抓点彗星样本带回地球

网易
2018-08-04

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网易2018-08-04

8月3日消息,据彭博社报道,2013年的秋天,学期即将结束,在康奈尔大学当了25年教授的史蒂夫·斯奎尔斯(Steve Squyres)却感到有点儿不安。作为美国宇航局(NASA)火星探测车(Mars Exploration Rover)任务的负责人,他刚刚完成了对“勇气号”(Spirit)和“机遇号”(Opportunity)长达10年的追踪工作,这两个六轮机器人都曾在火星上进行探测。

这两辆探测车被设计成能够在火星表面漫游90天,在岩石上抓挠和钻孔,并在土壤中寻找水的证据。将近十年后,“机遇号” 的探索仍在继续。斯奎尔斯对它的坚持并不感到厌烦,但他自己却没有多少事情可做。为此,他给自己的老朋友、Honeybee Robotics公司的联合创始人斯蒂芬·戈里万(Stephen Gorevan)打了个电话。Honeybee Robotics公司专门开发在行星和小型天体上钻孔和取样的工具。

斯奎尔斯在火星探测车上放了Honeybee Robotics公司的工具,他认为戈里万可能会有些新的炫酷东西给他看。斯奎尔斯提议参观该公司的纽约总部。在一天的时间里,戈里万谈论了十几个项目。其中一个特别引人注目,即近5.5米长、像竹签一样的可伸缩手臂,Honeybee Robotics公司想象着把它送到一颗彗星上。这个机器人的“一触即走”系统将从彗星表面抓取重约100克的小块碎片,将其储存在太空舱中,并将其完好无损地送回地球。

斯奎尔斯被它迷住了。彗星是一种含有有机物质的冰冷天体,上面包括碳、氢、氮和氧等元素。天文学家认为,彗星可能在数十亿年前与地球发生了碰撞,并由此引发了一系列事件,这些事件促使最早的生命形式出现,并最终进化出人类。这些原始物质在其他任何地方都不存在,仍然在彗星中被冻结,自太阳系诞生以来一直处于原始状态。斯奎尔斯说:“如果你想了解生命是如何出现的,彗星会帮助我们找到接近事实的真相。”

当然,人类从未接近过构成彗星的尘埃和冰。开车回纽约伊萨卡时,斯奎尔斯开始研究如何纠正这种情况。他说:“十多年来,有几个神经元一直没有发出信号,这让我开始思考。我知道取回彗星样品有多么重要,我知道过去的尝试都以失败告终。”

2004年,欧洲航天局曾向67P彗星发送探测器罗塞塔(Rosetta),天文学家们都在等待获取图像。罗塞塔的照片本该在2014年传回地球。理论上,它们会提供足够的数据来帮助斯奎尔斯设计一项取样任务,即将Honeybee Robotics公司的设备送到彗星上。Osiris-Rex也是如此,这是美国宇航局资助的一项小行星研究计划,于2016年9月启动,该研究也采用“一触即走”技术。

离开Honeybee Robotics公司总部四个半小时后,斯奎尔斯把车开下车道,开始为自己的下一个大项目绘制蓝图。这将是昂贵的,但他知道美国宇航局将在2016年12月为其定期的“新前沿”项目(New Frontiers)征求建议,这个项目资助太空探索任务,预算约为10亿美元。斯奎尔斯的彗星提议最终被命名为凯撒(Caesar)项目,即“彗星天体生物学研究样本回归”的缩写。2017年年底,凯撒项目被美国宇航局列入候选名单。如果它胜出,研究人员将第一次有机会将彗星表面的有机混合物带回地球。

彗星通常以发现它们的天文学家的名字命名,或者用字母数字代码来描述它们的轨道。67P也被称为Churyumov-Gerasimenko,以乌克兰天文学家克利姆·伊万诺维奇·丘留莫夫(Klim Ivanovich Churyumov)和斯韦特兰娜·伊万诺夫娜·格拉西缅科(Svetlana Ivanovna Gerasimenko)的名字命名,他们在1969年发现了它。

