地外天體采樣：困難很多 辦法也不少

文/ 遲惑

▲ “毅力號”鉆探藝術(shù)想像圖

據(jù)媒體報道，美國宇航局（NASA）旗下的毅力號火星車于9月初成功收集到第一管火星巖石樣本，未來有望帶回地球，幫助科學(xué)家深入了解這顆紅色星球。

8月初，毅力號火星車曾首次嘗試對火星巖石進(jìn)行采樣，但最終宣告失敗。9月初，毅力號火星車再次嘗試對巖石進(jìn)行采樣，并拍攝了采樣管內(nèi)的巖石照片傳回地球，任務(wù)團(tuán)隊確認(rèn)采樣管內(nèi)有巖石樣本。隨后毅力號火星車密封采樣管，并將其放置在火星車的腹部。

“毅力號”是第一個試圖鉆探火星取樣的，但并不是第一個鉆探外星球的，也不是第一個鉆探成功的。那么，人們?yōu)槭裁匆欢ㄒネ庑乔蛏先↑c土石回來？都有哪些辦法可以采用呢？

為什么要去地外采樣？

地外天體采樣返回是人類零距離了解宇宙的重要手段。無人探測器上無法攜帶完善的實驗分析設(shè)備，人不在場，也無法對樣品進(jìn)行機(jī)智靈活的分析，所以，能夠采樣返回當(dāng)然是再好不過。如果今后要從事月球、火星和小行星資源開發(fā)乃至移民，采樣返回將是一個不可缺少的階段。

到目前為止，人類研究太陽系的日常手段還是望遠(yuǎn)鏡，那些激動人心的行星、小行星和彗星探測器，不但數(shù)量太少，而且所能攜帶的儀器數(shù)量也太少。特別是很多大型科學(xué)儀器，目前還沒有辦法裝上探測器，發(fā)射到宇宙里。如果能從地外天體上拿回一點樣品，就可以在地球上進(jìn)行詳細(xì)、長期的研究。探測器如果在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了一些超出人們認(rèn)知的現(xiàn)象，也沒有辦法立刻研制新的儀器發(fā)射過去，可能要等幾年、十幾年甚至幾十年后，才有機(jī)會再探測一輪。

如果把樣品拿回地球，它就在實驗室里跑不掉了，隨時可以用新的實驗分析方法處理。

如果能從地外天體上拿回一些樣品，也可以用來判斷和比對望遠(yuǎn)鏡觀察的結(jié)果，特別是光譜分析的結(jié)果和行星的實際情況是不是符合。

▲ “阿波羅16 號”任務(wù)期間，航天員在月面活動

▲ 神秘的小行星帶

生命起源一直是科學(xué)界的研究重點。在彗星、小行星、火星或氣態(tài)巨行星衛(wèi)星上，是不是存在生命的組成部分，望遠(yuǎn)鏡是很難判定的。探測器著陸或許能解答這個問題的一部分，但是要想得到完整答案，還是需要把樣品帶回地球才可以。

外星球采樣有什么辦法？

▲ “阿波羅17 號”航天員走近一塊大石頭

▲ 奧巴馬時期的小行星重新定向計劃

▲ 美國星塵號彗星探測器模擬圖

▲ “奧西里斯-雷克斯”靠近小行星貝努模擬圖

所謂采樣返回，是從地外的某個地點獲得樣本，送回地球進(jìn)行分析。這里的“樣品”范圍很寬，可能只有原子和分子，也可以是松散的行星物質(zhì)，比如土壤、巖石之類的沉積物。

外星球采樣返回可以分為人力采樣和機(jī)器人采樣。到目前為止，只有美國阿波羅計劃實現(xiàn)了人力采樣。所謂人力采樣就是用人類的手直接抓，這是效果最好的采樣手段，但也是難度最大的。不就是到外星上去撿石頭挖土嗎？話雖這樣說，但這要首先解決怎么把人類送上天體再送回地球的問題，難度可想而知。

迄今為止，唯一實現(xiàn)了人手直接抓的采樣就是阿波羅計劃。其中，“阿波羅11 號”成功取回了大約22 千克的月球表面物質(zhì)，“阿波羅12 號”取回34 千克，“阿波羅14 號”取回42.8 千克，“阿波羅15 號”取回76.7千克，“阿波羅16號”取回94.3千克。“阿波羅17 號”取回110.4 千克，這也是迄今為止地外天體采樣的最高紀(jì)錄。

要是解決不了送人上天體的技術(shù)，那當(dāng)然就要靠機(jī)械了。然而事實證明，這件事情的難度并不比載人小多少，而且采樣的數(shù)量比較少。除阿波羅計劃外，其他的采樣活動都是用機(jī)器人實施的，采樣對象包括月球、小行星和彗星。對于火星，目前人類還只做到了采樣，沒能實現(xiàn)返回。

