揭秘NASA“無(wú)塵室” 看火星探測(cè)車如何尋找外星生命

　　1月13日消息，據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)宇航局(NASA)全新的火星探測(cè)車Mars 2020計(jì)劃最早于今年8月份發(fā)射升空，目前其正在NASA下屬噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。美國(guó)記者日前進(jìn)入JPL的“無(wú)塵室”，親眼見到了這款探測(cè)器，并見證了科學(xué)家們?nèi)绾螠y(cè)試它在火星上尋找35億年前的生命痕跡，進(jìn)一步為人類探索火星鋪平道路。

　　JPL的“無(wú)塵室”看起來(lái)就像《歡樂糖果屋》(Willy Wonka and the Chocolate Factory)中的電視室：這是個(gè)看起來(lái)非常原始的房間，里面有穿著白色連體褲、戴著面具的人們?cè)诟鞣N科技魔法中匆匆穿梭著。NASA新的火星探測(cè)車Mars 2020正在這里進(jìn)行著各種測(cè)試，該機(jī)構(gòu)的目標(biāo)是在今年夏天將其部署到火星上。雖然Mars 2020看起來(lái)貌不驚人，但它背負(fù)著重要使命，那就是最終確定火星上是否存在生命。

　　在2019年的最后幾天，總部位于加州帕薩迪納的JPL為記者提供了罕見的、進(jìn)入High Bay 1的機(jī)會(huì)。High Bay 1是個(gè)洞穴狀的現(xiàn)場(chǎng)直播無(wú)塵室，工程師們始終在這里建造Mars 2020火星車，以及開發(fā)幫助其完成為期七個(gè)月火星之旅的下降和巡航系統(tǒng)。無(wú)塵室的溫度、濕度和操作程序都受到嚴(yán)格控制，最大限度地減少了空氣中可能干擾電子設(shè)備和火星實(shí)驗(yàn)的灰塵、顆粒和生物污染。人們需要“一塵不染”才能進(jìn)入。

　　在進(jìn)入這個(gè)無(wú)塵室之前，人們首先要穿上所謂的“兔子套裝”，即時(shí)髦的白色聚酯連體褲、靴子和兜帽，以及用膠帶綁在袖口上的口罩和乳膠手套，然后穿過氣閘，那里強(qiáng)烈的氣流會(huì)清除額外的微小碎片。

　　化妝品、香水、羊毛、邊緣參差不齊的衣服或布料相機(jī)背帶等都被禁止帶入，技術(shù)人員在進(jìn)入之前需要用酒精擦拭攝像機(jī)和手機(jī)。JPL的工作人員還被進(jìn)一步限制使用無(wú)味洗發(fā)水(除臭劑)，在進(jìn)入之前不能淋浴。即使是無(wú)塵室的吉祥物High Bay Bob，造型鮮艷的綠色圣誕主題模特，也需要穿上兔子套裝。

　　保持火探測(cè)車Mars 2020的清潔已被列為該任務(wù)最獨(dú)特的挑戰(zhàn)。由于專注于天體生物學(xué)，JPL采取了比前任“旅居者號(hào)”(Sojourner)、“勇氣號(hào)”(Spirit)、“機(jī)遇號(hào)”(Opportunity)和“好奇號(hào)”(Curiosity)等更極端的凈化措施。

　　Mars 2020組裝、測(cè)試和發(fā)射運(yùn)營(yíng)經(jīng)理大衛(wèi)·格魯爾(David Gruel)說：“我們不想去火星，然后在返回的樣本中發(fā)現(xiàn)，‘嘿，里面有我的頭發(fā)。’所有關(guān)于你不能做什么或不能帶到場(chǎng)上的規(guī)則都相當(dāng)嚴(yán)格，這是為了維護(hù)這項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)性。”

