岩石、火箭和机器人：将火星带回地球的计划

在2031年，一颗从火星射出的炮弹应该会落在美国西部的某个沙漠中，让科学家们能够获得一些人认为人类历史上最珍贵的材料：从另一个星球表面采集的原始地质样本。

经过数十年的筹备，这一刻将代表机器人火星样本返回（MSR）任务的顶峰，这是一项涉及NASA、欧洲航天局（ESA）和工业合作伙伴联盟的国际努力。但它的实现远非必然。

除了一个组成部分——NASA的火星2020漫游车，计划最早于7月发射——尽管估计耗资70亿美元，但这项多阶段任务仍然主要停留在概念阶段。而且，不仅仅是无数的技术障碍和前所未有的太空探索壮举阻碍了成功。无法保证两个航天机构——各自由截然不同的政治制度资助和象征——能够完美地协同工作，以在任务令人惊叹的11年时间表内实现里程碑。困难甚至超出了看似最大的挑战：实际将来之不易的样本返回地球。任务规划者仍在争论如何准确地保护来自火星的岩石免受地球污染，以及任何可能爆发的外星生物，无论这种可能性多么渺茫。

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无论从复杂性还是大胆程度来看，MSR都将成为未来所有主要的行星际机器人任务的试金石。它完全有可能失败，变成一个价值数十亿美元的机构间功能失调的纪念碑。但是，如果MSR的规划者设法完成它，这项任务将成为地外行动国际框架优点的缩影，带来无数的科学宝藏，甚至可能引发社会对太空探索认知的巨大转变。

行星协会高级太空政策顾问凯西·德雷尔说：“这将是一项人类的成就，而不仅仅是NASA或ESA的成就。”

伟大的行星际回旋镖

从火星取回未受破坏的样本一直是几代行星科学家的主要目标。研究人员已经在少数火星陨石中发现了红色星球遥远过去的线索，这些陨石是从火星上脱落并被古代巨型撞击抛向地球的。但这些太空岩石非常罕见——并且在它们不可思议的旅程中发生了物理变化，因此在回答科学家最紧迫的问题方面的用途有限。

然而，使用我们想要的任何方法或仪器在地球上研究原始的火星岩石，可能会揭示我们邻近世界的更详细的历史，揭示其火山活动、水文、气候、磁性和可能的生物学的演变。西班牙天体生物学中心的高级科学家玛丽亚-帕斯·佐尔扎诺说，即使是整个机器人任务舰队也无法提供所有这些数据。而且，她补充说，“如果你想将人类送往火星，你首先必须证明你可以安全地带回一些东西。”

尽管可能会发生变化，但NASA和ESA已经勾勒出一个计划，以完成这项行星际抓取任务。核动力火星2020漫游车目前在加利福尼亚州的洁净室中，为今年夏天的发射做准备。预计它将于2021年2月在潜在的过去宜居地——杰泽罗陨石坑（位于火星赤道以北）着陆。如果火星上曾经存在生命，那么在古代陨石坑湖泊和杰泽罗及其周围的相关河流系统中，很有可能已经繁衍生息（甚至可能已经化石化）。在当地进行各种实验时，火星2020漫游车可以使用钻头提取多达43个钢笔大小的岩石样本。然后将样本密封在管子中。其中一些将存储在漫游车上，另一些将存储在行星表面附近某个方便的位置。

当漫游车整理其岩石收藏时，它与地球的通信将不得不依赖于有些过时的轨道架构。火星奥德赛号（2001年发射）将在2025年耗尽推进剂，火星勘测轨道飞行器（2005年发射）的电池可能会在同一时间左右耗尽，这可能会阻止任何一艘航天器充当通信中继。火星大气与挥发演化探测器（MAVEN，2013年发射）仍然运行良好，但火星微量气体轨道飞行器（2016年发射）很可能成为火星2020漫游车的主要数据管道。

