这些热机器人将帮助我们在冰冷的卫星上寻找生命

围绕木星和土星运行的卫星远离太阳的温暖。大多数卫星没有大气层，许多卫星被厚达数英里的冰壳覆盖。它们也是我们在太阳系中寻找生命的最佳选择。冰冻的外壳下面是广阔的海洋，美国和其他国家/地区的航天机构正在努力开发有朝一日将访问这些卫星的机器人。

美国宇航局加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室海洋世界机器人小组负责人哈里·纳亚尔表示：“过去我们假设金星和火星之间有一个适宜生命生存的区域，在那里可以找到液态水，而且……这是太阳系中唯一可以找到生命的地方。”然而，木星的木卫二和土星的卫星土卫二似乎拥有生命的关键成分——大量的液态水、食物和来自深海喷口的能量。

如果这种生命存在，那么要找到它们并不容易。它们最有可能被发现在寒冷的外星海洋表面之下。但是，一旦航天器前往外太阳系并成功登陆木卫二或土卫二，它仍将远离这些水域。机器人探测器必须深入冰层，在几乎与液氮一样寒冷的环境中穿行。

有几种不同的方法可以攻破这座冰冷的堡垒。NASA 最近宣布，它正在测试用于探索冰冷世界的新型机器人原型，其中包括一种可以切碎冰块并加热其内部冰屑的探测器。德国的研究人员一直在开发一种可以融化其路径上任何冰块的机器人。而这些并不是唯一的想法。

这些机器人背后的工程师们也不会满足于只进行垂直挖掘的探测器。他们的作品必须能够导航并将样本送回地面，此外还要挖掘数月甚至更长时间。以下是这些勇敢的探测器将如何探索冰世界并寻找生命。

这下面是什么

如果木卫二或土卫二上存在生命，那也只能是微小生命。喷气推进实验室的行星地质学家辛西娅·菲利普斯说：“那里可能没有鲸鱼、巨型鱿鱼，甚至没有小管虫或类似的东西。我们认为那里的能量不足以真正驱动多细胞生命。”

但海底的喷口可能是外星微生物的理想家园（它们与地球生命起源的生态系统相同）。无论这些喷口位于何处，如果它们孕育着生命，那么这些生命的踪迹必定已经传播到遥远的地方。

“在地球的海洋中，如果你取一立方米的水，它[可能]含有地球上大多数生物的遗传物质，”喷气推进实验室的航空工程师布莱恩·威尔科克斯说。木卫二或土卫二的海洋也应该如此。所以当我们的探测器最终到达海洋时，它们捕获的任何一滴水都应该能给我们带来启发。

威尔科克斯说：“如果你有足够好的仪器，可以发现浓度非常低的物质，那么你几乎可以保证找到存在的生物分子。”

然而，这确实限制了我们可以发射的探测器。由于机器人本质上是寻找生命的，因此它必须遵守严格的规则，避免携带地球上的微生物。在着陆之前，它将在极高的温度下进行消毒，以至于任何东西都无法存活——即使是现代电子产品也不行。NASA 正在考虑使用简单的石墨和铜马达，就像 19 世纪发明的那些。“你可以用今天能经受住这种烘烤的材料制造 120 年前使用的那种马达，”威尔科克斯说。

着陆器可以免于这种最严酷的清洗，因为它永远不会接触海洋。因此，实际控制探测器和分析其收集的水的电子设备很可能就驻扎在海洋中。“探测器有点像被拴在绳子末端的木偶，它本身没有智慧，”威尔科克斯说。“我们必须把行星保护放在首位，因为这确实是所有问题中最难的。”

切片和切块

在地球上，我们利用钻头或探测器深入研究南极洲和格陵兰岛等地的厚冰层，通过加热周围的冰层直至其融化，使冰层下沉得更深。

这种方法在木星和土星的卫星上行不通。“我们几乎不可能将钻井设备运送到冰冷的卫星上，”德国亚琛应用技术大学航天工程学教授贝恩德·达赫瓦尔德 (Bernd Dachwald) 表示。

而且冰的温度低于冰点几百度。“它基本上会吸走所有的热量，”纳亚尔说。他、威尔科克斯和他们的同事们设想的探测器会将热量全部保留在内部，这样热量就不会泄漏出去。

探测器使用旋转圆锯切开冰块，并使用打桩机将自己打入洞中更深处。探测器可以通过在一侧比另一侧更深地切入冰层来操纵。同时，冰屑被扔进探测器的绝缘体内融化。“整个探测器的主体本质上是一个真空瓶，就像一个可以让你的饮料全天保持温暖的热水瓶，”威尔科克斯说。

热量将来自钚（为好奇号探测器和其他航天器提供动力的钚，而不是用于制造核武器的钚）。它熔化的大部分水将被泵出。但探测器还可以用微型罐子收集水样，并通过系绳内的铝管将它们射回地面。

一旦融化的水重新结成冰，就会把这根系绳锁在原地。这意味着探测器必须携带自己的电缆，而不是从地面拉电缆。这也意味着探测器不能被拖回地面。“这也是为什么它必须绝对消毒的另一个原因，毫无疑问，因为它将永远呆在那里，”威尔科克斯说。

像鼹鼠一样

另一个前往冰冻世界的探测器是 IceMole，它是为德国航天局 (DLR) 的土卫二探测器项目开发的。它长约 6.5 英尺，不像毛茸茸的同名探测器那么娇小，不过它的设计师计划让下一代更短更轻。他们已经在南极洲和其他冰冻地区测试了它的挖洞能力。