这颗彗星有两个畸形的裂片,它就像一只笨重的橡皮鸭,以时速13.5万公里的速度在太空中旋转。67P上的一天持续超过12个小时,绕太阳公转需要近六个半地球年时间。67P大约4公里宽,轨道在木星之外,处于太阳的最远端。多亏了Rosetta探测器,与我们已经确认的数千个“雪球”相比,我们对67P的信息了解更多。

把航天器送到彗星上并收集样本是个复杂的命题。彗星形状不规则,体积小,自转速度快,由于它们的体积很小,几乎没有重力。我们知道它们都是“冰冻世界”,并了解它们的部分化学成分,但我们对它们的质地几乎一无所知。彗星可能是硬的,就像冰块;也可能是软的,像雪堆在滑雪缆车的底部。Honeybee Robotics公司工程师克里斯·扎克尼(Kris Zacny)说:“如果你不需要接触彗星表面,那么空间环境相对容易应对。它可以是任何东西,从非常紧密到非常松散的状态。”

尽管存在这些挑战,美国宇航局还是把收集这样的样本作为首要任务。彗星在科学上是很有趣的,毕竟这与生命本身的起源息息相关。但有些人认为,将天体样本带回地球将来也将是大生意,诸如深空工业公司(Deep Space Industries)和行星资源公司(planet Resources)等商业项目已经向投资者承诺,将通过获取尚未开发的太空资源来获得巨额回报。后者是小行星采矿初创企业,有谷歌联合创始人拉里·佩奇(Larry Page)和其他科技大亨支持。

这些努力被广泛认为是一种投机行为,以至于今年早些时候,行星资源公司在资金枯竭后不得不大量裁员。美国加州帕萨迪纳(Pasadena)私人机器人采矿和建筑公司OffWorld的联合创始人兼首席执行官吉姆·卡拉瓦拉(Jim Keravala)表示,太空采矿面临的挑战在于,大规模扩张的市场还不存在。

OffWorld正在开发机器学习技术和模块化机器人技术,用于传统的采矿、基础设施修复和建筑。最终,这些技术将被设计为在太空中使用。卡拉瓦拉说:“我们把地球当作我们的第一个天体。”OffWorld取代了卡拉瓦拉创立的另一家公司Shackleton Energy,该公司寻求从月球上提取水冰。

卡拉瓦拉说,Shackleton Energy无法生存,三年前就停止了运营。他表示:“未来可能是不寻常的,但在你开始之前会有20到50年的弧线,许多太空采矿企业家都是狂热者,而我就是这群人中的一员。”OffWorld将利用来自Osiris-Rex和凯撒等任务的数据。卡拉瓦拉表示:“除非你能广泛接触太空中的天体,否则你就没有生意可做。”

近来,Honeybee Robotics公司正在为科研项目设计机器人钻井和采矿设备。在过去的35年里,它从几个在纽约下东区工作的工程师团队扩张到150名员工的规模,在丹佛之外和帕萨迪纳都有办公室,且与美国宇航局下属喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)隔海相望。该公司联合创始人戈里万称:“我们的利基市场很小,但总有一天,当这些商业使命汇聚在一起时,它将具有更大价值。我们现在从中国获取大部分稀土金属。如果我们带回一颗被预先检查过含有稀土金属的小行星,我们就再也不用从中国进口了。”

和许多科学家一样,斯奎尔斯不愿考虑商业潜力。他在康奈尔大学攻读地质学,但在与约瑟夫·韦弗卡(Joseph Veverka)共同上完天文学课后,他改变了自己的研究方向。韦弗卡是美国宇航局Viking任务的科学团队成员,这个团队曾在20世纪70年代向火星发送两个探测器。斯奎雷斯说:“我在研究地球表面,地图上已经没有什么空白区域了。地质学是一门令人信服的科学学科,但它没有那种‘没人去过那里’的吸引力。”在与韦弗卡上完课后,他转到了太空领域。

