史上最强大的机器人地质学家即将前往火星寻找生命

行星科学家有时会开玩笑说，我们对火星的了解比对月球的了解还多。美国宇航局在美国建国 200 周年之际首次将一艘航天器降落在第四颗行星的表面，比第一架航天飞机升空早了五年。在这 35 年里，我们学到了很多东西：海盗 1 号和 2 号分析了火星岩石，勇气号和机遇号发现了古代水的证据，凤凰号看到了火星雪。然而，最大的问题——火星是否可能成为生命的家园——仍然困扰着我们。

美国宇航局最新的火星车“好奇号”本周启程寻找答案。它是有史以来最复杂的星际探测器，荣获 PopSci 2011 年度最佳新事物奖。如果一切顺利——从周六轰鸣的 Atlas V 发射到火星车的自动驾驶大气层进入和气垫船空投——它可能会成为百年不遇的探测器，它提出的问题比它解答的还要多。

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火星科学实验室的任务远不止是一辆四轮驱动、轿车大小、臂力强大的火星车“好奇号”。它的气垫船空中起重机和引导着陆系统本身就是一项重大壮举，使 NASA 能够以最高精度着陆火星车。它拥有 11 种用于切割、烘烤和 X 射线照射岩石的工具，是有史以来最先进的机器人地质学家。它将寻找生命的化学成分——氧气、氮气、碳和/或氢气——这是第一辆能够这样做的火星探测器。

“我们将能够比其他任何航天器更好地进行化学研究。我们将逐个了解那里有什么元素，我们还将看到化学同位素，”NASA 喷气推进实验室的 MSL 副项目科学家 Ashwin Vasavada 说道，火星车就是在该实验室建造的。“我们不仅会知道那里有什么元素，还会知道它们形成了哪些矿物质，这还能告诉你确切的温度​​、周围的水量以及这些矿物质形成的环境条件。”

在计划 MSL 时，勇气号和机遇号刚开始行驶不久，NASA 工程师表示他们想要两样东西：更精确的着陆，以便更好地确定要研究的岩石，以及可以钻入这些岩石并对其内部进行采样的探测器。引导着陆将使好奇号位于 12 英里乘 15 英里的椭圆形内——与地球上的空投技术相比，这听起来可能相当不精确，但请记住，这是在 4500 万英里之外的另一个星球上。（勇气号和机遇号降落在一个 90 英里的椭圆形内。）

但这仅仅是个开始。下面让我们来一睹一些将助力 MSL 探索之旅的关键新技术。

制导下降和气垫船空投

如果没有任何问题，周六从卡纳维拉尔角发射的“好奇号”将按计划于明年 8 月抵达火星。当它接近火星时，其形状像鸡肉馅饼的减速罩将脱离以肼为动力的巡航级，并将隔热罩朝向火星倾斜。后壳上的推进器将纠正直径 15 英尺的笨重飞碟并引导其下降，精确瞄准盖尔陨坑的平坦表面。

在五纳秒内，好奇号的激光将一百万个灯泡的能量导向针头大小的一块岩石。当大气摩擦使其减速到足够慢时，一个 165 英尺长、51 英尺直径的降落伞将展开——这是有史以来在其他星球上最大的降落伞，设计用于承受 2.2 马赫的速度——隔热罩将抛弃，使雷达系统开始跟踪表面距离。此时，好奇号将朝下，朝着火星表面飞去。没有安全气囊。

“它太大太重了，装不进气囊，这里的工程师们意识到，如果不使用气囊，另一种选择就是让它降落在某种平台上，”瓦萨瓦达说。“但是当你建造这辆非常坚固的火星车，它有自己的轮子和悬架时，它就可以用自己的轮子承受着陆火星的重量。事实证明，这是让它着陆的最佳方式。”

好奇号坠落，车轮先着地，当探测器距离地面几百英尺时，降落伞被抛出。然后气垫船上的八枚制动火箭点火，进一步减缓航天器的下降速度。三根系绳和一根通信脐带展开，慢慢将探测器降落到地面上。一旦绳索松弛，探测器就会切断它们，气垫船飞走并坠毁在安全的地方。这一切都将以每秒 5 帧的高清视频拍摄下来。

顺便说一句，这一切都是自动发生的。地球和火星之间的光速延迟使得无法实时控制火星车，因此如果出现意外的阵风或火星尘卷风，火星车将不得不自行应对。

瓦萨瓦达表示，引导着陆对于地质学家来说将是一个福音。

“这意味着我们可以更接近火星，并依偎在过于危险的地形旁边着陆，而这些地形往往是更有趣的地质现象。我们想在火星上研究的大多数东西都不是平淡无奇的东西，”他说。

一旦“好奇号”检查无误，它将拍摄周围环境的几张 3D 高清全景照片，并确定一些值得观察的有趣事物。当地球上的科学家确定了一些目标后，ChemCam 仪器就会开始工作。

CHEMCAM：一种用于摧毁火星岩石的激光

MSL 的科学任务将以任何良好运作的实验室的严谨精确度展开。按照严格的顺序，11 台仪器将观察火星岩石，在其上打孔、钻孔、收集钻屑、筛分、烘烤和 X 射线扫描，描述有关该岩石及其历史的所有信息。大部分工作从 ChemCam（MSL 的激光器和照相机）开始。

