2012 年，亞當·斯特爾茨納因其團隊設計的冒險而熾熱的機動操作，使美國宇航局的好奇號探測車完美降落在火星上，從而一躍成為工程界的明星。現在，斯特爾茨納只想談論如何清潔。
他痴迷於清潔的物件是一個深灰色的金屬管，大約有他的手那麼大。它放在加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室（JPL）的一個倉庫式建築內的工作臺上，斯特爾茨納在這裡擔任美國宇航局下一輛火星探測車的首席工程師。他需要這個管子成為有史以來最清潔的物體之一，這樣探測車才能完成其任務。
最早在 2020 年 7 月，這輛 1 噸重、6 輪的探測車將從佛羅里達州發射，攜帶 43 個這樣的管子進行為期 7 個月的紅色星球之旅。到達後，探測車將在火星表面行駛，並用泥土、岩石或空氣填充每個管子。然後它將密封管子，將它們放置在地面上，並等待——幾年，甚至可能幾十年——另一艘宇宙飛船來取回它們並將它們帶回地球。這將是人類首次嘗試帶回這顆紅色星球的一部分。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關當今世界發現和塑造我們世界的有影響力的故事的未來。
如果一切按計劃進行，這些將成為有史以來最珍貴的外星樣品。在這些金屬管中的一個裡面，可能存在地球以外生命存在的證據，形式為微生物、生物礦物質或有機分子。
這就是為什麼斯特爾茨納和他的團隊必須非常非常乾淨。僅僅一個地球細胞或其他汙染物的小斑點就會破壞任何明確檢測火星微生物的機會。因此，專案團隊正在嘗試設計一個機器人取樣系統，以保持一切乾淨。斯特爾茨納說：“我們將比以往任何人都更加認真地對待清潔度，”他搖晃著管子，彷彿要將遊離的微生物從上面敲掉。“我們就是要設計好這個東西。”
風險再大不過了。美國宇航局將 24 億美元和火星探索計劃的未來押在了 2020 年的探測車上。如果它收集到一套最終返回地球的原始岩石樣品，它們將塑造太陽系科學的程序。如果它失敗了——火星是太空任務的著名墓地——該機構將不得不放棄它數十年來一直擁有的夢想。
在噴氣推進實驗室的會議室、實驗室和潔淨室中，科學家和工程師們現在正在為該任務敲定關鍵決策。他們正在探索和質疑每一個細節，從如何在火星表面保持管子的低溫到探測車在行星上的每一分鐘將要做什麼，以完成所有計劃的工作。下個月是一個關鍵時期，因為美國宇航局將縮小可能的著陸點候選名單，並進行一個必須透過的關鍵設計審查，以繼續推進該專案。到 2020 年該任務發射時，其成功或失敗將部分取決於現在做出的選擇。
探測車誕生
在噴氣推進實驗室陽光明媚的校園裡，依偎在洛杉磯北部和東部的山脈旁，身穿襯衫的工程師們沿著一條桉樹成蔭的小路漫步。有些人轉身進入大樓，任務控制員從那裡駕駛著在火星上的兩輛正在工作的探測車。其他人則繼續前往 179 號樓，這是一個歷史悠久的航天器組裝設施，許多前往月球、火星和行星際空間的任務都在這裡誕生。
今天，這裡也是火星 2020 探測車成形的地方。到目前為止，該建築物巨大的潔淨室只包含該任務的一個主要專案——一個用皺巴巴的銀色薄片包裹的盤狀隔熱罩。它是好奇號任務剩下的，將重新用於新的航天器。
美國宇航局在四年前宣佈 2020 年任務時就吹捧了這種可重複使用性。該機構已經向火星傳送了一系列成功的探測車，從 1996 年的 11 公斤重的探路者號開始，到 2003 年的 180 公斤重的被稱為勇氣號和機遇號雙胞胎，再到 2012 年的 900 公斤重的巨無霸好奇號。噴氣推進實驗室設計了所有這些機器，每一種都在複雜性和科學雄心方面更進一步。
但現在，從工程角度來看，2020 年的探測車可以部分地依靠為好奇號所做的工作。新探測車大約 85% 將是傳統設計——底盤、動力和通訊系統以及其他元件可以從之前的探測車複製。“我們正在花小錢辦大事，”曾參與多個探測車任務的副專案經理馬特·華萊士說。