　　超越生命的積木

　　Mars 2020是第一個(gè)尋找過去微生物生命證據(jù)的火星探測(cè)器。JPL于2011年開始準(zhǔn)備，在“好奇號(hào)”登陸火星前一年開始啟動(dòng)。這個(gè)探測(cè)器將從曾經(jīng)被認(rèn)為適合居住的地區(qū)鉆探、分析和收集巖石和土壤樣本，并將它們放在密封的無(wú)菌管中緩存，供未來(lái)的任務(wù)使用，以便在2026年將它們送回地球進(jìn)行更詳細(xì)的研究。這項(xiàng)任務(wù)是朝著JPL在20世紀(jì)80年代開始討論的目標(biāo)邁出的第一步，該目標(biāo)最終計(jì)劃將火星樣本送回地球。

　　JPL主任邁克爾·沃特金斯(Michael Watkins)說：“在過去的幾次任務(wù)中，火星探測(cè)車試圖了解火星是否擁有宜居環(huán)境，是否具備生命的基石。我們已經(jīng)說服自己，認(rèn)為火星上的確曾存在過生命。當(dāng)這些樣本被送回地球，并在更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，它們將為許多更緊迫的問題提供答案：生命可能在那里形成嗎?生命是在那里形成的嗎?如果不是，為什么?”

　　這個(gè)耗資25億美元的項(xiàng)目還將測(cè)試應(yīng)對(duì)人類探索長(zhǎng)期目標(biāo)所面臨挑戰(zhàn)的技術(shù)。它們包括改善著陸的儀器，從火星富含二氧化碳的大氣中生產(chǎn)氧氣，識(shí)別地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水，繪制天氣模式、灰塵和其他環(huán)境條件圖。甚至還有一架小型太陽(yáng)能直升機(jī)，將被用來(lái)在火星的低重力和低大氣環(huán)境中飛行。

　　NASA將在今年春天為Mars 2020指定一個(gè)正式名稱，這將從900多萬(wàn)份公開提交的文件中挑選�；鹦翘綔y(cè)車將在今年7月/8月從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角發(fā)射，計(jì)劃于2021年2月8日降落在火星的Jezero Crater，這是一個(gè)古老的湖床，可能曾經(jīng)蘊(yùn)藏著生命。這項(xiàng)任務(wù)將至少運(yùn)行一個(gè)火星年(約687個(gè)地球日)，覆蓋長(zhǎng)度為20公里。

　　前所未有的挑戰(zhàn)

　　雖然顆粒污染是個(gè)令人望而生畏的挑戰(zhàn)，但保護(hù)高度敏感的電子產(chǎn)品是另一個(gè)挑戰(zhàn)�；氐綗o(wú)塵室內(nèi)，可伸縮的皮帶屏障使記者與機(jī)械師保持適度距離，以防止意外靜電放電(ESD)。

　　Mars 2020組裝和測(cè)試發(fā)射操作硬件質(zhì)量保證部門的負(fù)責(zé)人詹姆斯·肖恩·霍華德(James Sean Howard)說：“人體是由如此多的水分組成的，它有導(dǎo)電的能力。走過地毯并觸摸門把手的電擊電壓約為20000伏，只需5伏就可以損壞某些高速電子設(shè)備。因此，我們通過靜電放電控制來(lái)降低這種風(fēng)險(xiǎn)。”

　　這是通過用空氣電離器包圍硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，空氣電離器通過將帶正電荷和負(fù)電荷的離子泵入空氣中來(lái)中和靜電。無(wú)塵室還保持30%以上的濕度水平，使空氣更具傳導(dǎo)性，因此可以吸收和分配多余的電荷。當(dāng)工程師研究機(jī)械時(shí)，他們將可伸展的腕帶連接到“接地”上，這是一種將電力返回地面以防止火花的電線。兔子套裝還包含微小的碳填充導(dǎo)電絲的柵格圖案，以釋放衣服上的靜電場(chǎng)。工作完成后，法拉第籠子和ESD針(火星車外部的金屬尖刺，可以減輕令人討厭的靜電電荷)將保護(hù)其在火星上的電子設(shè)備。