如果这种拼凑而成的通信方案失败，漫游车的冒险可能会被缩短，或者更糟的是，在开始之前就结束。这种情况意味着“我们必须在我们拥有这种基础设施的时候采取行动”，德雷尔说。即使微量气体轨道飞行器在未来许多年内保持功能，火星2020漫游车也必须与其他设备（包括ESA的罗莎琳德·富兰克林漫游车，它也将在2021年抵达）共享轨道飞行器的带宽。ESA的MSR活动负责人桑杰·维金德兰说，这种安排可能会导致可以发送回家的数据量受到限制。

火星2020号将发射，无论发生什么情况。但后续任务阶段尚未成为现实。“样本返回”列车已经驶离车站，而前方的轨道仍在建设中。

如果一切按计划进行，2026年将进行两次发射：一枚火箭将携带ESA的地球返回轨道飞行器。另一枚火箭将发射NASA的样本返回着陆器任务，该任务将把NASA的火星上升飞行器和ESA的样本获取漫游车运送到我们锈红色的邻居。轨道飞行器将首先于2028年抵达火星，以便监测稍后到达的着陆器的进入、下降和着陆。

样本获取漫游车将使用MSR科学家上传的预先计划的路径穿越地形，寻求使用其机械臂抓住火星2020号的所有缓存样本管，然后再将它们送回着陆器。与更逐步、缓慢但可靠的远程驾驶方法相比，它的导航和样本拾取将自主处理，从而节省时间。但是，如果设备遇到特别危险的地形，它可以向地球发出信号请求人工帮助。维金德兰说，如果最初的火星2020漫游车仍在运行，它也可以将其自身的样本送到样本返回着陆器。

各种私营公司正在为ESA的样本获取漫游车及其地球返回轨道飞行器开发概念研究。航空航天公司空中客车的ESA漫游车工程经理亚当·卡米莱蒂担心的是在险恶地形上坚持时间表：太阳能驱动的车辆——缺乏核电池（部分原因是缺乏更多资金）——无法长时间被困在任何地方。这种限制存在是因为样本获取漫游车只有大约150个火星日的时间来将所有这些样本送到着陆器，然后更黑暗的冬季月份——以及季节性的太阳能破坏性尘暴——就会来临。等待着陆器上的第二个机械臂将抓住漫游车运送的样本管，将它们放入一个足球大小的容器中，然后该容器将由火星上升飞行器发射到轨道上。

大多数专家怀疑，发射将是任务中最具挑战性的事件。与从地球发射的任何东西相比，火星只有我们地球引力和大气层的一小部分，从而更容易进入太空。但是，上升飞行器必须完美地执行任务——而且，除了最初的发射指令外，完全自主，没有任何人为干预来拯救它，如果出现问题。

尽管火星环境对太空发射有利，但它也有相当大的缺点。ESA的ExoMars项目科学家豪尔赫·瓦戈说，将火箭在寒冷中放置几个月，等待样本获取漫游车完成其工作，这是一个很大的风险。在地球上，固体火箭燃料在暴露于低温后并不总是能正常燃烧。火星上的条件要冷得多，而且上升飞行器的暴露时间将比发射到北极圈内地球极光中的探空火箭要长得多。液体燃料可能更可靠，但它们需要复杂的阀门系统，这将引入额外的潜在故障点。

南加州大学的火箭科学家和航天工程师安妮塔·森古普塔负责开发超音速降落伞系统，该系统使NASA的好奇号漫游车能够安全降落在火星上。她说，将机器人降落在另一个世界上绝非没有风险。航天机构在这方面已经进行了充分的实践，并取得了多项成功，但远程从另一个星球发射火箭，而没有机会修复故障阀门或取消发射，则是一项全新的挑战。“在有史以来，没有人做过这样的事情，”森古普塔说。

NASA火星探测计划的首席科学家迈克尔·迈耶说，发射将是“那些令人紧张的时刻之一”。如果成功，它将释放样本容器，使其在火星轨道上自由漂浮。然后，地球返回轨道飞行器将使用其 onboard 摄像头定位样本容器，最终与样本容器会合、捕获并将其存放在火星上空——并超出地球上任务控制人员的任何帮助性干预范围。这个关键步骤将完全依赖于航天器在没有类似地球GPS卫星网络帮助的情况下，在火星轨道上导航和搜索微小容器的能力。

