揭秘NASA“无尘室” 看火星探测车如何寻找外星生命

NASA将在今年春天为Mars 2020指定一个正式名称,这将从900多万份公开提交的文件中挑选。火星探测车将在今年7月/8月从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射,计划于2021年2月8日降落在火星的Jezero Crater,这是一个古老的湖床,可能曾经蕴藏着生命。这项任务将至少运行一个火星年(约687个地球日),覆盖长度为20公里。

图1:美国宇航局喷气推进实验室的工作人员正在测试火星探测车Mars 2020

腾讯科技讯 1月13日消息,据外媒报道,美国宇航局(NASA)全新的火星探测车Mars 2020计划最早于今年8月份发射升空,目前其正在NASA下属喷气推进实验室(JPL)进行相关测试。美国记者日前进入JPL的“无尘室”,亲眼见到了这款探测器,并见证了科学家们如何测试它在火星上寻找35亿年前的生命痕迹,进一步为人类探索火星铺平道路。

JPL的“无尘室”看起来就像《欢乐糖果屋》(Willy Wonka and the Chocolate Factory)中的电视室:这是个看起来非常原始的房间,里面有穿着白色连体裤、戴着面具的人们在各种科技魔法中匆匆穿梭着。NASA新的火星探测车Mars 2020正在这里进行着各种测试,该机构的目标是在今年夏天将其部署到火星上。虽然Mars 2020看起来貌不惊人,但它背负着重要使命,那就是最终确定火星上是否存在生命。

在2019年的最后几天,总部位于加州帕萨迪纳的JPL为记者提供了罕见的、进入High Bay 1的机会。High Bay 1是个洞穴状的现场直播无尘室,工程师们始终在这里建造Mars 2020火星车,以及开发帮助其完成为期七个月火星之旅的下降和巡航系统。无尘室的温度、湿度和操作程序都受到严格控制,最大限度地减少了空气中可能干扰电子设备和火星实验的灰尘、颗粒和生物污染。人们需要“一尘不染”才能进入。

在进入这个无尘室之前,人们首先要穿上所谓的“兔子套装”,即时髦的白色聚酯连体裤、靴子和兜帽,以及用胶带绑在袖口上的口罩和乳胶手套,然后穿过气闸,那里强烈的气流会清除额外的微小碎片。

化妆品、香水、羊毛、边缘参差不齐的衣服或布料相机背带等都被禁止带入,技术人员在进入之前需要用酒精擦拭摄像机和手机。JPL的工作人员还被进一步限制使用无味洗发水(除臭剂),在进入之前不能淋浴。即使是无尘室的吉祥物High Bay Bob,造型鲜艳的绿色圣诞主题模特,也需要穿上兔子套装。

保持火探测车Mars 2020的清洁已被列为该任务最独特的挑战。由于专注于天体生物学,JPL采取了比前任“旅居者号”(Sojourner)、“勇气号”(Spirit)、“机遇号”(Opportunity)和“好奇号”(Curiosity)等更极端的净化措施。

Mars 2020组装、测试和发射运营经理大卫·格鲁尔(David Gruel)说:“我们不想去火星,然后在返回的样本中发现,‘嘿,里面有我的头发。’所有关于你不能做什么或不能带到场上的规则都相当严格,这是为了维护这项任务的科学性。”

超越生命的积木

Mars 2020是第一个寻找过去微生物生命证据的火星探测器。JPL于2011年开始准备,在“好奇号”登陆火星前一年开始启动。这个探测器将从曾经被认为适合居住的地区钻探、分析和收集岩石和土壤样本,并将它们放在密封的无菌管中缓存,供未来的任务使用,以便在2026年将它们送回地球进行更详细的研究。这项任务是朝着JPL在20世纪80年代开始讨论的目标迈出的第一步,该目标最终计划将火星样本送回地球。

JPL主任迈克尔·沃特金斯(Michael Watkins)说:“在过去的几次任务中,火星探测车试图了解火星是否拥有宜居环境,是否具备生命的基石。我们已经说服自己,认为火星上的确曾存在过生命。当这些样本被送回地球,并在更复杂的实验室进行分析,它们将为许多更紧迫的问题提供答案:生命可能在那里形成吗?生命是在那里形成的吗?如果不是,为什么?”