　　另一個(gè)重要的障礙是儀器和移動(dòng)部件的復(fù)雜性，其中許多部件在著陸后會(huì)從月球車上展開。這輛探測(cè)車使用了30多個(gè)執(zhí)行器，或稱控制移動(dòng)部件的系統(tǒng)。Mars 2020項(xiàng)目副經(jīng)理馬特·華萊士(Matt Wallace)說：“這些機(jī)械裝置、變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)都有數(shù)百個(gè)小部件，所有這些部件都必須經(jīng)過設(shè)計(jì)、分析、組裝和測(cè)試。它們很難保證絕對(duì)可靠。當(dāng)然，我們也沒有機(jī)會(huì)在火星上修復(fù)它們。”

　　考慮到土壤樣品的復(fù)雜性和與樣品的接觸性，從放置和密封土壤樣品的高速緩存組裝系統(tǒng)中保留污染物是特別棘手和關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。Mars 2020組裝、測(cè)試和發(fā)射操作火星車車輛集成和測(cè)試工程師扎克·奧斯納默(Zach Ousnamer)說：“火星探測(cè)車的前三分之一有個(gè)類似瑞士手表的機(jī)械裝置，它從機(jī)械臂上提取樣本，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，然后將其密封在樣品管和外殼中，放在火星表面。它需要第二套無(wú)菌手套才能接觸到特定的硬件。”

　　Mars 2020首席飛行系統(tǒng)工程師杰西卡·塞繆爾(Jessica Samuels)補(bǔ)充說，一旦登上火星，“我們認(rèn)為在鉆探地點(diǎn)之間會(huì)存在某些方面的交叉污染，但我們最關(guān)心的是不給地球帶來(lái)任何污染物”。

　　推進(jìn)好奇號(hào)背后的技術(shù)進(jìn)步

　　Mars 2020火星探測(cè)車在推進(jìn)科學(xué)研究的同時(shí)，也利用了好奇號(hào)的大部分配置和著陸系統(tǒng)。新的探測(cè)車比好奇號(hào)略大，它大約有3米長(zhǎng)(不包括2.7米長(zhǎng)的可折疊機(jī)械臂)、2.7米寬，2.1米高，1050公斤重，同樣使用核能、電池和太陽(yáng)能的組合提供動(dòng)力。它的六個(gè)鋁制輪轂擁有更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和涂層，以避免困擾好奇號(hào)的凹痕、孔洞和斷裂的踏板。

　　Mars 2020的進(jìn)入、下降和著陸系統(tǒng)將復(fù)制好奇號(hào)在其“恐怖7分鐘”視頻中令人驚心動(dòng)魄的過程。火星探測(cè)車將乘坐由頂部外殼和底部隔熱罩組成的保護(hù)性空氣外殼前往火星。一個(gè)裝有八枚反推進(jìn)火箭的圓形下降平臺(tái)將像噴氣背包一樣附著在探測(cè)車上，最終會(huì)將其降到火星表面。

　　著陸前幾分鐘，上層外殼上的降落傘將減緩飛船的下降速度，直到不再需要隔熱罩并彈出為止。這時(shí)候，下降級(jí)段將從頂部外殼分離，向表面發(fā)射反推進(jìn)火箭以減緩下降速度，然后通過系繩將月球車輕輕降低到表面。然后下降級(jí)段將從火星車上分離，飛走，最終在其他地方墜毀。

　　這一次，幾項(xiàng)新的機(jī)載技術(shù)將為未來(lái)的任務(wù)提供更可控的下降機(jī)動(dòng)、精確著陸和數(shù)據(jù)收集。飛船還將包括一套攝像頭和麥克風(fēng)，用于第一人稱觀看著陸和發(fā)出聲音。數(shù)據(jù)傳感器將測(cè)量上殼體和底部隔熱罩的溫度。一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)將通過根據(jù)航天器相對(duì)于著陸目標(biāo)的位置對(duì)降落傘展開進(jìn)行計(jì)時(shí)來(lái)引導(dǎo)降落。第二個(gè)將通過在下降過程中記錄危險(xiǎn)的地形，將接近表面的新圖像與預(yù)先加載的火星表面地圖進(jìn)行比較，來(lái)幫助著陸。