作为一名本科生,斯奎尔斯研究了Viking任务的图像,其中显示了火星上干涸的湖泊和河床上有水的证据。人类不应该试图弄清楚发生了什么吗?带着这个疑问,斯奎尔斯后来进入研究生院,之后在美国宇航局位于加州山景城的艾姆斯研究中心担任研究员。五年后,他与韦弗卡、已故著名天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)加入了康奈尔大学。斯奎尔斯与美国宇航局保持着联系,并尽可能地参与各项任务。他说:“我花了10年时间写不成功的提案。”

上世纪90年代初,在时任局长丹·戈尔丁(Dan Goldin)的领导下,美国宇航局启动了“发现计划”(Discovery Program),即探索太阳系的低成本探索计划。这些任务具有竞争性,“更快、更好、更便宜”是戈尔丁的座右铭,它们都由科学家或主要调查人员负责管理。然而,直到1996年夏天,《科学》(Science)杂志上的一篇论文提出了一种可能性,即来自这颗红色行星的南极陨石中可能含有化石,火星才引发关注。

这些发现表明,火星上曾有生物存在,这促使美国总统比尔·克林顿(Bill Clinton)决心探索火星。伍斯特理工学院院长、凯撒项目联合研究员劳瑞·莱辛(Laurie Leshin)说,克林顿的声明“巩固了美国宇航局对生命搜索研究的承诺,并以一种全新的方式吸引了人们的关注。”

“勇气号”和“机遇号”于2003年夏天发射升空,7个月后成功着陆火星。“勇气号”首先给地球上的任务控制团队打了电话,三周后“机遇号”也报了平安。这些机器人的发现包括表明火星曾经有巨大湖泊的陨石坑。它们还拍摄了尘卷风、沙尘暴的壮观图片,并发现了科学家以前不知道的矿物质。

斯奎尔斯原以为火星探测车的太阳能电池板最终会落满灰尘,最终会被关闭。“勇气号”上一次与任务控制中心联系是在2010年3月,但不是灰尘导致了它的死亡,而是它被困在一个沙坑里后迷失了方向。直到今年5月底,风暴才将“机遇号”解救出来。从那时起,数十年来最严重的火星沙尘暴已经对火星探测车造成了最大的威胁,而且它现在已经“彻底沉默”。斯奎尔斯说:“这次风暴要么帮助机遇号奇迹般的复苏,要么导致其光荣的死亡。现在还不清楚何时天气会放晴。”

凯撒项目的预算约为10亿美元,如果任务得以执行,按照美国宇航局的标准,这将使凯撒项目达到中等规模。它目前正在与“蜻蜓”(Dragonfly)项目展开竞争,后者是由约翰霍普金斯大学行星科学家伊丽莎白·图特(Elizabeth Turtle)领导的任务,它将探索土星一个卫星上的几十个地点,研究其化学构成以及是否宜居。

这两个团队正在制定他们的提案,并在完善细节。Honeybee Robotics公司已经开始测试凯撒项目采样系统的早期设计。在美国宇航局位于克利夫兰的格伦研究中心,这台仪器被放入152米高的巨大垂直隧道中,那里实际上是个真空环境。有轻浮石密度的加气混凝土(aircrete)与67P上的物质相似,它附着在仪器上,无需碰触,因此工程师可以模拟在失重状态下取样。

凯撒项目团队约有200名成员,他们的下一个重大里程碑将在2019年完成,届时美国宇航局将选择获奖项目。如果凯撒项目被选中,他们将花费5年时间来建造和测试太空飞船,并将其送入轨道。这艘飞船要再过五年才能达到67P。此次发射计划最早于2024年8月份进行,暂定到达日期为2029年3月。美国宇航局下属戈达德太空飞行中心主任克里斯托弗·斯科拉斯(Christopher Scolese)说:“每项任务都需要数年时间来准备。”