这个耗资25亿美元的项目还将测试应对人类探索长期目标所面临挑战的技术。它们包括改善着陆的仪器,从火星富含二氧化碳的大气中生产氧气,识别地质结构和地下水,绘制天气模式、灰尘和其他环境条件图。甚至还有一架小型太阳能直升机,将被用来在火星的低重力和低大气环境中飞行。

NASA将在今年春天为Mars 2020指定一个正式名称,这将从900多万份公开提交的文件中挑选。火星探测车将在今年7月/8月从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射,计划于2021年2月8日降落在火星的Jezero Crater,这是一个古老的湖床,可能曾经蕴藏着生命。这项任务将至少运行一个火星年(约687个地球日),覆盖长度为20公里。

前所未有的挑战

虽然颗粒污染是个令人望而生畏的挑战,但保护高度敏感的电子产品是另一个挑战。回到无尘室内,可伸缩的皮带屏障使记者与机械师保持适度距离,以防止意外静电放电(ESD)。

Mars 2020组装和测试发射操作硬件质量保证部门的负责人詹姆斯·肖恩·霍华德(James Sean Howard)说:“人体是由如此多的水分组成的,它有导电的能力。走过地毯并触摸门把手的电击电压约为20000伏,只需5伏就可以损坏某些高速电子设备。因此,我们通过静电放电控制来降低这种风险。”

这是通过用空气电离器包围硬件来实现的,空气电离器通过将带正电荷和负电荷的离子泵入空气中来中和静电。无尘室还保持30%以上的湿度水平,使空气更具传导性,因此可以吸收和分配多余的电荷。当工程师研究机械时,他们将可伸展的腕带连接到“接地”上,这是一种将电力返回地面以防止火花的电线。兔子套装还包含微小的碳填充导电丝的栅格图案,以释放衣服上的静电场。工作完成后,法拉第笼子和ESD针(火星车外部的金属尖刺,可以减轻令人讨厌的静电电荷)将保护其在火星上的电子设备。

另一个重要的障碍是仪器和移动部件的复杂性,其中许多部件在着陆后会从月球车上展开。这辆探测车使用了30多个执行器,或称控制移动部件的系统。Mars 2020项目副经理马特·华莱士(Matt Wallace)说:“这些机械装置、变速箱和发动机都有数百个小部件,所有这些部件都必须经过设计、分析、组装和测试。它们很难保证绝对可靠。当然,我们也没有机会在火星上修复它们。”

图2:在亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室,Mars 2020的工程模型在火星堆场进行驾驶测试,该区域模拟了类似火星的条件

考虑到土壤样品的复杂性和与样品的接触性,从放置和密封土壤样品的高速缓存组装系统中保留污染物是特别棘手和关键的挑战。Mars 2020组装、测试和发射操作火星车车辆集成和测试工程师扎克·奥斯纳默(Zach Ousnamer)说:“火星探测车的前三分之一有个类似瑞士手表的机械装置,它从机械臂上提取样本,并对其进行评估,然后将其密封在样品管和外壳中,放在火星表面。它需要第二套无菌手套才能接触到特定的硬件。”

Mars 2020首席飞行系统工程师杰西卡·塞缪尔(Jessica Samuels)补充说,一旦登上火星,“我们认为在钻探地点之间会存在某些方面的交叉污染,但我们最关心的是不给地球带来任何污染物”。

推进好奇号背后的技术进步

Mars 2020火星探测车在推进科学研究的同时,也利用了好奇号的大部分配置和着陆系统。新的探测车比好奇号略大,它大约有3米长(不包括2.7米长的可折叠机械臂)、2.7米宽,2.1米高,1050公斤重,同样使用核能、电池和太阳能的组合提供动力。它的六个铝制轮毂拥有更坚固的设计和涂层,以避免困扰好奇号的凹痕、孔洞和断裂的踏板。