　　著陸成功即可展開工作

　　在火星表面著陸后，Mars 2020上攜帶的7臺(tái)儀器將對(duì)火星探測(cè)車的位置進(jìn)行地質(zhì)評(píng)估，以搜索古代火星生命的跡象，并為最終的人類探索鋪平道路。這些儀器將從全球58個(gè)提案中挑選出來(lái)，包括法國(guó)、西班牙和挪威團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)。

　　雖然好奇號(hào)正在尋找并確認(rèn)火星擁有支持微觀生命形式的合適環(huán)境條件，但Mars 2020將以生物簽名的形式尋找證據(jù)，即尋找對(duì)過去生命存在的、科學(xué)證實(shí)的化學(xué)和分子化石。Jezero Crater是35億多年前湖泊和河流三角洲的所在地，在水中形成的巖石可能保存了生命化學(xué)構(gòu)成的證據(jù)。華萊士說：“我們正在尋找火星上數(shù)十億年前的微量化學(xué)物質(zhì)，哪怕只是非常微弱的信號(hào)。”

　　火星車攜帶著提取核心樣本的鉆頭和儀器，以分析和保存43個(gè)試管大小的容器中的樣本，這些容器將留在火星表面供以后取回。這需要一項(xiàng)單獨(dú)的任務(wù)，因?yàn)橹�陸系統(tǒng)不能同時(shí)運(yùn)送探測(cè)車和升空工具來(lái)從火星上拾起樣本。

　　尋找生命的儀器包括能夠進(jìn)行全景和立體成像和礦物分析的先進(jìn)攝像頭系統(tǒng)，用于地下勘探的雷達(dá)，以及用于確定礦物和有機(jī)化合物的光譜儀。與好奇號(hào)不同的是，Mars 2020的攝像頭將拍攝彩色圖像，以實(shí)現(xiàn)成像光譜分析，從而確定樣品的化學(xué)成分。

　　科學(xué)家們尋找的與其說是微生物的碎片，不如說是殘留化學(xué)指紋的集合。一種名為SHERLOC的光譜儀將向表面照射100微米的紫外光，以獲得其成分的光譜特征。這有助于確定礦物組成、有機(jī)分子類型和化學(xué)成分，如硝酸鹽或氯酸鹽的存在。SHERLOC首席研究員路德·比格爾(Luther Beegle)說：“所有這些加在一起就會(huì)告訴我們一個(gè)化學(xué)故事，那就是那里很有可能存在生物特征，我們應(yīng)該把這個(gè)樣本帶回來(lái)。”

　　Mars 2020將通過測(cè)試某些技術(shù)在火星環(huán)境中的表現(xiàn)來(lái)幫助未來(lái)的機(jī)器人和人類執(zhí)行任務(wù)。機(jī)載地面氣象站將測(cè)量溫度、壓力、塵埃大小和形狀，以更好地了解火星的大氣密度和風(fēng)。它還將展示火星大氣中的二氧化碳產(chǎn)生氧氣的情況，人類的任務(wù)將需要這些二氧化碳來(lái)呼吸和制作火箭燃料。此次任務(wù)還將嘗試90秒的試飛和航空攝影，將一架小型直升機(jī)拴在火星車的腹部。如果成功，這將是第一架在另一個(gè)星球飛行的飛機(jī)。

　　盡管這些技術(shù)讓我們離人類探索火星更近了一步，但更令人興奮的是，我們正處在一個(gè)接近數(shù)十年目標(biāo)的風(fēng)口浪尖。華萊士說：“我們希望回答生命是否可能在地球以外的某個(gè)地方進(jìn)化的根本問題。我們已經(jīng)到了這個(gè)問題的門階，是時(shí)候走進(jìn)這扇門了。”(騰訊科技審校/金鹿)