到目前為止，人類一共發(fā)明過3種采樣返回方式，分別是直接挖、槍炮轟和迎風(fēng)撈。

直接挖

比較大的外星球，例如月球和火星，可以提供足夠的引力，讓探測器穩(wěn)穩(wěn)地著陸在上面，這為機(jī)械手抓取和鉆探活動提供了基本條件。蘇聯(lián)的幾次月球采樣返回計劃和中國的“嫦娥五號”，都屬于直接采樣。

第一次成功實現(xiàn)機(jī)器人采樣返回的，是蘇聯(lián)的“月球16 號”。但此前的8次月球采樣返回任務(wù)全部失敗。“月球16 號”采回樣品101 克，恐怕還沒有“阿波羅”航天員撿的一塊石頭重。此后，蘇聯(lián)“月球20號”帶回樣品55克，“月球24 號”帶回樣品170 克。蘇聯(lián)時代的月球采樣返回活動到此為止。蘇聯(lián)月球采樣返回行動失敗的原因各種各樣，包括火箭失敗、月球制動失敗、探測器失敗等，為后續(xù)任務(wù)提供了寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)。目前，俄羅斯正在籌備“月球25號”采樣返回任務(wù)，因為技術(shù)復(fù)雜、事關(guān)重大，已經(jīng)推遲了好幾次。

蘇聯(lián)還曾經(jīng)在1970年考慮過實施一次火星采樣返回任務(wù)，原計劃在1979年完成，但由于技術(shù)復(fù)雜無法實現(xiàn)，項目在1977年取消。

世界上第二個成功實現(xiàn)機(jī)器人采樣的，就是中國。“嫦娥五號”不但成功取回了月球巖土樣本，還創(chuàng)造了機(jī)器人采樣的樣品重量紀(jì)錄——接近2 千克。

美國奧巴馬政府期間，一度考慮對小行星進(jìn)行采樣，也就是著名的小行星重新定向計劃。當(dāng)時考慮抓一顆小行星進(jìn)入環(huán)月飛行的軌道，然后派航天員前去采樣。隨著奧巴馬政府任期結(jié)束，這個項目被取消了。

▲ 隼鳥2 號探測器探測“龍宮”小行星模擬圖

▲ “隼鳥號”探測的糸川小行星

目前還有一個直接抓的項目正在執(zhí)行當(dāng)中，就是美國奧西里斯-雷克斯探測器對貝努小行星實施的采樣。采樣工作已經(jīng)在2020年10月完成，據(jù)說，因為“貝努”的質(zhì)地比想象中更疏松一些，采樣數(shù)量超過了預(yù)期。按照飛行計劃，“奧西里斯-雷克斯”將在2023年返回地球。到時候，我們就知道它到底挖了多少石頭回來。

“槍炮”轟

“槍炮”轟的辦法，只有日本用過，也就是“隼鳥號”和“隼鳥2 號”兩次探測任務(wù)，第一次用“槍”，第二次用“炮”。采用這樣的采樣手段，是因為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)選擇的采樣對象比較特殊。

兩次采樣所針對的，都是質(zhì)地堅硬的小行星。如果是在月球或者火星上，就可以把探測器著陸下去，站穩(wěn)之后用鉆頭取樣。然而小行星的引力很弱，探測器根本站不穩(wěn)，不能對表面形成壓力，無從鉆探。

所以日本采取的方法，是發(fā)射高速彈丸，把小行星表面打碎，然后探測器立刻下降，去收集濺起來的碎片。事實證明，這種方法也是可行的。“隼鳥號”和“隼鳥2 號”都取得了成功，雖然帶回來的樣品稀少，但解決了有無問題。

迎風(fēng)撈

迎風(fēng)撈這種方式，一般用來采集太陽風(fēng)、彗星尾部之類的稀疏天體樣品。其中比較著名的，就是美國宇航局的星塵號彗星探測器。它的探測對象是一顆叫做懷爾德2 號的彗星。

人們雖然可以從望遠(yuǎn)鏡里看到彗尾，但是它實際上比大氣稀疏得多，要想從其中獲得足夠多樣本，難度還是相當(dāng)大的。特別是彗星和探測器的相對速度很高，如果讓彗尾粒子硬撞在采樣器上，可能導(dǎo)致粒子破壞而失去科學(xué)價值。所以，“星塵號”采用了特殊的低密度氣凝膠收集器陣列，密度只有玻璃的1/1000。即使這么小心翼翼，“星塵號”也不過收集到了7 顆粒子，珍貴程度可想而知。

目前，地外采樣返回的焦點還是火星。除了“毅力號”之外，俄羅斯、中國都規(guī)劃了火星采樣任務(wù)。雖然路途遙遠(yuǎn)，但火星采樣將是火星工廠、火星城市、火星農(nóng)場的第一步。希望我們在有生之年，可以看到這一切的實現(xiàn)。★