IceMole 主要是一个融化探测器，这意味着它会通过加热来穿过冰层。这需要大量的能量，因此探测器可能会从冰面上的冰箱大小的核发电机获取电力。然而，机械鼹鼠还配备了一个冰螺丝。“这种力量将融化头牢牢地压在冰上，这样你就能一直保持很好的热接触，”花了数年时间设计和改进探测器的 Dachwald 说。

常规融化探测器的一个问题是，嵌入冰中的灰尘或沙子会沉到机器人前方融化的水底并堆积起来。最终，探测器会遇到无法加热通过的泥塞并被卡住。IceMole 可以避免这种灾难，因为它的冰螺丝可以将其拖过脏冰。其设计者已经在南极洲霍尔湖的土壤和富含沉积物的冰中测试了探测器——IceMole 放慢了速度，但没有停止。方便的冰螺丝也是空心的，因此它可以吸取样本。

与 NASA 提出的机器人一样，IceMole 可以改变路线。通过将更多的热量导向其融化头的一侧，IceMole 可以被迫转弯。“它们不如真正的鼹鼠那么好，但我们的转弯半径约为 10 米，这足以避开大型障碍物，”Dachwald 说。

它将使用几种不同的仪器进行导航，甚至可以向上融化。这意味着，IceMole 或许可以找到回到地表的路。

恶劣的环境

除了严寒之外，木卫二和土卫二并不是一个宜居的地方。在这些极端条件下，漫游的机器人将首当其冲。

首先，它们距离太阳太远，无法依赖太阳能。而且冰层可能不容易被汽车越过。木卫二和土卫二被认为会喷出水蒸气，这些水蒸气会冻结，然后以微小的颗粒形式落到地面。“这种物质就像沙漠中的沙丘，不会粘在一起，所以很容易沉下去，”纳亚尔说，他的团队正在设计一款类似沙滩车的轻型探测车。

木卫二受到木星磁场辐射，10 分钟内即可杀死一名未受保护的人类。这对机器人来说也不是好事。“木卫二表面基本上被带电辐射粒子轰击，对任何类型的表面航天器都具有极大破坏性，”菲利普斯说。

地面上的任何机器人都需要屏蔽来保护它们免受这种攻击。对于被冰层保护的深层探测器来说，这似乎不是什么问题。但它们仍将依赖地面上的设备，这些设备必须经受住探测器缓慢穿透数英里厚的冰层的考验。

冰本身也会面临考验。它可能不只是纯水。“问题是我们不知道这种物质的真实成分是什么，”纳亚尔说。机器人可能需要绕过岩石或裂缝，或遇到硫酸等腐蚀性化学物质。

达赫瓦尔德说：“在冰层下、在未知的环境下，让一个物体能够连续工作数月甚至数年，哪怕是最轻微的故障都可能导致任务失败，这是一项挑战。”

美国宇航局可以将探测器送往南极洲或格陵兰岛等地进行实地测试，以确保它们符合标准。但与木卫二或土卫二相比，这些冰冷的荒野简直是小菜一碟。工程师们必须在实验室中模拟冰冷星球上一些最恶劣的条件，使用特殊的冷室和真空室以及超冷冰床。

尽管困难重重，穿越冰层也有其好处。探测器无法轻易融化坚硬的岩石。“我们确实想融化冰层，因为处理液态水非常容易，”威尔科克斯说。

探测器在旅途中收集的任何样本都很容易筛选。“在火星或月球等地，样本实际上是岩石，你必须……分解岩石，这样你才能研究其中的成分，”菲利普斯说。冰样本只需加热即可。“这是一种将冰和非冰物质分离出来的简单方法。”

值得探索

尽管木卫二和土卫二令人着迷，但我们不必将探索范围局限于这两颗卫星。地球之外还有许多可能含有水的天体——火星、大型小行星、冥王星，以及土星的土卫六或木星的卫星木卫三和木卫四等其他卫星。“在外太阳系中有数十个星球可以使用非常相似的架构，”菲利普斯说。

相同类型的着陆器、探测车以及最终的探测器可能会将所有这些星球都带入我们的掌控之中。这项技术究竟会是什么样子仍不确定。“我们还没有一个比其他所有解决方案都更好的经过验证的解决方案，”纳亚尔说。“这是一个与我们去过的任何其他环境都截然不同的环境。”

随着卡西尼号和计划中的欧罗巴快船等任务提供的新信息，我们将对这些遥远的世界有更多了解。这将使我们更容易设计将来深入其冰面的探测器。

这些机器人要等上好几年才能登陆木卫二或土卫二；木卫二探测器可能要到 2028 年才会发射。但这并不意味着太空探测器无法帮助地球——我们可以在地球上进行大量的冰研究。“如果你只把钱花在技术演示上，而不进行任何科学研究，那会有点可悲，”达赫瓦尔德说。他和他的团队已经使用 IceMole 在南极洲的 Blood Falls 采集了细菌样本，那里的冰内盐水库充满了鲜为人知的细菌，这些细菌已经与外界隔绝了 100 多万年。

我们还有很多机会测试探测器的太空适用性，同时将其投入使用。在南极洲的冰盖下面，还有许多湖泊尚待探索。我们仍然不知道生命在冰层中可以延伸多远，也不知道生命在这些冰冻的荒野中能生存多久。“如果我们想知道其他行星和卫星的冰层中是否可以存在生命，我们必须找出地球上冰层中生命的诞生条件，”达赫瓦尔德说。