火星样本返回计划，都有哪些技术挑战？

美国航空航天局（NASA）正与欧洲航天局（European Space Agency，ESA）合作，将火星样本送回地球。

NASA的毅力号漫游车已成功完成样本收集尝试，这幅由两张图片组成的合成图显示了它钻出的洞。

图片来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工

2021年9月1日，NASA的毅力号（Perseverance）火星车展开了它的手臂，在火星表面放置了一个钻头，并向下钻了大约2英寸（约6厘米），以提取岩芯样本。后来，毅力号将岩芯密封在样品管中。这一历史性事件标志着探测器首次从另一颗行星成功收集岩石样本，这些样本可能会在未来通过探测器送回地球。

火星样本返回（Mars Sample Return）是一个多任务计划，目的在于取回毅力号在未来几年中将收集的火星岩芯样本。目前，该计划仍处于概念设计和技术开发阶段，作为人类航天史上最为雄心壮志的尝试之一，这项计划涉及多个航天器、多次发射和数十个政府机构。

“上世纪80年代以来，将火星样本送回地球一直都是行星科学界的优先事项，而如今，实现这一目标的潜在机会已经激发出了新一轮创新浪潮，”迈克尔·迈耶（Michael Meyer）说道，他是NASA华盛顿总部火星探测计划（Mars Exploration Program）的首席科学家。

上面的这张动图来自NASA毅力号漫游车的采样与缓存系统相机（Sampling and Caching System Camera，CacheCam），图片中心显示的是毅力号收集的第一个火星岩石岩芯样本，被置于钛样本收集管内。这张动图拍摄于系统将金属盖盖上并密封样品管之前，时间是2021年9月6日，即任务的第194个火星日。拍摄图像时相机将岩芯样本作为焦点，样本周围的暗环是样品管内壁的一部分；围绕样品管和样本的明亮金色环状物是“轴承座圈”，这是一个不对称的凸缘，一旦取芯钻钻进岩石中，它就会帮助切断样本；图中最外围的斑驳棕色圆盘是毅力号漫游车自适应缓存组件内样本处理臂的一部分。

图片来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工

相比让火星车在火星表面直接分析样本，在地球上对它们进行分析的好处是，科学家们可以使用多种先进的实验室技术，这些技术往往体积过大、结构过程太复杂而无法被送上火星。在地球的实验室中，他们可以以更快的速度进行分析，破解更多火星上是否曾经存在生命的相关信息。

“在我还是一名研究生的时候，我就一直梦想着能对火星样本进行分析。”火星样本返回计划的首席科学家米纳克希·瓦德瓦（Meenakshi Wadhwa）说，该计划由位于美国南加州的NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）负责管理。“这些样本有据可查，收集它们最终将使我们能够在它们返回地球后在最好的实验室里对它们进行分析。”

火星样本返回计划将包含多个“首次”，目标在于解决一个悬而未决的问题：除了地球之外，生命是否也已出现在了太阳系的其他地方？“我的整个职业生涯都在努力寻找机会来回答这个问题。”来自NASA位于美国马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）的天体生物学家丹尼尔·格拉文（Daniel Glavin）说。格拉文正参与设计一种特殊的系统，用于保护火星样本在从火星返回地球的整个旅程中免受污染。

从火星收集样本然后带回地球将是一项载入史册的人类壮举，而这一壮举始于2020年7月30日，当NASA的毅力号漫游车发射升空之时。毅力号在2021年9月收集了第一批岩芯样本，它们将被暂时保留在火星上，等待未来的任务将它们取回并送返地球。对于这项提议的火星样本返回计划，NASA和ESA正在落实相关概念。目前涉及的概念包括一个着陆器、一个取回漫游车、一个将样本容器发射到火星轨道的上升飞行器，以及一个带有有效载荷的回收航天器用来捕获和容纳样本，然后将它们送回地球，最终降落在地球上的无人区。

视频来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工、ESA、NASA/戈达德航天中心、NASA/格伦研究中心

技术支持：詹姆斯·特拉利（James Tralie）/NASA戈达德

背景音乐：阿克塞尔·库恩（Axel Coon）和拉尔夫·格贝尔（Ralf Goebel）/环球制作音乐（Universal Production Music）

火星返回计划由NASA与欧洲航天局（European Space Agency，ESA）合作展开，需要从火星表面自主发射装满珍贵“外星货物”的火箭。工程师需要确保火箭的轨迹与绕火星运行的航天器轨迹一致，以便将样本舱转移到轨道飞行器上。在此之后，轨道飞行器会将样本舱送回地球，科学家将在那里等待并安全地接收样本，然后再将它们运送到防止生物性危害传播至外界的设施（目前正在开发中）。

