美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(European Space Agency, ESA)正在开展一项活动,将火星样本送回地球

9月1日,NASA的毅力号火星车展开了它的机械臂,将一个钻头放在表面,并向下钻了约2英寸(6厘米),以提取一个岩石核心。火星车后来将岩芯密封在样本管内。这一历史性事件标志着航天器首次从另一颗行星收集岩石样本,这些样本可以由未来的航天器返回地球。

火星样本返回是一个多任务活动,旨在检索坚毅号将在未来几年内收集的岩心。目前处于概念设计和技术开发阶段,该活动是航天史上最雄心勃勃的努力之一,涉及多个航天器、多次发射和几十个政府机构。

“自20世纪80年代以来,从火星返回样本一直是行星科学界的优先事项,而最终实现这一目标的潜在机会释放出了一股创造力。”位于华盛顿NASA总部的NASA火星探索计划首席科学家迈克尔迈耶(Michael·Meyer)说。

在这张来自NASA毅力号火星车的采样和缓存系统相机(称为CacheCam)的图片中,可以看到火星岩石的第一个钻孔样品(中间位置)在钛合金样品采集管内。这张图片拍摄于2021年9月6日(任务的第194个火星日),在此之前,该系统将金属帽连接并密封在管道上。拍摄这张照片是为了使岩芯样本能够聚焦。样品周围的暗是样管内壁的一部分。围绕着样品管和样品的明亮的金色环是“轴承圈”,这是一个不对称的法兰,一旦取芯钻头钻到岩石上,就会帮助剪切样品。这张图片中最外面的斑驳的棕色圆盘是漫游车自适应贮藏组件中的样品处理臂的一部分。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

在地球上分析样本——而不是将任务分配给火星表面的火星车——的好处是,科学家们可以使用多种尖端实验室技术,这些技术太大,太复杂,无法送到火星上。而且他们可以在实验室中更快地进行分析,同时提供更多关于火星上是否曾经存在生命的信息。

“从我还是研究生的时候,我就梦想着有火星样本来分析。”由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室管理的火星样本返回计划首席科学家米纳克什·瓦德瓦(Meenakshi Wadhwa)说。“收集这些记录充分的样本,最终将使我们能够在样本返回后在地球上最好的实验室对它们进行分析。”

火星样本返回将涉及几个第一次,旨在解决一个悬而未决的问题:除了地球之外,生命是否在太阳系的任何地方扎根?美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的天体生物学家丹尼尔·格拉文(Daniel Glavin)说:“我的整个职业生涯都在努力寻找机会来回答这个问题。” 格拉文正在帮助设计系统,以保护火星样本在从火星到地球的整个旅程中免受污染。

从火星上收集样本并将其带回地球将是一项历史性的任务,它始于2020年7月30日NASA毅力号火星车的发射。毅力号在2021年9月收集了它的第一批岩芯样本。火星车将把它们留在火星上,供未来的任务取回并送回地球。NASA和ESA正在为这个拟议的火星样本返回活动巩固概念。目前的概念包括一个着陆器,一个取物漫游器,一个将样本容器发射到火星轨道的上升飞行器,以及一个带有有效载荷的回收航天器,用于捕获和保存样本,然后将它们送回地球,在无人居住的地区着陆。
影像来源:动画来源:NASA/JPL-Caltech, ESA, NASA/GSFC and NASA/GRC. 技术援助:James Tralie, NASA Goddard. 音乐来源:Axel Coon and Ralf Goebel of Universal Production Music.