新的是將進行科學研究的部分：將在火星上進行測量的工具以及將收集和儲存岩石樣品的工具。該探測車的科學有效載荷將由七種儀器組成，所有這些儀器要麼是全新的，要麼是改進的設計。例如，探測車桅杆頂部的全景相機將具有放大功能，可以聚焦於感興趣的區域。該車輛的雷射儀器將增加額外的波長，以加強對岩石化學和礦物學的研究。探測車的機械臂將配備紫外線和 X 射線光譜儀，這些光譜儀可以比好奇號上的儀器更詳細地繪製岩石圖。
這些工具代表了該任務收集珍貴岩石樣品地質背景的唯一機會。科學家說，這些資訊是瞭解火星物質和這顆行星的關鍵。畢竟，他們已經擁有數百塊來自火星的岩石——但這些樣品沒有背景資訊。它們是在數百萬和數十億年前的撞擊過程中從紅色星球上炸開的隕石的形式到達地球的。飛到那裡，撿起岩石並將其帶回來的目的是幫助研究人員解讀收集樣品的火星景觀的歷史，並拼湊出這顆行星的演化過程。
“我們希望有一套非常好的野外筆記，供人們幾個世紀參考，”X 射線光譜儀的首席研究員、噴氣推進實驗室的天體生物學家阿比蓋爾·奧爾伍德說。“如果我們要證明這是生命，我們就必須以最高水平對其進行審查。”
尋寶
這就是斯特爾茨納和他的團隊發揮作用的地方。他們從頭開始，試圖構想出最好的樣品收集系統。早期的想法包括狂野的配置，例如帶有多個手臂以部署不同科學儀器的探測車。最後，他們確定了一個系統，在該系統中，探測車將伸出其手臂到達一塊岩石，然後鑽取並提取 15 克樣品。它將密封管子，並將其放回探測車的主體內——所有這些過程都在一小時內完成，以減少樣品暴露在火星空氣中的時間和可能的汙染。
該探測車將攜帶足夠的補給來填充和密封至少 31 個管子，每個管子大約長 14 釐米，直徑 2 釐米。（它攜帶幾個備用管子以防出現問題。）並非所有管子都註定要裝載火星樣品。一些將充當“見證”管，其中填充有諸如鋁網或陶瓷之類的材料以捕獲環境汙染物。在前往火星的途中，其中一個管子將保持未覆蓋狀態，以捕獲在飛行過程中可能從航天器中蒸發出來的任何東西。該管子將在到達時密封。其他管子將在火星表面按順序暴露，以收集在每個位置恰好在空氣中吹過的任何東西的樣本。稍後，科學家將能夠使用見證管來確定鑽取的樣品是否被汙染以及何時被汙染。
專案科學家肯·法利和火星 2020 團隊的其他成員最近才決定攜帶見證管，這是根據代表未來研究人員的科學小組的建議。“我們需要了解他們對於想要對返回的樣品進行哪些型別的調查的想法，”田納西大學諾克斯維爾分校的行星地質學家、該小組的聯合主席哈普·麥克斯溫說。
最重要的是，這意味著超純樣品。到管子製造、清潔、烘烤並存放在航天器內時，它們可能只是這個星球上最原始的環境。“無機、有機和生物要求的結合使這具有如此大的挑戰性，並使其在美國宇航局迄今為止執行的任務中獨一無二，”副專案科學家肯·威利福德說。
其他航天器已經達到了令人印象深刻的清潔度水平，這主要是出於對不使用地球微生物汙染行星的擔憂。早在 1970 年代，維京號火星著陸器的關鍵儀器就用溶劑清潔，然後在氦氣中烘烤四天。歐洲航天局的 ExoMars 探測車也計劃在 2020 年發射並尋找過去生命的跡象，它也計劃進行類似的保護性清潔。中國計劃在 2020 年傳送自己的火星探測車，但不具備生命探測能力。
美國宇航局的 2020 年任務必須超越通常的行星保護要求，以確保計劃返回地球的樣品的科學完整性。美國宇航局的行星保護官員卡西·康利說，這些樣品將像阿波羅宇航員帶回的月球岩石一樣小心地處理，甚至可能更小心地處理。她在華盛頓特區的該機構總部工作。
實際上，沒有辦法讓航天器完全乾淨。相反，任務科學家正在決定他們可以接受的汙染水平。有機和無機材料都必須保持在一定的限度以下——例如，一個諮詢小組建議，任何樣品中總有機碳的含量不得超過十億分之 40。
