2012 年，亚当·斯特尔茨纳因其团队设计的冒险而炽热的机动操作，使美国宇航局的好奇号探测车完美降落在火星上，从而一跃成为工程界的明星。现在，斯特尔茨纳只想谈论如何清洁。
他痴迷于清洁的对象是一个深灰色的金属管，大约有他的手那么大。它放在加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室（JPL）的一个仓库式建筑内的工作台上，斯特尔茨纳在这里担任美国宇航局下一辆火星探测车的首席工程师。他需要这个管子成为有史以来最清洁的物体之一，这样探测车才能完成其任务。
最早在 2020 年 7 月，这辆 1 吨重、6 轮的探测车将从佛罗里达州发射，携带 43 个这样的管子进行为期 7 个月的红色星球之旅。到达后，探测车将在火星表面行驶，并用泥土、岩石或空气填充每个管子。然后它将密封管子，将它们放置在地面上，并等待——几年，甚至可能几十年——另一艘宇宙飞船来取回它们并将它们带回地球。这将是人类首次尝试带回这颗红色星球的一部分。
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如果一切按计划进行，这些将成为有史以来最珍贵的外星样品。在这些金属管中的一个里面，可能存在地球以外生命存在的证据，形式为微生物、生物矿物质或有机分子。
这就是为什么斯特尔茨纳和他的团队必须非常非常干净。仅仅一个地球细胞或其他污染物的小斑点就会破坏任何明确检测火星微生物的机会。因此，项目团队正在尝试设计一个机器人采样系统，以保持一切干净。斯特尔茨纳说：“我们将比以往任何人都更加认真地对待清洁度，”他摇晃着管子，仿佛要将游离的微生物从上面敲掉。“我们就是要设计好这个东西。”
风险再大不过了。美国宇航局将 24 亿美元和火星探索计划的未来押在了 2020 年的探测车上。如果它收集到一套最终返回地球的原始岩石样品，它们将塑造太阳系科学的进程。如果它失败了——火星是太空任务的著名墓地——该机构将不得不放弃它数十年来一直拥有的梦想。
在喷气推进实验室的会议室、实验室和洁净室中，科学家和工程师们现在正在为该任务敲定关键决策。他们正在探索和质疑每一个细节，从如何在火星表面保持管子的低温到探测车在行星上的每一分钟将要做什么，以完成所有计划的工作。下个月是一个关键时期，因为美国宇航局将缩小可能的着陆点候选名单，并进行一个必须通过的关键设计审查，以继续推进该项目。到 2020 年该任务发射时，其成功或失败将部分取决于现在做出的选择。
探测车诞生
在喷气推进实验室阳光明媚的校园里，依偎在洛杉矶北部和东部的山脉旁，身穿衬衫的工程师们沿着一条桉树成荫的小路漫步。有些人转身进入大楼，任务控制员从那里驾驶着在火星上的两辆正在工作的探测车。其他人则继续前往 179 号楼，这是一个历史悠久的航天器组装设施，许多前往月球、火星和行星际空间的任务都在这里诞生。
今天，这里也是火星 2020 探测车成形的地方。到目前为止，该建筑物巨大的洁净室只包含该任务的一个主要项目——一个用皱巴巴的银色薄片包裹的盘状隔热罩。它是好奇号任务剩下的，将重新用于新的航天器。
美国宇航局在四年前宣布 2020 年任务时就吹捧了这种可重复使用性。该机构已经向火星发送了一系列成功的探测车，从 1996 年的 11 公斤重的探路者号开始，到 2003 年的 180 公斤重的被称为勇气号和机遇号双胞胎，再到 2012 年的 900 公斤重的巨无霸好奇号。喷气推进实验室设计了所有这些机器，每一种都在复杂性和科学雄心方面更进一步。
但现在，从工程角度来看，2020 年的探测车可以部分地依靠为好奇号所做的工作。新探测车大约 85% 将是传统设计——底盘、动力和通信系统以及其他元件可以从之前的探测车复制。“我们正在花小钱办大事，”曾参与多个探测车任务的副项目经理马特·华莱士说。
