对于任何关注美国宇航局数十年机器人探索火星努力的人来说，现在是令人紧张的时刻。去年七月发射并朝着红色星球和杰泽罗陨石坑疾驰而来的，是美国宇航局的“毅力号”探测车，它被包裹在耐热屏蔽罩中，准备在2月18日进行一次可怕的、技术上大胆的、火热的俯冲，穿过火星大气层。紧随其后的是许多人认为更可怕的事情：通过悬停的火箭动力“天空起重机”平台，将机器人自动降低到坚实的地面上——这项技术成功地将“毅力号”的前身，“好奇号”探测车于2012年送到了火星表面。
“毅力号”被誉为有史以来发射到太空的最大、最重、最干净、最复杂的漫游机器人地质学家，是一位多任务处理的佼佼者。
科罗拉多大学博尔德分校的著名行星科学家布鲁斯·雅科斯基说：“毅力号探测车是我们探索火星的关键下一步。”他最近担任了美国宇航局工作组的主席，该工作组的任务是规划红色星球研究的未来。“毅力号”强调收集最终要返回地球的物质，这对于任何此类计划都至关重要。
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雅科斯基说：“除了‘毅力号’将在杰泽罗陨石坑表面进行科学探索外，通过从地表关键位置采集样本，它将成为将火星表面样本返回地球的第一步。对这些样本的分析预计将彻底改变我们对火星、其历史以及是否存在当今或过去生命迹象的理解。”
其他主要任务包括释放一架火星直升机，侦察其选定着陆点周围的直接环境，这是一个古老的湖泊-三角洲系统，可能蕴藏着微生物化石生命的迹象。然后是其操作第一代设备的objective，将富含二氧化碳的火星空气转化为氧气。如果建造得更大，这项探路者的技术后代可能通过直接从稀薄的空气中生产可呼吸气体和火箭推进剂，来帮助维持未来人类在火星上的探险。
“毅力号”的主要样本收集目标是一项艰巨的任务，它将把探测车从一次性的科学任务转变为我们与红色星球持续关系中大部分（如果不是全部）未来计划的关键。收集和储存珍贵的样本，以便最终返回地球，将是名为“火星样本返回”（MSR）的复杂、多部分和耗资巨大的努力的开端。如果成功，“毅力号”将成为连接行星科学规划的多个世代和子学科的粘合剂，形成一个有凝聚力的、坚固的整体；如果失败，大部分精心构建的火星探测大厦可能会坍塌成废墟。
“毅力号”探测车使用其钻头在火星上钻取岩石样本的插图。
图片来源： NASA/JPL-Caltech
一旦安全着陆，这辆汽车大小的探测车将收集岩石和土壤样本，甚至可能虹吸一小口火星大气。这些样本将被小心地放置在数十个雪茄大小的管子中，这些管子将被密封，并放置在火星表面，以便后续的机器人探测车进行回收。“毅力号”携带了43个样品管；其中五个是“见证管”，暴露于火星环境中，以发现样品采集过程中可能从探测车中渗出的任何地球污染物。这留下了38个管子，旨在容纳精心挑选的火星部分，长期保存，等待最终回收。
“毅力号”的主要任务跨越一个火星年，相当于略少于两个地球年，尽管该机械的合格寿命为1.5个火星年，或约三个地球年。
甚至在探测车安全着陆火星之前，关于其最终离开杰泽罗陨石坑的积极讨论正在进行中，初步计划是“毅力号”将驶过崎岖的地形，驶过陨石坑边缘，并在邻近的尼利平原地区的另一个地点进行探测。一旦到达那里，探测车可能会建立第二个选定样本的存放点——当然，前提是探测车健康，还有剩余的管子可以从其杰泽罗的巡视中使用，并且任务规划者接受从额外的遥远缓存地点检索样本的复杂性。这个“第二个存放点”的概念将最大限度地提高任务的科学回报，超出其被认为是样本收集的最低、基线目标，但这远非保证。
然而，考虑到实际的样本收集和缓存正在发生，后续的后“毅力号”步骤相对僵化，涉及几个后续的航天器，这些航天器由美国宇航局和欧洲航天局合作建造和发射到火星。
首先，样本回收着陆器任务将于2026年发射，将样本取回探测车和火星上升飞行器（MAV）都投放到火星表面。一旦释放，这辆快速行动的探测车将捡起样品管，并将它们存放在MAV鼻锥内的容器中，以便将它们火箭发射离开火星返回轨道。如果取回探测车以某种方式发生故障，先前由“毅力号”留在表面的任何样本都不太可能被回收。为了防止这种意外情况，“毅力号”的规划者正在考虑将一组具有高科学价值的样本留在探测车上；如果核动力探测车保持健康，它可能会将这些特别珍贵的样本运送到MAV。
这张镶嵌图描绘了“毅力号”探测车在任务期间可能穿过杰泽罗陨石坑的路线。
图片来源： NASA/JPL-Caltech
