这些航海机器人将在整个太阳系寻找生命

我们知道地球是一颗蓝色星球，但它并不是我们附近唯一的海洋世界。在围绕木星、土星和海王星运行的卫星以及矮行星冥王星和阋神星上，海洋可能隐藏在厚厚的冰壳之下。土星的卫星土卫六甚至在其表面拥有液态海洋，尽管它们充满了甲烷而不是水。

如果太阳系中任何地方存在生命迹象，那么很可能就是这些寒冷的世界。科学家决心探索土卫六和木星卫星木卫二的遥远海洋，并正在设计能够抓冰的探测车和潜艇，以便深入这些神秘的深海。他们将不得不面对严寒、与地球上的水性质不同的液体以及其他恶劣条件。

下面介绍这些坚固的机器人将如何探索两种截然不同的外星海洋。

在充满气体的海域巡航

在探索土星及其卫星的过程中，卡西尼号航天器在土卫六表面发现了数百个小湖泊，以及三片大小和深度与五大湖相似的海洋。

土卫六表面也有水冰，地壳下可能埋藏着一片水海洋。但它的甲烷海洋却非常有趣，因为它们是与我们地球上的水循环相似的过程的一部分。就像在我们自己的星球上一样，土卫六上的液体从海洋中蒸发，形成云，然后降雨。研究人员希望更多地了解甲烷循环是如何进行的。此外，土卫六上富含可以维持生命的碳和氮化合物；科学家希望研究某种形式的生命是否能够进化到依赖液态甲烷，就像陆地生命依赖水一样。

美国宇航局曾考虑派遣一个浮标漂流穿越土卫六的海洋。一个缺点是，这个太空舱将受风和洋流的摆布。“最有可能的是，浮标碰到岸边就会搁浅，可能会随着潮水再次浮起，”马里兰州劳雷尔市约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家拉尔夫·洛伦兹在一封电子邮件中说。不过，没有人能保证它能回到大海。

另一方面，潜艇可以自行设定航线，并能够探索海面下并采集海底沉积物样本。NASA 希望在未来 20 年内向土卫六发射一艘潜艇。潜艇的发电机将由钚等放射性物质衰变产生的热量提供动力，是让潜艇的电子设备在土卫六的海水中保持温暖的关键，土卫六的海水温度约为 -290 华氏度。

应对泰坦星上的低温条件“需要精心设计，而不是物理奇迹，”潜艇首席设计师洛伦兹说。“放射性同位素电源产生的废热是其中必不可少的一部分，此外还要选择一些泡沫隔热材料。”

另一个挑战是，我们不知道土卫六海洋的确切化学成分。它们主要是甲烷——类似于地球上的液态天然气——以及少量的液态乙烷和溶解的氮气。但这些成分出现的确切比例尚不清楚，而且土卫六海洋之间的比例可能有很大差异。因此，该项目正在设计一种潜艇，它可以在密度和粘度尚未确定的液体区域航行。

工程师们尤其担心土卫六海洋中的氮，因为氮可能会形成气泡，干扰潜艇的航行。当潜艇发电机产生的部分废热渗入环境时，可能会发生这种情况。“这些热量不足以煮沸周围的液体，但我们相信足以使液体中溶解的氮流出，”美国宇航局克利夫兰格伦研究中心的低温推进工程师杰森·哈特维格说。

螺旋桨本身在切开液体时也会产生气泡。Hartwig 说，每个叶片后面都有一个小空隙。压力下降会给气泡的形成提供机会，就像打开一罐苏打水时冒泡一样。

这些微小气泡可能会造成两个大问题。首先，它们可能会妨碍潜艇的科学设备，使测量深度和其他条件变得更加困难。更令人担忧的是，气泡可能会妨碍潜艇的螺旋桨正常工作。

“如果我们试图从海里的一处移动到另一处，所有这些气泡会不会聚集在潜艇的后端？”哈特维格说，“你试图旋转螺旋桨，潜艇不会移动，它只会静止不动，然后旋转。”

“整个冒泡问题对地球上的潜水器来说根本不算什么，因为溶解在水中的空气量非常非常少，”哈特维格继续说道。“土卫六上的压力更高，而且由于液体温度较低，溶解在液体中的气体更多，这意味着可以释放出更多气体。”

由于我们不知道土卫六海洋的具体化学成分，因此无法确定其中含有多少氮。为了更好地了解潜艇可能遇到的情况，华盛顿州立大学的哈特维格和他的同事在地球上重现了土卫六的海洋。他们在测试室中注入了不同混合物的甲烷、乙烷和溶解氮，温度和压力与土卫六相似，然后添加了一个小加热器来模拟真实潜艇散发的热量。

好消息是：如果潜艇为了采集样本而停止移动，那么它可能不必担心。研究小组在 2 月份的《流体相平衡》杂志上报告称，它可能不会散发出足够的热量来产生阻碍仪器运行所需的气泡量。然而，“我们仍然没有排除螺旋桨问题，”哈特维格说。他打算用螺旋桨代替加热器重复这项实验，以了解潜艇在穿越土卫六海洋时可能遇到的气泡量。

我们送往土卫六的潜艇可能拥有我们在地球上看到的那种细长外形。哈特维格说，这种潜艇重约 2,600 磅，长约 20 英尺。然而，它必须返回海面才能与地球通信。它还必须等到 2040 年代才能到达，那时地球将位于土卫六地平线以上足够高的地方，让潜艇可以直接看到我们的星球（并进行通信）。