新的是将进行科学研究的部分：将在火星上进行测量的工具以及将收集和存储岩石样品的工具。该探测车的科学有效载荷将由七种仪器组成，所有这些仪器要么是全新的，要么是改进的设计。例如，探测车桅杆顶部的全景相机将具有放大功能，可以聚焦于感兴趣的区域。该车辆的激光仪器将增加额外的波长，以加强对岩石化学和矿物学的研究。探测车的机械臂将配备紫外线和 X 射线光谱仪，这些光谱仪可以比好奇号上的仪器更详细地绘制岩石图。
这些工具代表了该任务收集珍贵岩石样品地质背景的唯一机会。科学家说，这些信息是了解火星物质和这颗行星的关键。毕竟，他们已经拥有数百块来自火星的岩石——但这些样品没有背景信息。它们是在数百万和数十亿年前的撞击过程中从红色星球上炸开的陨石的形式到达地球的。飞到那里，捡起岩石并将其带回来的目的是帮助研究人员解读收集样品的火星景观的历史，并拼凑出这颗行星的演化过程。
“我们希望有一套非常好的野外笔记，供人们几个世纪参考，”X 射线光谱仪的首席研究员、喷气推进实验室的天体生物学家阿比盖尔·奥尔伍德说。“如果我们要证明这是生命，我们就必须以最高水平对其进行审查。”
寻宝
这就是斯特尔茨纳和他的团队发挥作用的地方。他们从头开始，试图构想出最好的样品收集系统。早期的想法包括狂野的配置，例如带有多个手臂以部署不同科学仪器的探测车。最后，他们确定了一个系统，在该系统中，探测车将伸出其手臂到达一块岩石，然后钻取并提取 15 克样品。它将密封管子，并将其放回探测车的主体内——所有这些过程都在一小时内完成，以减少样品暴露在火星空气中的时间和可能的污染。
该探测车将携带足够的补给来填充和密封至少 31 个管子，每个管子大约长 14 厘米，直径 2 厘米。（它携带几个备用管子以防出现问题。）并非所有管子都注定要装载火星样品。一些将充当“见证”管，其中填充有诸如铝网或陶瓷之类的材料以捕获环境污染物。在前往火星的途中，其中一个管子将保持未覆盖状态，以捕获在飞行过程中可能从航天器中蒸发出来的任何东西。该管子将在到达时密封。其他管子将在火星表面按顺序暴露，以收集在每个位置恰好在空气中吹过的任何东西的样本。稍后，科学家将能够使用见证管来确定钻取的样品是否被污染以及何时被污染。
项目科学家肯·法利和火星 2020 团队的其他成员最近才决定携带见证管，这是根据代表未来研究人员的科学小组的建议。“我们需要了解他们对于想要对返回的样品进行哪些类型的调查的想法，”田纳西大学诺克斯维尔分校的行星地质学家、该小组的联合主席哈普·麦克斯温说。
最重要的是，这意味着超纯样品。到管子制造、清洁、烘烤并存放在航天器内时，它们可能只是这个星球上最原始的环境。“无机、有机和生物要求的结合使这具有如此大的挑战性，并使其在美国宇航局迄今为止执行的任务中独一无二，”副项目科学家肯·威利福德说。
其他航天器已经达到了令人印象深刻的清洁度水平，这主要是出于对不使用地球微生物污染行星的担忧。早在 1970 年代，维京号火星着陆器的关键仪器就用溶剂清洁，然后在氦气中烘烤四天。欧洲航天局的 ExoMars 探测车也计划在 2020 年发射并寻找过去生命的迹象，它也计划进行类似的保护性清洁。中国计划在 2020 年发送自己的火星探测车，但不具备生命探测能力。
美国宇航局的 2020 年任务必须超越通常的行星保护要求，以确保计划返回地球的样品的科学完整性。美国宇航局的行星保护官员卡西·康利说，这些样品将像阿波罗宇航员带回的月球岩石一样小心地处理，甚至可能更小心地处理。她在华盛顿特区的该机构总部工作。
实际上，没有办法让航天器完全干净。相反，任务科学家正在决定他们可以接受的污染水平。有机和无机材料都必须保持在一定的限度以下——例如，一个咨询小组建议，任何样品中总有机碳的含量不得超过十亿分之 40。
