8月3日消息，據(jù)彭博社報道，2013年的秋天，學期即將結束，在康奈爾大學當了25年教授的史蒂夫·斯奎爾斯(Steve Squyres)卻感到有點兒不安。作為美國宇航局(NASA)火星探測車(Mars Exploration Rover)任務的負責人，他剛剛完成了對“勇氣號”(Spirit)和“機遇號”(Opportunity)長達10年的追蹤工作，這兩個六輪機器人都曾在火星上進行探測。
這兩輛探測車被設計成能夠在火星表面漫游90天，在巖石上抓撓和鉆孔，并在土壤中尋找水的證據(jù)。將近十年后，“機遇號” 的探索仍在繼續(xù)。斯奎爾斯對它的堅持并不感到厭煩，但他自己卻沒有多少事情可做。為此，他給自己的老朋友、Honeybee Robotics公司的聯(lián)合創(chuàng)始人斯蒂芬·戈里萬(Stephen Gorevan)打了個電話。Honeybee Robotics公司專門開發(fā)在行星和小型天體上鉆孔和取樣的工具。
斯奎爾斯在火星探測車上放了Honeybee Robotics公司的工具，他認為戈里萬可能會有些新的炫酷東西給他看。斯奎爾斯提議參觀該公司的紐約總部。在一天的時間里，戈里萬談論了十幾個項目。其中一個特別引人注目，即近5.5米長、像竹簽一樣的可伸縮手臂，Honeybee Robotics公司想象著把它送到一顆彗星上。這個機器人的“一觸即走”系統(tǒng)將從彗星表面抓取重約100克的小塊碎片，將其儲存在太空艙中，并將其完好無損地送回地球。
斯奎爾斯被它迷住了。彗星是一種含有有機物質的冰冷天體，上面包括碳、氫、氮和氧等元素。天文學家認為，彗星可能在數(shù)十億年前與地球發(fā)生了碰撞，并由此引發(fā)了一系列事件，這些事件促使最早的生命形式出現(xiàn)，并最終進化出人類。這些原始物質在其他任何地方都不存在，仍然在彗星中被凍結，自太陽系誕生以來一直處于原始狀態(tài)。斯奎爾斯說：“如果你想了解生命是如何出現(xiàn)的，彗星會幫助我們找到接近事實的真相。”
當然，人類從未接近過構成彗星的塵埃和冰。開車回紐約伊薩卡時，斯奎爾斯開始研究如何糾正這種情況。他說:“十多年來，有幾個神經(jīng)元一直沒有發(fā)出信號，這讓我開始思考。我知道取回彗星樣品有多么重要，我知道過去的嘗試都以失敗告終。”
2004年，歐洲航天局曾向67P彗星發(fā)送探測器羅塞塔(Rosetta)，天文學家們都在等待獲取圖像。羅塞塔的照片本該在2014年傳回地球。理論上，它們會提供足夠的數(shù)據(jù)來幫助斯奎爾斯設計一項取樣任務，即將Honeybee Robotics公司的設備送到彗星上。Osiris-Rex也是如此，這是美國宇航局資助的一項小行星研究計劃，于2016年9月啟動，該研究也采用“一觸即走”技術。
離開Honeybee Robotics公司總部四個半小時后，斯奎爾斯把車開下車道，開始為自己的下一個大項目繪制藍圖。這將是昂貴的，但他知道美國宇航局將在2016年12月為其定期的“新前沿”項目(New Frontiers)征求建議，這個項目資助太空探索任務，預算約為10億美元。斯奎爾斯的彗星提議最終被命名為凱撒(Caesar)項目，即“彗星天體生物學研究樣本回歸”的縮寫。2017年年底，凱撒項目被美國宇航局列入候選名單。如果它勝出，研究人員將第一次有機會將彗星表面的有機混合物帶回地球。
彗星通常以發(fā)現(xiàn)它們的天文學家的名字命名，或者用字母數(shù)字代碼來描述它們的軌道。67P也被稱為Churyumov-Gerasimenko，以烏克蘭天文學家克利姆·伊萬諾維奇·丘留莫夫(Klim Ivanovich Churyumov)和斯韋特蘭娜·伊萬諾夫娜·格拉西緬科(Svetlana Ivanovna Gerasimenko)的名字命名，他們在1969年發(fā)現(xiàn)了它。
這顆彗星有兩個畸形的裂片，它就像一只笨重的橡皮鴨，以時速13.5萬公里的速度在太空中旋轉。67P上的一天持續(xù)超過12個小時，繞太陽公轉需要近六個半地球年時間。67P大約4公里寬，軌道在木星之外，處于太陽的最遠端。多虧了Rosetta探測器，與我們已經(jīng)確認的數(shù)千個“雪球”相比，我們對67P的信息了解更多。
把航天器送到彗星上并收集樣本是個復雜的命題。彗星形狀不規(guī)則，體積小，自轉速度快，由于它們的體積很小，幾乎沒有重力。我們知道它們都是“冰凍世界”，并了解它們的部分化學成分，但我們對它們的質地幾乎一無所知。彗星可能是硬的，就像冰塊;也可能是軟的，像雪堆在滑雪纜車的底部。Honeybee Robotics公司工程師克里斯·扎克尼(Kris Zacny)說:“如果你不需要接觸彗星表面，那么空間環(huán)境相對容易應對。它可以是任何東西，從非常緊密到非常松散的狀態(tài)。”