在将火星样本带回地球之前，科学家和工程师必须克服多个挑战，其中之一就是：

保护地球免受火星有害物质侵害

让样本保持化学上的原始状态，以便后续能在地球上进行缜密的研究，同时，还须要对样本的储存容器进行高度消毒，确保没有任何有害物质被送到地球：这让火星样本返回计划成为真正意义上前无古人的任务。

数十亿年前，这颗红色星球可能曾经舒适而惬意，无数生灵在温暖湿润的环境中茁壮成长。然而，根据来自火星轨道器、着陆器和漫游车数十年的数据，NASA带回含有活火星生物样本的可能性几乎为零。相反，科学家们希望能找到化石化的有机物质，或其他古代微生物生命的迹象。

尽管将生物从火星带到地球的风险很低，但出于谨慎考虑，NASA还是采取了重要的措施来确保火星样本在整个旅程中处于可靠的密封状态。涉足整个杰泽罗陨石坑（Jezero Crater）收集岩芯并将它们放入以钛（世界上最坚固的金属之一）为主要原料的样品管后，毅力号会将样品管紧紧密封，防止样本颗粒的意外流失，即使是其中最小的样本颗粒。然后，这些样品管将被储存在火星车的腹部，直到NASA决定好将它们放置于火星表面的时间和位置。

样本返回活动将包括一个ESA样本获取漫游车，它将在20年代晚些时候从地球发射，在火星上重获毅力号收集的这些样本。NASA位于美国俄亥俄州克利夫兰市的格伦研究中心（Glenn Research Center）的工程师正在设计样本获取漫游车的轮子。火星车会将样本转移到由喷气推进实验室开发的着陆器上，而着陆器上的机械臂会将样本装入火箭的顶端，火箭则由位于美国阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）设计。

火箭会将样本舱运送到火星轨道，ESA的轨道飞行器将会等在那里接收这些样本。在轨道飞行器内，由NASA戈达德领导的团队开发的有效载荷会准备好将样本舱送回地球。准备过程包括将样本舱密封在一个干净的容器内，将所有相关的火星物质密封在里面，然后对密封装置进行消毒，并在返回地球之前，使用戈达德开发的机械臂将密封容器放入地球进入舱（Earth-entry capsule）中。

这张概念图展示了未来在火星上，一组探测器通过协同工作，将NASA毅力号漫游车在火星表面收集的样本送回地球。

图片来源：NASA/ESA/喷气推进实验室-加州理工

NASA工程师的主要任务之一，是弄清楚如何能做到在对样本容器进行密封和消毒的同时，又不会消除样品管内岩芯中的重要化学特征。目前，工程师团队正在测试多种技术，其中一种名为硬钎焊（brazing），它涉及将一种金属合金熔化成液体，这一操作基本上会将金属黏合在一起。钎焊可以在足够高的温度下密封样本容器，从而对可能留在接缝中的所有火星尘埃进行消毒。

“我们目前最大的技术挑战之一就是，在距离1000华氏度（538摄氏度）左右的熔化金属只有几英寸的位置，我们必须将这些珍贵的火星样本保持在它们在火星上可能经历的最高温度以下，也就是大约86华氏度（30摄氏度）以下。”戈达德系统工程师布伦丹·费汉（Brendan Feehan）说，他参与设计ESA轨道飞行器上用于捕获、容纳并返回样本至地球的系统。“我们的硬钎焊解决方案测试的初步结果，证实了我们正走在正确的道路上。”

通过费汉和他的同事们的精心设计，加热升温将只会在须要硬钎焊的地方进行，限制热量流向样本。此外，工程师可以用一种材料将样本隔绝起来，这种材料会吸收热量然后以非常缓慢的速度释放，或者，他们还可以通过安装导体来来引导热量远离样本。

格拉文表示，无论团队开发出什么样的技术，它都不仅对火星样本来说至关重要，对未来木卫二（Europa）或土卫二（Enceladus）的样本返回任务来说也是如此：“在那里，我们可以收集并返回可能包含外星生物的海洋羽流样本，所以我们须要弄清楚该怎么做。”

NASA为消除地球有害污染风险所做的严格努力，可以追溯到1967年的《国际外层空间条约》（Earth date to the international Outer Space Treaty），该条约呼吁各国防止来自地球的生物体污染其他天体，并防止通过返回其他天体的样本对地球造成污染。为了安全地将火星样本送回地球，NASA不仅与ESA合作，还与至少19个美国政府部门和机构合作，包括美国疾病控制和预防中心（U.S. Centers for Disease Control and Prevention）以及美国国土安全部（U.S. Department of Homeland Security）。

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/with-first-martian-samples-packed-perseverance-initiates-remarkable-sample-return-mission