犹他州，我们遇到了问题

在任何前往火星的航天器离开地球之前，它通常会在烤箱中烘烤一段时间，在那里对其进行仔细消毒，以减少任何微生物搭便车者污染外星世界的可能性。但是，科学家们也担心“反向污染”——任何火星生物群都可能污染地球，并使我们或我们的生物圈处于严重危险之中的概念。

天体生物学家认为，在MSR的任何岩石中发现现存生命的可能性都非常渺茫。英格兰开放大学的行星科学家曼尼什·帕特尔说：“样本中存在任何危险物质的可能性接近于零。”“问题是我们不能说它是零。”

加州大学戴维斯分校的进化生物学家乔纳森·艾森说，火星上进化出的东西基本上不可能感染人类并引起疾病。他说，更可能的是，如果它进入它可以肆意繁殖的环境，可能会在地球上引起生态问题。

尽管可能不太可能，但这种风险受到了非常认真的对待。MSR的宝藏必须经过仔细密封，因此人类不会直接接触到火星的尘埃、岩石和土壤。因此，当地球返回航天器在火星轨道上捕获覆盖着灰尘的样本容器时，它会将该容器隔离在多层舱内。迈耶说，这个动作就像手套接住一个满是灰尘的棒球，然后多次将其包装起来。

轨道飞行器应该在2031年带着其珍贵、保护良好的货物抵达地球上空。艾森建议，此时，样本应该首先在太空进行研究，可能在国际空间站或某个其他轨道设施上。“如果你在空间站上，你做了一堆测试，你发现[样本中的东西]是活的，把它带到地球上是不可原谅的，”他说。

此步骤目前未在任务的工作计划中体现。相反，当轨道飞行器到达地球时，预计舱体将通过NASA的地球进入飞行器到达陆地，该飞行器将在没有降落伞的帮助下，在美国沙漠（暂定在犹他州）以大约每小时90英里的速度硬着陆。“它很快，但没有疯狂的快，”维金德兰说。

MSR的主管们放弃了降落伞，因为无法保证这些装置能够正常工作，维金德兰说——这在2004年被太阳风粒子收集创世纪号任务所铭记，该任务的样本舱在意外硬着陆后破裂。在这种情况下，制造一个可以承受这种着陆的刚性舱体更简单。“它只是进来，然后，砰，它撞到地面，”瓦戈说。“这将是一个有趣的时刻。”

ESA的行星保护官员格哈德·克米内克说，返回飞行器上安装多个保护系统降低了样本会溢出到沙漠中的可能性。如果舱体没有像鸡蛋一样破裂，它的下一站将是一个接收设施，在那里，样本将被放置在世界上最坚不可摧、生物学上安全的金库中，以进行初步研究。

该设施目前尚不存在。NASA去年召集的一个“行星保护”审查委员会指出了这个问题，并建议加快MSR接收设施的工作。克米内克说，专家们一致认为，在建造这些空间方面，我们至少需要提前10年开始。预计火星样本将在11年后与地球会合。看来沙漏里的沙子正在迅速流逝。

一些基本要求是明确的。帕特尔说，这些样本将被视为具有高度毒性，就像天花一样：它们很可能被保存在尽可能高的生物安全级别，在那里，工作人员必须穿着自给式氧气罐内的防护服。多个气闸——以及设施内部低于环境气压的气压——将确保内部空气不会冲到外面。

ESA的MSR研究科学家埃利奥特·塞夫顿-纳什说，一些现有的生物隔离空间可以满足这些基本要求，包括军事基地中旨在容纳潜在生物武器的空间。但它们可能仍然受到污染，无法支持仔细的天体生物学研究。例如，目前的设施通常不关心外部空气是否渗入。但是在分析地外岩石的情况下，这种违规行为很容易污染样本，可能导致错误地发现火星生命。塞夫顿-纳什说，一种选择是安装专门的柜子，在这些柜子中，样本将受到多层惰性气体的保护，以免受到我们的影响，我们也免受其影响。然后，研究人员可以使用远程操作的机器人微型机械手来研究它们。普渡大学的返回样本分析专家米歇尔·汤普森说，我们还需要考虑专门培训早期职业研究人员，他们将在2031年准备好在这些空间工作。