戈达德太空飞行中心在康奈尔大学和亚利桑那大学等多家合作伙伴的支持下,负责管理着凯撒和Osiris-Rex项目。斯科拉斯表示:“这不像电影,电影只会持续90分钟时间,背诵几句好听的台词。”这些任务也不总是充满英雄。尽管有很多令人敬畏的技术可以让凯撒项目成为可能,但斯奎尔斯经常谈到精心准备。对他来说,降低风险几乎是一句口头禅,也是一种切实降低成本的方法。

除了利用Rosetta和Osiris-Rex项目的研究成果外,凯撒项目还将使用太阳能电力推进技术到达彗星,而不是借助化学推进技术。斯奎尔斯说,这将使宇宙飞船能够沿着原本不可能的轨迹飞行。在化学推进过程中,发动机只能进行短暂地、剧烈地燃烧,然后长时间地滑行。而使用太阳能电力推进,你可以进行长时间地适度燃烧。”这些轨迹将会帮助凯撒航天器到达67P,然后安全返回。由于Rosetta已经研究了67P,凯撒太空船将携带很少的仪器,这极大地减少了它的能量需求和重量。

一旦飞船在2029年早期进入67P轨道,该计划要求6个摄像头拍摄数千张图片,以帮助确认合适的采样点。地点的选择将会立即开始。飞船将首先到达足够靠近的距离,让Honeybee Robotics公司的机器手臂与彗星进行试验性接触。最终,它会在彗星表面挖掘几秒钟以获取材料。斯奎尔斯说,如果第一次尝试就能得到80克左右样本,“我们就成功完成任务了。”但这项任务的设计目的是允许进行更多次接触。总而言之,恺撒号飞船可能要花费长达四年的时间围绕彗星运转。

机器手臂会将样本(包括灰尘、冰和气体)密封在容器中,并将其转移到看起来像漫游的Roomba吸尘器的特殊容器中。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的工程师们将负责建造这个太空舱,它与该机构2003年发射“隼鸟号”(Hayabusa)使用的类似系统相像,只是体型更大。“隼鸟号”是个机器人探测器,它被送往近地小行星,并成功取回样本以供分析。

JAXA副科学主任藤本正明(Masaki Fujimoto)在一封电子邮件中写道:“我们始终在考虑将样本取回任务作为我们太空科学任务计划的支柱,但没有考虑将其应用于国外任务。”但是斯奎尔斯已经做了研究,并且考虑了JAXA的设计。他说:“隼鸟号的样品返回舱是完美无缺的,该设计的某些方面对凯撒项目来说堪称完美,尤其是低温保持样品方面。”

如果一切顺利,样本将保持在零度以下,直到2038年11月20日,它在犹他州沙漠的会合点着陆。然后,一个小组会将样本装到一辆冰车上,并将其带到休斯顿的一个设施,科学家们将在那里对其进行分析。到2038年,斯奎尔斯已经82岁。他说:“我希望自己还活着,我吃健康的食物,锻炼身体,照顾好自己。我的父亲已经91岁,所以我有很好的长寿基因。”

斯奎尔斯说,他可能不会写一篇关于凯撒项目取样结果的科学论文。他承认:“这种尝试可能会成功,也可能不会成功,这是一个巨大的赌博。”但他一生中大部分时间都在为应对这种风险做准备,至少从1965年的那一刻开始,那时他才9岁。一天早晨,父亲叫醒了斯奎尔斯,让他观察一颗名叫Ikeya-Seki的彗星。天气预报员称,尽管距离地球1.29亿公里,但肉眼仍能清晰地看到它,其亮度是满月的10倍。斯奎尔斯说,Ikeya-Seki没有让人失望。如果一切顺利,67P也不会。

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