但是，由於鑽頭齒由氮化鎢製成，因此樣品將不可避免地被鎢汙染。這意味著未來的科學家將無法使用依賴鎢和鉿的放射性衰變系統來確定火星岩石的年代；他們將不得不從其他幾種替代方法中選擇。“我們將不得不接受這一點，”麥克斯溫說。
另一個考慮因素是，在等待飛回家時，管子在火星表面可能會變得有多熱。應法利的要求，麥克斯溫和他的小組分析了在不同溫度下會損失哪些科學資訊。他們得出結論，60°C 是可接受的上限；高於此溫度，一些有機化合物開始降解，一些礦物質開始分解，還會發生其他可能危及研究的變化。因此，工程師決定用氧化鋁塗層管子，以反射陽光並將其保持在 60°C 的閾值以下。
美國國家航空航天局（NASA）尚未計劃將樣本帶回地球的任務，但當樣本到達地球時，研究人員將擁有一整套技術來測試是否存在火星生命。他們將尋找氨基酸（蛋白質的前體）和其他複雜的有機化合物。其他證據可能來自關鍵分子中同位素的比率，這些同位素在地球上可以提供生物過程的明確訊號。研究人員尚未就哪種測量組合能夠證明火星生命的存在達成一致——但透過建立一系列關於岩石及其所含物質的觀測，科學家們或許能夠提出令人信服的論據。
但這並不意味著事情會很容易。法利是一位研究宇宙射線如何改變岩石化學性質的地球化學家。因此，他擔心來自古代火星的任何有機化合物會在地表經歷數百萬年的時間後降解。獲取最佳樣本的策略可能是將目標鎖定在火星懸崖底部等區域，當高處的岩石崩落時，新鮮的物質會暴露出來。
NASA 的計劃要求在 1-1.5 個火星年中收集 20 個經過精心挑選和記錄的樣本。這意味著要在許多可能的取樣地點之間行駛，並評估哪些取樣地點最有可能從多樣化的地質環境中產生最有趣的資訊。在收集的過程中，探測器可能會將試管存放在一個或多個地面的位置。
好奇號火星車在火星上執行的 4.5 年裡，只鑽了 15 個孔，行駛了 16 公里以上。2020 年的團隊必須以快得多的速度工作。“很明顯，我們必須保持非常快的節奏，”法利說。“科學團隊不能只是坐著討論，我們是否要在這裡鑽探？”
確定著陸點
最終，2020 年探測器的科學成功很大程度上取決於它的著陸地點。美國宇航局目前正在考慮八個地點。其中一半的地點是具有曾經的湖泊、三角洲或其他長期水和沉積物的證據的環境，這些環境可以儲存古代生命的證據。其他可能的著陸地點是古老的岩石中，那裡曾經有水透過火星地殼中的溫暖熱液泉滲流，這些熱液泉可能很久以前就允許生命繁榮發展。位於帕薩迪納的加州理工學院的行星地質學家貝瑟尼·埃爾曼說，選擇哪個地點將塑造火星科學的方向。
科學家們將在下個月在加利福尼亞州蒙羅維亞舉行的一次研討會上將名單縮減一半，並在發射前一兩年向 NASA 推薦最終的著陸地點，以供 NASA 考慮。
同樣在二月份，該任務將對其設計的各個方面進行最終審查。如果透過，噴氣推進實驗室將認真繼續建造科學儀器、取樣系統和其他硬體。機器完成後，將經過測試，然後運往發射地點，預計在 2020 年 7 月或 8 月發射。
美國宇航局尚未決定何時將樣本帶回地球。在 2020 年的探測器之後，它沒有為火星任務編列預算或批准。該機構總部的管理人員已經開始暗示，他們希望看到一個軌道飛行器在 2022 年發射，作為未來任務的通訊中繼，並取代已經在那裡的老化的軌道飛行器。在那之後，優先事項將是將火星樣本帶回地球，同時支援人類探索火星的可能計劃。美國宇航局正在資助對火星上升飛行器概念的早期研究，該飛行器將攜帶一小包樣本（可能和保齡球大小一樣）進入火星軌道。然後，一艘尚未計劃的宇宙飛船將收集軌道上的包裹並將其送回地球進行嚴格隔離。
法利回憶說，他最早是在 20 世紀 80 年代後期開始認真談論火星樣本返回的。當時，NASA 估計可能需要十年時間才能完成。法利說，至少還需要十年時間，火星樣本才能被帶回地球。“但至少我們現在開始了。”
本文經許可轉載，並於 2017 年 1 月 18 日首次發表。