相關(guān)鏈接

“毅力號”的采樣方式

在火星地面作業(yè)中，“毅力號”的主要工作，就是在石頭上打洞。具體分為以下幾個步驟：

第一步：找到有價值的巖石

科學(xué)家們特別希望“毅力號”能找到在水中形成或被水改變的巖石。如果能找到這兩類巖石，就很有可能在火星上發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古微生物痕跡。此外，“毅力號”還要收集火山巖和其他巖石，幫助建立地質(zhì)和環(huán)境隨時間變化的記錄。

▲ 鉆取巖石的示意圖

▲ 把樣品放進(jìn)存儲設(shè)備

▲ 樣品傳送到“毅力號”車體內(nèi)

第二步：采集巖樣

一旦科學(xué)家確定了一個感興趣的巖石目標(biāo)，“毅力號”就會動用鉆機(jī)，鉆出一個核心樣本。鉆機(jī)的原理和我們在地球上給空調(diào)打孔的水鉆一樣，但是考慮到“毅力號”的承載能力和發(fā)電功率都很有限，而且也不可能加水冷卻及潤滑，它的鉆取深度只有2 英寸（大約5 厘米）。

鉆探工作的主角，是“毅力號”的機(jī)械臂。在機(jī)械臂的末端是一個轉(zhuǎn)塔，安裝在轉(zhuǎn)塔上的科學(xué)工具有鉆探類和觀測類兩種。

最重要的當(dāng)然是鉆探設(shè)備。轉(zhuǎn)塔上有3 種不同的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆頭：巖石取樣鉆頭、風(fēng)化巖石和土壤取樣鉆頭、研磨鉆頭，直徑都是27 毫米。前兩種鉆頭用于將火星樣本直接收集到干凈的樣本收集管中，而研磨鉆頭則用于刮除或“研磨”巖石表層，露出新鮮、未風(fēng)化的表面，以供研究。

巖石取樣的鉆頭可以從巖石內(nèi)部切出樣品，然后從巖石本體上切斷取出，再把樣品直接收集到干凈的樣品收集管中。這些樣品管大約有一個手電筒那么大。每個收集到的巖芯直徑為13 毫米，長度為60 毫米，平均每根管子含有10~15 克火星物質(zhì)。這種鉆頭的形狀和原理，和我們在建筑物墻體上開孔安裝空調(diào)的開孔鉆幾乎一樣，只是體積更小一些。

除了堅硬的巖石，“毅力號”還需要在風(fēng)化嚴(yán)重的巖石和土壤上取樣。風(fēng)化巖石和土壤的特點是容易破碎，而且鉆探過程中會產(chǎn)生大量粉塵。因此，“毅力號”還配備了另一種鉆頭。它的開孔鉆部分稍微短一些，側(cè)面開有比較寬的長孔，這樣就可以在鉆探期間，把大量粉塵排出去，免得它們卡死鉆頭。

第三步：密封巖石樣本

火星2020 任務(wù)并不僅僅是把巖石樣本鉆探出來，供下一次任務(wù)帶回地球。它能夠在火星上就對這些樣品進(jìn)行一些初步的理化分析。從美國宇航局為此發(fā)布的視頻中可以看到，當(dāng)鉆探完成之后，收納著巖石樣品的管子會從鉆機(jī)里出來，被插到一個轉(zhuǎn)盤里，再被機(jī)械臂送到火星車內(nèi)部的理化分析儀器當(dāng)中，進(jìn)行初步的掃描和分析。其中最重要的工作是測量樣品的體積和重量。然后，樣品存放管會被密封起來，放進(jìn)火星車后部的收納空間。每個過程都要留下影像證據(jù)。根據(jù)美國宇航局發(fā)布的視頻，“毅力號”上一共有大約37 個可以容納巖石樣品的收納空間。按照地球上巖石的密度計算，每個樣品重約半盎司（15 克）。

▲ 毅力號也能斜著鉆探

▲ “毅力號”是靠機(jī)械臂采樣的

第四步：攜帶樣品

存好樣品之后，“毅力號”會把管子插進(jìn)自身攜帶的一個儲存架上，然后帶著它繼續(xù)行進(jìn)，直到任務(wù)小組在火星表面選好一個臨時存儲位置為止。因為這些樣品來之不易，所以任務(wù)小組把這些臨時位置稱為“戰(zhàn)略位置”。

第五步：保存樣本

將火星樣本放在火星表面的一個位置，等到2022年美國宇航局會發(fā)射另一個探測器來到火星取走它。這個探測器具備從火星表面起飛的能力，它會找到“毅力號”存放樣品的地方，把它取走送回地球。按照目前的技術(shù)，火星探測器在繞火星飛行的時候，可以精確獲取火星表面的影像，定位精度可以達(dá)到1 米，再結(jié)合漫游車用攝像頭拍攝的圖像，可以把定位精度提高到1厘米。如果一切順利，返回探測器可以很容易地找到樣品存放點。