盡管存在這些挑戰(zhàn)，美國宇航局還是把收集這樣的樣本作為首要任務。彗星在科學上是很有趣的，畢竟這與生命本身的起源息息相關。但有些人認為，將天體樣本帶回地球將來也將是大生意，諸如深空工業(yè)公司(Deep Space Industries)和行星資源公司(planet Resources)等商業(yè)項目已經(jīng)向投資者承諾，將通過獲取尚未開發(fā)的太空資源來獲得巨額回報。后者是小行星采礦初創(chuàng)企業(yè)，有谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇(Larry Page)和其他科技大亨支持。
這些努力被廣泛認為是一種投機行為，以至于今年早些時候，行星資源公司在資金枯竭后不得不大量裁員。美國加州帕薩迪納(Pasadena)私人機器人采礦和建筑公司OffWorld的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官吉姆·卡拉瓦拉(Jim Keravala)表示，太空采礦面臨的挑戰(zhàn)在于，大規(guī)模擴張的市場還不存在。
OffWorld正在開發(fā)機器學習技術和模塊化機器人技術，用于傳統(tǒng)的采礦、基礎設施修復和建筑。最終，這些技術將被設計為在太空中使用?？ɡ呃f：“我們把地球當作我們的第一個天體。”OffWorld取代了卡拉瓦拉創(chuàng)立的另一家公司Shackleton Energy，該公司尋求從月球上提取水冰。
卡拉瓦拉說，Shackleton Energy無法生存，三年前就停止了運營。他表示：“未來可能是不尋常的，但在你開始之前會有20到50年的弧線，許多太空采礦企業(yè)家都是狂熱者，而我就是這群人中的一員。”OffWorld將利用來自Osiris-Rex和凱撒等任務的數(shù)據(jù)?？ɡ呃硎荆?ldquo;除非你能廣泛接觸太空中的天體，否則你就沒有生意可做。”
近來，Honeybee Robotics公司正在為科研項目設計機器人鉆井和采礦設備。在過去的35年里，它從幾個在紐約下東區(qū)工作的工程師團隊擴張到150名員工的規(guī)模，在丹佛之外和帕薩迪納都有辦公室，且與美國宇航局下屬噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)隔海相望。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈里萬稱：“我們的利基市場很小，但總有一天，當這些商業(yè)使命匯聚在一起時，它將具有更大價值。我們現(xiàn)在從中國獲取大部分稀土金屬。如果我們帶回一顆被預先檢查過含有稀土金屬的小行星，我們就再也不用從中國進口了。”
和許多科學家一樣，斯奎爾斯不愿考慮商業(yè)潛力。他在康奈爾大學攻讀地質學，但在與約瑟夫·韋弗卡(Joseph Veverka)共同上完天文學課后，他改變了自己的研究方向。韋弗卡是美國宇航局Viking任務的科學團隊成員，這個團隊曾在20世紀70年代向火星發(fā)送兩個探測器。斯奎雷斯說：“我在研究地球表面，地圖上已經(jīng)沒有什么空白區(qū)域了。地質學是一門令人信服的科學學科，但它沒有那種‘沒人去過那里’的吸引力。”在與韋弗卡上完課后，他轉到了太空領域。
作為一名本科生，斯奎爾斯研究了Viking任務的圖像，其中顯示了火星上干涸的湖泊和河床上有水的證據(jù)。人類不應該試圖弄清楚發(fā)生了什么嗎?帶著這個疑問，斯奎爾斯后來進入研究生院，之后在美國宇航局位于加州山景城的艾姆斯研究中心擔任研究員。五年后，他與韋弗卡、已故著名天文學家卡爾·薩根(Carl Sagan)加入了康奈爾大學。斯奎爾斯與美國宇航局保持著聯(lián)系，并盡可能地參與各項任務。他說:“我花了10年時間寫不成功的提案。”
上世紀90年代初，在時任局長丹·戈爾丁(Dan Goldin)的領導下，美國宇航局啟動了“發(fā)現(xiàn)計劃”(Discovery Program)，即探索太陽系的低成本探索計劃。這些任務具有競爭性，“更快、更好、更便宜”是戈爾丁的座右銘，它們都由科學家或主要調查人員負責管理。然而，直到1996年夏天，《科學》(Science)雜志上的一篇論文提出了一種可能性，即來自這顆紅色行星的南極隕石中可能含有化石，火星才引發(fā)關注。