德雷尔说，一个满足所有这些要求的美国设施可能耗资约5亿美元。目前尚不清楚是否会在欧洲建造其他设施。他补充说，忘记获取样本：处理它们本身就是一项任务。

给我钱

就目前情况而言，MSR仍然是一个概念。它在其整个任期内仍然需要资金，而目前，NASA和ESA正处于预算编制的非常不同的阶段。除了2020年的漫游车外，NASA正焦急地等待特朗普政府的下一份预算提案，该提案将于2月10日提交给国会，预计将预示政治对该任务的支持力度——或薄弱程度。

然而，ESA可以说开局更强劲。去年11月，其成员国承诺为2020-2022年提供相当于138亿美元的资金，高于2016年欧洲部长级会议上次批准的95亿美元。塞夫顿-纳什说，很明显，MSR在欧洲共同体内部获得了巨大的支持。

尽管如此，人们对NASA将获得资金持乐观态度。如果唐纳德·特朗普总统不是反复无常的话，那么当他谈论太空探索时，他确实倾向于谈论火星。“对于NASA来说，至少对于本届政府来说，保持一个强大的火星计划是当务之急，这是一种脚踏实地式的努力，以保持总统的满意，”德雷尔说。与ESA分摊任务可以建立额外的政治稳定性。

前NASA宇航员兼深空探索联盟顾问汤姆·琼斯说，还有一种安全感，即NASA和ESA都不希望被视为在开发如此引人注目的任务上掉链子。他以国际空间站为例：即使有延误，一旦国际联盟在1990年代初期拼凑起来，也没有人会退出。

有些人表示担心，MSR的预算可能会被NASA的阿耳忒弥斯计划蚕食，该计划旨在在本十年内的某个时候将美国宇航员送回月球。但其他人承认，重返月球也将帮助我们到达火星，使其更像是一个垫脚石，而不是财务威胁，琼斯说。他说，预算权衡是不可避免的，但“我不认为他们会追究火星样本返回任务。”

德雷尔说，这项任务现在有点像一只小猫：它还处于早期阶段，对大型捕食者毫无防御能力。现在取消MSR比在它开始运行后更容易。而且它之前已经被提出然后取消过，最近一次是在20世纪末——在火星极地着陆器和火星气候轨道飞行器相继失败之后。但是考虑到NASA现在正在寻找MSR计划的负责人，信心显然已经更高了。

即使持续的资金到位，NASA和ESA也必须在紧张的时间表下进行前所未有的整合行动。2020年的漫游车可能已经准备就绪，但下一个组件——着陆器任务和轨道飞行器——需要在2026年之前准备就绪。

克米内克说：“时间很紧——时间表不是很宽松。”而且，在匆忙中更容易犯错误。

如果这道慢炖菜的每一种成分都能结合在一起，那么回报将是无数的。“火星探测计划的目标一直是确定过去和现在的宜居性，而这是最好地回答这个问题的方式，”森古普塔说。而且，这可能会预示着未来许多火星样本返回任务中的第一个——毕竟，迈耶说，你无法从一个地点了解一个星球的一切。

受益的不仅是与世隔绝的以火星为中心的行星科学家社区。MSR的成功可以作为机构间合作的典范，表明尽管双方存在计划和政治上的不协调，但我们通往深邃而美丽的黑暗的道路可以由大胆、令人惊叹的太空行动铺平。

现在剩下的就是全力以赴执行这项任务。汤普森说，NASA的火星探测计划中的一切都在为此做准备。而且，作为一个社会，我们拥有使其发挥作用的技能、技术和动力。“我们只需要完成它，”她说。