但是，由于钻头齿由氮化钨制成，因此样品将不可避免地被钨污染。这意味着未来的科学家将无法使用依赖钨和铪的放射性衰变系统来确定火星岩石的年代；他们将不得不从其他几种替代方法中选择。“我们将不得不接受这一点，”麦克斯温说。
另一个考虑因素是，在等待飞回家时，管子在火星表面可能会变得有多热。应法利的要求，麦克斯温和他的小组分析了在不同温度下会损失哪些科学信息。他们得出结论，60°C 是可接受的上限；高于此温度，一些有机化合物开始降解，一些矿物质开始分解，还会发生其他可能危及研究的变化。因此，工程师决定用氧化铝涂层管子，以反射阳光并将其保持在 60°C 的阈值以下。
美国国家航空航天局（NASA）尚未计划将样本带回地球的任务，但当样本到达地球时，研究人员将拥有一整套技术来测试是否存在火星生命。他们将寻找氨基酸（蛋白质的前体）和其他复杂的有机化合物。其他证据可能来自关键分子中同位素的比率，这些同位素在地球上可以提供生物过程的明确信号。研究人员尚未就哪种测量组合能够证明火星生命的存在达成一致——但通过建立一系列关于岩石及其所含物质的观测，科学家们或许能够提出令人信服的论据。
但这并不意味着事情会很容易。法利是一位研究宇宙射线如何改变岩石化学性质的地球化学家。因此，他担心来自古代火星的任何有机化合物会在地表经历数百万年的时间后降解。获取最佳样本的策略可能是将目标锁定在火星悬崖底部等区域，当高处的岩石崩落时，新鲜的物质会暴露出来。
NASA 的计划要求在 1-1.5 个火星年中收集 20 个经过精心挑选和记录的样本。这意味着要在许多可能的采样地点之间行驶，并评估哪些采样地点最有可能从多样化的地质环境中产生最有趣的信息。在收集的过程中，探测器可能会将试管存放在一个或多个地面的位置。
好奇号火星车在火星上运行的 4.5 年里，只钻了 15 个孔，行驶了 16 公里以上。2020 年的团队必须以快得多的速度工作。“很明显，我们必须保持非常快的节奏，”法利说。“科学团队不能只是坐着讨论，我们是否要在这里钻探？”
确定着陆点
最终，2020 年探测器的科学成功很大程度上取决于它的着陆地点。美国宇航局目前正在考虑八个地点。其中一半的地点是具有曾经的湖泊、三角洲或其他长期水和沉积物的证据的环境，这些环境可以保存古代生命的证据。其他可能的着陆地点是古老的岩石中，那里曾经有水通过火星地壳中的温暖热液泉渗流，这些热液泉可能很久以前就允许生命繁荣发展。位于帕萨迪纳的加州理工学院的行星地质学家贝瑟尼·埃尔曼说，选择哪个地点将塑造火星科学的方向。
科学家们将在下个月在加利福尼亚州蒙罗维亚举行的一次研讨会上将名单缩减一半，并在发射前一两年向 NASA 推荐最终的着陆地点，以供 NASA 考虑。
同样在二月份，该任务将对其设计的各个方面进行最终审查。如果通过，喷气推进实验室将认真继续建造科学仪器、采样系统和其他硬件。机器完成后，将经过测试，然后运往发射地点，预计在 2020 年 7 月或 8 月发射。
美国宇航局尚未决定何时将样本带回地球。在 2020 年的探测器之后，它没有为火星任务编列预算或批准。该机构总部的管理人员已经开始暗示，他们希望看到一个轨道飞行器在 2022 年发射，作为未来任务的通信中继，并取代已经在那里的老化的轨道飞行器。在那之后，优先事项将是将火星样本带回地球，同时支持人类探索火星的可能计划。美国宇航局正在资助对火星上升飞行器概念的早期研究，该飞行器将携带一小包样本（可能和保龄球大小一样）进入火星轨道。然后，一艘尚未计划的宇宙飞船将收集轨道上的包裹并将其送回地球进行严格隔离。
法利回忆说，他最早是在 20 世纪 80 年代后期开始认真谈论火星样本返回的。当时，NASA 估计可能需要十年时间才能完成。法利说，至少还需要十年时间，火星样本才能被带回地球。“但至少我们现在开始了。”
本文经许可转载，并于 2017 年 1 月 18 日首次发表。