Mars 2020的进入、下降和着陆系统将复制好奇号在其“恐怖7分钟”视频中令人惊心动魄的过程。火星探测车将乘坐由顶部外壳和底部隔热罩组成的保护性空气外壳前往火星。一个装有八枚反推进火箭的圆形下降平台将像喷气背包一样附着在探测车上,最终会将其降到火星表面。

着陆前几分钟,上层外壳上的降落伞将减缓飞船的下降速度,直到不再需要隔热罩并弹出为止。这时候,下降级段将从顶部外壳分离,向表面发射反推进火箭以减缓下降速度,然后通过系绳将月球车轻轻降低到表面。然后下降级段将从火星车上分离,飞走,最终在其他地方坠毁。

这一次,几项新的机载技术将为未来的任务提供更可控的下降机动、精确着陆和数据收集。飞船还将包括一套摄像头和麦克风,用于第一人称观看着陆和发出声音。数据传感器将测量上壳体和底部隔热罩的温度。一个导航系统将通过根据航天器相对于着陆目标的位置对降落伞展开进行计时来引导降落。第二个将通过在下降过程中记录危险的地形,将接近表面的新图像与预先加载的火星表面地图进行比较,来帮助着陆。

着陆成功即可展开工作

在火星表面着陆后,Mars 2020上携带的7台仪器将对火星探测车的位置进行地质评估,以搜索古代火星生命的迹象,并为最终的人类探索铺平道路。这些仪器将从全球58个提案中挑选出来,包括法国、西班牙和挪威团队的贡献。

虽然好奇号正在寻找并确认火星拥有支持微观生命形式的合适环境条件,但Mars 2020将以生物签名的形式寻找证据,即寻找对过去生命存在的、科学证实的化学和分子化石。Jezero Crater是35亿多年前湖泊和河流三角洲的所在地,在水中形成的岩石可能保存了生命化学构成的证据。华莱士说:“我们正在寻找火星上数十亿年前的微量化学物质,哪怕只是非常微弱的信号。”

火星车携带着提取核心样本的钻头和仪器,以分析和保存43个试管大小的容器中的样本,这些容器将留在火星表面供以后取回。这需要一项单独的任务,因为着陆系统不能同时运送探测车和升空工具来从火星上拾起样本。

寻找生命的仪器包括能够进行全景和立体成像和矿物分析的先进摄像头系统,用于地下勘探的雷达,以及用于确定矿物和有机化合物的光谱仪。与好奇号不同的是,Mars 2020的摄像头将拍摄彩色图像,以实现成像光谱分析,从而确定样品的化学成分。

图3:美国宇航局火星探测车Mars 2020结构图

科学家们寻找的与其说是微生物的碎片,不如说是残留化学指纹的集合。一种名为SHERLOC的光谱仪将向表面照射100微米的紫外光,以获得其成分的光谱特征。这有助于确定矿物组成、有机分子类型和化学成分,如硝酸盐或氯酸盐的存在。SHERLOC首席研究员路德·比格尔(Luther Beegle)说:“所有这些加在一起就会告诉我们一个化学故事,那就是那里很有可能存在生物特征,我们应该把这个样本带回来。”

Mars 2020将通过测试某些技术在火星环境中的表现来帮助未来的机器人和人类执行任务。机载地面气象站将测量温度、压力、尘埃大小和形状,以更好地了解火星的大气密度和风。它还将展示火星大气中的二氧化碳产生氧气的情况,人类的任务将需要这些二氧化碳来呼吸和制作火箭燃料。此次任务还将尝试90秒的试飞和航空摄影,将一架小型直升机拴在火星车的腹部。如果成功,这将是第一架在另一个星球飞行的飞机。

尽管这些技术让我们离人类探索火星更近了一步,但更令人兴奋的是,我们正处在一个接近数十年目标的风口浪尖。华莱士说:“我们希望回答生命是否可能在地球以外的某个地方进化的根本问题。我们已经到了这个问题的门阶,是时候走进这扇门了。”(腾讯科技审校/金鹿)