MSR远征的最后一站是向火星发射一个轨道飞行器，捕捉环绕火星运行的原始火星样本，以便火箭将其运回地球，最早在2031年在犹他州沙漠卸下关键货物。
美国宇航局成立的独立审查委员会最近将这项精心策划的机器人往返的价格定在38亿美元至44亿美元之间——这个数字不包括已经花费在“毅力号”火星2020任务上的大约24亿美元。
投资回报
为了确保这个惊人的数字能够带来最佳的性价比，200多名火星研究人员参加了1月21日举行的虚拟策略研讨会，专门制定一个明确的策略，明确“毅力号”的样本应该如何缓存。他们都同意一件事：多部分MSR计划的高风险性使得他们的讨论变得紧迫且略微令人担忧。
美国宇航局喷气推进实验室（JPL）新成立的MSR活动科学办公室的火星样本返回实施科学家布兰迪·卡里尔说，制定一个连贯的样本缓存计划“代表着确保‘毅力号’探测车的操作和样本回收计划得到优化的关键一步，以降低风险，并将尽可能好的样本集合交付给地球。”
诺克斯维尔田纳西大学的行星地球科学家哈里·麦斯威恩告诉《大众科学》：“这是一个非常复杂的任务系统，每个任务本身都具有挑战性，”他说，“所以，我们将不得不祈祷好运。”
但他坚持认为，这场赌博是值得的。麦斯威恩说，从月球、彗星和太阳（以捕获的太阳风的形式）返回的样本已经彻底改变了对这些地外天体的科学理解，“MSR几乎肯定会做同样的事情。”他补充说，样本是“不断给予的礼物”，并指出，在首次阿波罗登月和样本采集半个多世纪后，通过将新的分析方法应用于那些精心保存的月球岩石，现在正在取得新的发现。
尽管行星际交叉污染的可能性似乎很遥远，但天体生物学家热衷于避免将任何潜在危险的火星微生物带回样本中。因此，它们最终返回地球的先决条件是将它们放置在某种隔离区中，直到通过分析或消毒，它们被认为可以安全地释放到外部实验室。
目前正在进行工作，以明确样本返回设施必须采取哪些措施来防止地球生物圈的意外污染。多年来，在一份又一份的报告中，科学界一直在努力解决这样一个问题：这种设施可以多么简约，因为它的成本、能力和准备程度会深刻地影响MSR工作的其余部分。理想情况下，火星科学家群体希望尽可能多的样本相关研究发生在生物安全控制以外的典型研究实验室中，在那里它们可能会更快、更好、更便宜地进行。
概念图显示了火星上升飞行器将装满样本的管子发射到轨道，这是多阶段火星样本返回任务的一个步骤。
图片来源： NASA/JPL-Caltech
美国宇航局总部火星探测计划的首席科学家迈克尔·迈耶说，有一些研究资金用于制定这种设施所需的东西。他说，MSR科学规划小组正在制定一份初步的需求清单，主要目的是帮助估算成本。
迈耶说：“您可能会猜到，拥有来自火星的样本，我们在保持其原始和受控状态的同时，实现出色的科学，这构成了一个挑战。”
科学意义
随着MSR计划向前推进，有些人并不喜欢这个计划。
科罗拉多大学博尔德分校的荣誉教授和行星科学家弗兰·巴格纳尔渴望我们太阳系内的其他探索目的地，并担心从红色星球匆忙将样本带回地球的价格标签。
巴格纳尔说：“与其花费巨额资金将一个单一的小样本带回地球，在那里确实有实验室可以进行极其精确的测量，我建议发送多个小型航天器到[火星]的广泛地点进行‘刮擦和嗅探’，这在科学上更有意义。”“这将给出化学环境范围的印象。它还将使我们能够更明智地决定在哪里收集那一个珍贵的样本带回地球。”
巴格纳尔说，在行星探索中平衡成本对于确保我们对整个太阳系获得深入和全面的了解至关重要，这应该迫使我们正视关于关注火星是否合理的难题。
“我对我们对姐妹行星金星的了解如此之少感到震惊，金星可能会为地球提供宝贵的教训。谈论全球变暖！”巴格纳尔说。“我的研究兴趣主要在太阳系外……我担心火星计划的成本超支会延迟前往天王星或海王星的任务，[每个行星]分别仅在1986年和1989年被‘旅行者’号航天器飞掠探测过一次。”
与此同时，美国宇航局与遥远火星的长期舞蹈仍在继续，该机构的“毅力号”探测车已瞄准其即将到来的红色星球的猛冲。
毋庸置疑，MSR活动可能会因“毅力号”的坠毁而颠覆。过去充斥着在火星上失败的航天器，这促使并验证了这句格言：“火星是困难的。”
JPL的卡里尔回应道：“我认为，如果‘毅力号’任务失败，MSR将不得不回到第一步，回收任务的规划将暂停，直到有另一个机会收集样本。”“然而，我们目前正在为成功做计划，以便如果一切按计划进行，事情可以继续向前推进。幸运的是，我们将在几天内知道‘毅力号’是否已成功着陆并在火星上运行！”