，在那裡，樣本將被放置在世界上最堅不可摧、生物學上安全的金庫中，以進行初步研究。

該設施目前尚不存在。NASA去年召集的一個“行星保護”審查委員會指出了這個問題，並建議加快MSR接收設施的工作。克米內克說，專家們一致認為，在建造這些空間方面，我們至少需要提前10年開始。預計火星樣本將在11年後與地球會合。看來沙漏裡的沙子正在迅速流逝。

一些基本要求是明確的。帕特爾說，這些樣本將被視為具有高度毒性，就像天花一樣：它們很可能被儲存在儘可能高的生物安全級別，在那裡，工作人員必須穿著自給式氧氣罐內的防護服。多個氣閘——以及設施內部低於環境氣壓的氣壓——將確保內部空氣不會衝到外面。

ESA的MSR研究科學家埃利奧特·塞夫頓-納什說，一些現有的生物隔離空間可以滿足這些基本要求，包括軍事基地中旨在容納潛在生物武器的空間。但它們可能仍然受到汙染，無法支援仔細的天體生物學研究。例如，目前的設施通常不關心外部空氣是否滲入。但是在分析地外岩石的情況下，這種違規行為很容易汙染樣本，可能導致錯誤地發現火星生命。塞夫頓-納什說，一種選擇是安裝專門的櫃子，在這些櫃子中，樣本將受到多層惰性氣體的保護，以免受到我們的影響，我們也免受其影響。然後，研究人員可以使用遠端操作的機器人微型機械手來研究它們。普渡大學的返回樣本分析專家米歇爾·湯普森說，我們還需要考慮專門培訓早期職業研究人員，他們將在2031年準備好在這些空間工作。

德雷爾說，一個滿足所有這些要求的美國設施可能耗資約5億美元。目前尚不清楚是否會在歐洲建造其他設施。他補充說，忘記獲取樣本：處理它們本身就是一項任務。

給我錢

就目前情況而言，MSR仍然是一個概念。它在其整個任期內仍然需要資金，而目前，NASA和ESA正處於預算編制的非常不同的階段。除了2020年的漫遊車外，NASA正焦急地等待特朗普政府的下一份預算提案，該提案將於2月10日提交給國會，預計將預示政治對該任務的支援力度——或薄弱程度。

然而，ESA可以說開局更強勁。去年11月，其成員國承諾為2020-2022年提供相當於138億美元的資金，高於2016年歐洲部長級會議上次批准的95億美元。塞夫頓-納什說，很明顯，MSR在歐洲共同體內部獲得了巨大的支援。

儘管如此，人們對NASA將獲得資金持樂觀態度。如果唐納德·特朗普總統不是反覆無常的話，那麼當他談論太空探索時，他確實傾向於談論火星。“對於NASA來說，至少對於本屆政府來說，保持一個強大的火星計劃是當務之急，這是一種腳踏實地式的努力，以保持總統的滿意，”德雷爾說。與ESA分攤任務可以建立額外的政治穩定性。

前NASA宇航員兼深空探索聯盟顧問湯姆·瓊斯說，還有一種安全感，即NASA和ESA都不希望被視為在開發如此引人注目的任務上掉鏈子。他以國際空間站為例：即使有延誤，一旦國際聯盟在1990年代初期拼湊起來，也沒有人會退出。

有些人表示擔心，MSR的預算可能會被NASA的阿耳忒彌斯計劃蠶食，該計劃旨在在本十年內的某個時候將美國宇航員送回月球。但其他人承認，重返月球也將幫助我們到達火星，使其更像是一個墊腳石，而不是財務威脅，瓊斯說。他說，預算權衡是不可避免的，但“我不認為他們會追究火星樣本返回任務。”

德雷爾說，這項任務現在有點像一隻小貓：它還處於早期階段，對大型捕食者毫無防禦能力。現在取消MSR比在它開始執行後更容易。而且它之前已經被提出然後取消過，最近一次是在20世紀末——在火星極地著陸器和火星氣候軌道飛行器相繼失敗之後。但是考慮到NASA現在正在尋找MSR計劃的負責人，信心顯然已經更高了。

即使持續的資金到位，NASA和ESA也必須在緊張的時間表下進行前所未有的整合行動。2020年的漫遊車可能已經準備就緒，但下一個元件——著陸器任務和軌道飛行器——需要在2026年之前準備就緒。

克米內克說：“時間很緊——時間表不是很寬鬆。”而且，在匆忙中更容易犯錯誤。

如果這道慢燉菜的每一種成分都能結合在一起，那麼回報將是無數的。“火星探測計劃的目標一直是確定過去和現在的宜居性，而這是最好地回答這個問題的方式，”森古普塔說。而且，這可能會預示著未來許多火星樣本返回任務中的第一個——畢竟，邁耶說，你無法從一個地點了解一個星球的一切。

受益的不僅是與世隔絕的以火星為中心的行星科學家社群。MSR的成功可以作為機構間合作的典範，表明儘管雙方存在計劃和政治上的不協調，但我們通往深邃而美麗的黑暗的道路可以由大膽、令人驚歎的太空行動鋪平。

現在剩下的就是全力以赴執行這項任務。湯普森說，NASA的火星探測計劃中的一切都在為此做準備。而且，作為一個社會，我們擁有使其發揮作用的技能、技術和動力。“我們只需要完成它，”她說。