与ESA合作开发的火星样本返回任务将要求自动从火星表面发射一枚装满宝贵的地外货物的火箭。工程师需要确保火箭的轨道与绕火星飞行的航天器的轨道一致,这样样本舱才能被转移到轨道器上。然后,轨道飞行器将把样本舱送回地球,科学家们将在那里等待将样本舱安全装载,然后将其运送到一个安全的生物危害设施,该设施目前正在开发中。

在将火星样本带到地球之前,科学家和工程师必须克服几个挑战。下面我们来看看其中一个:

保护地球免受火星侵袭

保持样本在化学上的原始状态,以便在地球上进行严格的研究,同时对其存储容器采取极端的消毒措施,以确保没有任何危险物质被运送到地球,这是一项让火星样品返回真正前所未有的任务。

数十亿年前,这颗红色星球可能拥有舒适的生命环境,在温暖潮湿的环境中茁壮成长。然而,根据来自火星轨道器、着陆器和火星车数十年的数据,NASA极不可能带回带有活火星生物的样本。相反,科学家们希望找到有机物的化石或其他古代微生物生命的迹象。

尽管将任何生物带到地球的风险很低,但出于谨慎的考虑,NASA采取重大措施,以确保火星样本在整个旅程中保持安全密封。在整个耶泽罗陨石坑收集岩芯并将其放置在主要由钛(世界上最坚固的金属之一)制成的样品管里,毅力号将样品管紧紧地密封,以防止哪怕是最小的颗粒也不会意外释放。然后,这些样品管被储存在火星车的腹部,直到NASA决定将它们投放到火星表面的时间和地点。

样本返回任务将包括一个ESA样本收集探测器,该探测器将于本十年晚些时候从地球发射,以拾取毅力号收集的样本。位于俄亥俄州克利夫兰的NASA格伦研究中心的工程师们正在设计取样车的车轮。该火星车将把样本转移到喷气推进实验室开发的着陆器上。着陆器上的机械臂将把样品装入一个火箭的顶端,该火箭由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔空间飞行中心设计。

火箭将把样本舱送到火星轨道,ESA的轨道飞行器将在那里等待接收样本舱。在轨道飞行器内部,太空舱将准备通过由NASA戈达德领导的团队开发的有效载荷运送到地球。这一准备工作包括将样品舱密封在一个干净的容器内,以捕获任何火星物质,对密封密封进行消毒,并在返回地球之前使用戈达德研发的机械臂将密封容器放入地球返回舱中。

该图展示了一组未来机器人协同工作的概念,用于将NASA的毅力号火星车在火星表面收集的样本运回地球。
图片来源:NASA/ESA/JPL-Caltech

NASA工程师的主要任务之一是找出如何密封和消毒样本容器,同时又不破坏里面岩芯的重要化学特征。该团队目前正在测试的技术之一是钎焊技术,该技术将金属合金熔化成液体,基本上将金属粘合在一起。钎焊可以在足够高的温度下密封样品容器,以消毒可能留在缝隙中的任何灰尘。

“我们现在最大的技术挑战之一是,在距离约1000华氏度(或538摄氏度)熔化的金属几英寸远的地方,我们必须将这些非凡的火星样本保持在它们在火星上可能经历的最热温度以下,即约86华氏度(30摄氏度),”戈达德系统工程师布伦丹·费汉(Brendan Feehan)说,该系统将捕获、容纳样本,并通过ESA的轨道飞行器运送到地球。“我们的钎焊解决方案的初步测试结果证实了我们走在正确的道路上。”

费汉和他的同事们精心设计,只允许在需要进行钎焊的地方加热,从而限制热量流向样品。此外,工程师可以用一种材料将样品隔离起来,这种材料会吸收热量然后非常缓慢地释放热量,或者他们可以安装导体,将热量从样品中带走。

格莱文说,无论团队开发出何种技术,都将不仅对火星样本至关重要,对未来前往木卫二土卫二的样本返回任务也至关重要。“在那里,我们可以收集并返回可能含有活外星生物的新鲜海洋羽流样本。所以我们需要解决这个问题。”

NASA为消除对地球的有害污染风险所做的严格努力可以追溯到1967年的国际《外层空间条约》,该条约呼吁各国防止地球生物体污染天体,并防止返回的样本污染地球。为了安全地将火星样本送回地球,NASA不仅与ESA合作,而且还与至少19个美国政府部门和机构合作,包括美国疾病控制和预防中心和美国国土安全部。

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