美国宇航局还考虑发射一艘体型较小的海龟形潜艇。这艘“泰坦海龟”将与一艘轨道器配对，向地球传递信息。它可以在水下进行通信，而且可能提前几年发射，因为它不需要依赖地球在天空中的位置。

哈特维格说，土卫六在海洋世界中独一无二。太阳系中没有其他地方像土卫六一样如此容易到达液态海洋。但土卫六潜艇可以启发未来船只的设计，探索隐藏在其他星球冰层之下的海洋。“我一直把土卫六视为探路者，”哈特维格说。

冰层之下

木卫二上就有一个这种较难到达的海洋。虽然木卫二表面受到木星磁场辐射的冲击，温度低至零下 280 华氏度，但下面的海洋却受到平均厚度 5 至 15 英里的冰墙的保护。由于这片海洋由水组成，因此这里是寻找生命和研究生命形成所需的化学条件的诱人之地。

为了突破木卫二的冰障，科学家们正在测试能够融化或切开冰层进入海洋的机器人。这些机器人可以携带潜艇、在冰层下方行驶的探测车，甚至是沉入海底的着陆器。一旦它们进入海洋，这些探测器可能会遇到华氏 32 度左右的温和温度。“这对我们的电子设备来说实际上是一个相当舒适的环境，”美国宇航局加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室的工程师安迪·克莱什说。“稍微麻烦一点的是盐水。”

喷气推进实验室的行星科学家凯文·汉德说，木卫二的海水可能和我们自己的海水一样咸，甚至可能比我们自己的海水咸得多。“作为额外的挑战，混合物中可能还含有硫酸，”他说。这意味着探测器的电子设备将面临腐蚀的危险。当机器人深入海洋时，它还将面临巨大的压力。海底的压力将类似于地球上马里亚纳海沟底部的压力。

总而言之，前往木卫二海域的旅程将会非常艰难。“我们面临着深空探索和深海探索的挑战，”克莱什说。“太空是真空的；冰层下有高压。在前往那里的途中，我们会受到辐射……冰层下可以保护我们免受辐射，但沿途的环境却会腐蚀我们。”

他说，最容易访问的地方是木卫二冰架的底部。克莱什、汉德和他们的同事正在研制一种可以在冰层底部行驶的探测车。探测车或深海探测器不会像潜艇那样受到洋流的冲击。克莱什说：“这些探测车和着陆器可能是以非常可控的方式进行探索的最佳方式，不会受到颠簸或撞到其他物体。”冰层底部也是寻找生命的特别好的地方。在地球上，藻类和微生物喜欢在冰层下扎根。如果木卫二上存在生命，它们也可能被这种地形吸引。

克莱什和他的团队迫不及待地想要开始搜寻。他们一直在阿拉斯加的冰湖中测试他们的探测车——目前被称为 BRUIE（冰下探测浮力探测车）。它的轮子上既有圆形锯片，也有像雪鞋一样的小面板，可以将探测车的重量分散到冰面上。这可以防止 BRUIE 切入冰层并卡在原地。

最终将访问木卫二的 BRUIE 版本可能会由负责挖掘至海里的机器人携带穿过冰层。这意味着它必须非常小，可能长度不超过 18 英寸，克莱什说。两周后，他计划在 BRUIE 上测试可折叠轮，这将使它变得更紧凑、更便携。该团队还希望让 BRUIE 完成迄今为止最雄心勃勃的任务——不系绳地潜入近 1,000 英尺深的海冰下。

理想情况下，木卫二上的探测车也应该没有系绳。“我们几乎每次去那里时，都会有至少一次切断系绳的倾向，”克莱什说。但尽管系绳有缠绕的风险，但可能需要一根绳子来提供电力并与地面上的设备进行通信。

克莱什和他的团队也在寻找更便捷的到达海洋的方法。他们曾使用潜水器探索阿拉斯加的冰窟（冰川内部形成的陡峭、被水淹没的竖井）。去年夏天，他们的机器人在冰下大约 160 英尺深处行进，并找到了不同隧道之间的连接点。木卫二的冰壳中可能也有冰窟，探测车或潜水器可以利用它们下潜到水下。

探测器要准备好前往木星卫星或更远的地方还有很长的路要走。克莱什说，希望计划中的木卫二快船和木卫二着陆器任务能为探测器进入冰层下方铺平道路。

与此同时，未来将探索木卫二的火星探测车可以让我们了解一些关于我们自己星球的事情。BRUIE 已经被用来研究融化的永久冻土是如何向北极湖泊释放甲烷的。今年秋天，这辆勇敢的火星探测车将在这些寒冷的水域进行三到四个月的逗留。

“科学目标是将火星车留在湖冰之下，观察随着太阳落山和冬天变黑，这些富含甲烷的湖泊上方的冰层形成和变厚的季节变化，”汉德说。这可以揭示火星车如何随着周围冰层变厚而被冻结在原地。这也是一个机会，让我们更多地了解人类无法独自观察的恶劣环境。

“地球上最大的海洋世界就在这里，”克莱什说。“我们开始研究木卫二时使用的技术，现在也用来探索……我们以前从未涉足过的地区。”