激光从近 25 英尺的距离击落岩石表面的物质，将其掸掉并烧蚀风化表面，产生等离子体，可以使用仪器的望远镜进行分析。该仪器的首席研究员、洛斯阿拉莫斯国家实验室的罗杰·维恩斯 (Roger Wiens) 说，在短短五纳秒内，激光将一百万个灯泡的能量导向针头大小的区域。

“ChemCam 应该成为火星探测车的主力，它能识别独特的样本，以便其他仪器花更多时间进行研究，”他说。“能够从近 25 英尺外伸手触摸岩石是一个真正的优势。”

ChemCam 采集一个样本需要拍摄岩石的特写照片，然后进行广角拍摄，最后发射最多 75 个激光脉冲。它每六分钟可以分析一个样本，仅需两瓦时电量。

这种无需动手的岩石识别方法通过分析蒸发样品发出的光谱来工作，精确定位发射线，这些发射线是原子元素的明显特征。维恩斯说，它覆盖的波长（对于那些关注这些事情的人来说，是 240 纳米到 900 纳米）覆盖了整个元素周期表。激光设计为 500 万个脉冲——要炸毁很多岩石，要寻找很多元素。

由于 ChemCam 将帮助流动实验室的其他部分找到目标，维恩斯预计它将在流动站为期两年（以地球年计算）的主要任务期间几乎每天都投入使用。幸运的是，ChemCam 的科学团队与法国航天局合作开发了该仪器，因此国际合作伙伴将分担一半的负担。

在完成 ChemCam 的免手动分析后，MSL 科学家可能会决定驾驶探测器前往一块有趣的岩石并开始探索。

在 X 射线前烘烤火星鹅卵石和抖动的泥土

MSL 的众多首创成果之一就是其微型 X 射线机，这是一项真正的工程壮举，已经使一系列新的地球衍生产品成为可能。CheMin 仪器是“化学和矿物学”的缩写，它首次将一种标准的元素识别方法带到了另一个世界的表面。CheMin 首席研究员、美国宇航局艾姆斯研究中心的戴维·布莱克 (David Blake) 表示，X 射线衍射通过检查穿过原子间隙的 X 射线的衍射图来识别矿物。

“如果你开车经过一片种满树木的田地，你可以顺着树行往下看，偶尔你会看到一条穿过树木的小路。晶体中存在各种类似的图案，光线穿过这些图案时，就会发生衍射，”他说。“所有晶体材料的衍射图案都略有不同，因此衍射可以告诉你，你看到的究竟是什么材料，无需任何争论。”

要进行这种类型的测量，你需要将筛过的岩石样本散开，然后让它们四处弹跳，飞过 X 射线源。但航天器上的活动部件通常是不可能的。为了解决这个问题，布莱克和他的团队必须设计一种压电装置来摇动沙粒。该设计部分灵感来自布莱克和同事几年前从 Radio Shack 购买的一堆小型蜂鸣器。当 CheMin 运行时，它以大约相当于双高 C 音符的频率移动——听起来就像女高音歌手的声音。

布莱克说，他研究微型 X 射线衍射机已有 20 多年。这是识别矿物的最佳方法，也是了解岩石形成环境的最佳方法，还可以了解其中是否存在可能对生命起源前的化合物甚至生命有用的成分。

MSL 的其他仪器也都在寻找这一点。

除了 CheMin 阵列，火星样本分析 (SAM) 仪器还将加热钻取的样本并使其内容物气化，使用气相色谱仪和两种光谱仪检查蒸汽。当样本被加热时，不同的材料会变得挥发并以气体形式释放出来——首先是水。可以检测这些蒸汽的含量以确定材料的成分。这将是 MSL 寻找生命迹象的关键方法之一。找到任何这样的证据至少会打破范式，因此 MSL 配备了一个自检套件，Vasavada 说。这是一个陶瓷空白样品，其中包含一种工程有机化合物——不是生命，而是一种在地球上的现实生活中不会出现的氟化有机化合物。如果对 SAM 的有机材料分析有任何争议，空白样品将有助于验证其分析的完整性。

如果这一切听起来重复，那是因为它确实如此 — — 而这正是重点的一部分，根据 Vasavada 的说法。

“观察岩石有多种不同的方法，没有一种技术是明确的，”他说。“当我们通过两三种方法确认岩石中含有某种矿物或元素时，我们就可以整合所有这些不同仪器的结果，拼凑出这个故事。”

MSL 的主要目标是进行为期一年的火星探测和两年的地球探测，但如果“好奇号”的表现能和前辈一样好，这一目标可能会延长。勇气号和机遇号火星车的设计使用寿命为三个月，但保修期却比原计划多了近八年（机遇号的保修期还在延长）。工程师们希望“好奇号”能在火星上行驶十年。

“这不是一个你着陆后获取尽可能多的信息，其他一切都是小菜一碟的任务，”瓦萨瓦达说。“这是一项计划在几年内展开的任务。”

因此，好奇号将有充足的时间来回答深层次的问题——并且还可能开启全新的深刻问题。