這些發(fā)現(xiàn)表明，火星上曾有生物存在，這促使美國總統(tǒng)比爾·克林頓(Bill Clinton)決心探索火星。伍斯特理工學院院長、凱撒項目聯(lián)合研究員勞瑞·萊辛(Laurie Leshin)說，克林頓的聲明“鞏固了美國宇航局對生命搜索研究的承諾，并以一種全新的方式吸引了人們的關注。”
“勇氣號”和“機遇號”于2003年夏天發(fā)射升空，7個月后成功著陸火星。“勇氣號”首先給地球上的任務控制團隊打了電話，三周后“機遇號”也報了平安。這些機器人的發(fā)現(xiàn)包括表明火星曾經(jīng)有巨大湖泊的隕石坑。它們還拍攝了塵卷風、沙塵暴的壯觀圖片，并發(fā)現(xiàn)了科學家以前不知道的礦物質。
斯奎爾斯原以為火星探測車的太陽能電池板最終會落滿灰塵，最終會被關閉。“勇氣號”上一次與任務控制中心聯(lián)系是在2010年3月，但不是灰塵導致了它的死亡，而是它被困在一個沙坑里后迷失了方向。直到今年5月底，風暴才將“機遇號”解救出來。從那時起，數(shù)十年來最嚴重的火星沙塵暴已經(jīng)對火星探測車造成了最大的威脅，而且它現(xiàn)在已經(jīng)“徹底沉默”。斯奎爾斯說:“這次風暴要么幫助機遇號奇跡般的復蘇，要么導致其光榮的死亡?，F(xiàn)在還不清楚何時天氣會放晴。”
凱撒項目的預算約為10億美元，如果任務得以執(zhí)行，按照美國宇航局的標準，這將使凱撒項目達到中等規(guī)模。它目前正在與“蜻蜓”(Dragonfly)項目展開競爭，后者是由約翰霍普金斯大學行星科學家伊麗莎白·圖特(Elizabeth Turtle)領導的任務，它將探索土星一個衛(wèi)星上的幾十個地點，研究其化學構成以及是否宜居。
這兩個團隊正在制定他們的提案，并在完善細節(jié)。Honeybee Robotics公司已經(jīng)開始測試凱撒項目采樣系統(tǒng)的早期設計。在美國宇航局位于克利夫蘭的格倫研究中心，這臺儀器被放入152米高的巨大垂直隧道中，那里實際上是個真空環(huán)境。有輕浮石密度的加氣混凝土(aircrete)與67P上的物質相似，它附著在儀器上，無需碰觸，因此工程師可以模擬在失重狀態(tài)下取樣。
凱撒項目團隊約有200名成員，他們的下一個重大里程碑將在2019年完成，屆時美國宇航局將選擇獲獎項目。如果凱撒項目被選中，他們將花費5年時間來建造和測試太空飛船，并將其送入軌道。這艘飛船要再過五年才能達到67P。此次發(fā)射計劃最早于2024年8月份進行，暫定到達日期為2029年3月。美國宇航局下屬戈達德太空飛行中心主任克里斯托弗·斯科拉斯(Christopher Scolese)說：“每項任務都需要數(shù)年時間來準備。”
戈達德太空飛行中心在康奈爾大學和亞利桑那大學等多家合作伙伴的支持下，負責管理著凱撒和Osiris-Rex項目。斯科拉斯表示：“這不像電影，電影只會持續(xù)90分鐘時間，背誦幾句好聽的臺詞。”這些任務也不總是充滿英雄。盡管有很多令人敬畏的技術可以讓凱撒項目成為可能，但斯奎爾斯經(jīng)常談到精心準備。對他來說，降低風險幾乎是一句口頭禪，也是一種切實降低成本的方法。
除了利用Rosetta和Osiris-Rex項目的研究成果外，凱撒項目還將使用太陽能電力推進技術到達彗星，而不是借助化學推進技術。斯奎爾斯說，這將使宇宙飛船能夠沿著原本不可能的軌跡飛行。在化學推進過程中，發(fā)動機只能進行短暫地、劇烈地燃燒，然后長時間地滑行。而使用太陽能電力推進，你可以進行長時間地適度燃燒。”這些軌跡將會幫助凱撒航天器到達67P，然后安全返回。由于Rosetta已經(jīng)研究了67P，凱撒太空船將攜帶很少的儀器，這極大地減少了它的能量需求和重量。
一旦飛船在2029年早期進入67P軌道，該計劃要求6個攝像頭拍攝數(shù)千張圖片，以幫助確認合適的采樣點。地點的選擇將會立即開始。飛船將首先到達足夠靠近的距離，讓Honeybee Robotics公司的機器手臂與彗星進行試驗性接觸。最終，它會在彗星表面挖掘幾秒鐘以獲取材料。斯奎爾斯說，如果第一次嘗試就能得到80克左右樣本，“我們就成功完成任務了。”但這項任務的設計目的是允許進行更多次接觸?？偠灾?，愷撒號飛船可能要花費長達四年的時間圍繞彗星運轉。
機器手臂會將樣本(包括灰塵、冰和氣體)密封在容器中，并將其轉移到看起來像漫游的Roomba吸塵器的特殊容器中。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(JAXA)的工程師們將負責建造這個太空艙，它與該機構2003年發(fā)射“隼鳥號”(Hayabusa)使用的類似系統(tǒng)相像，只是體型更大。“隼鳥號”是個機器人探測器，它被送往近地小行星，并成功取回樣本以供分析。
JAXA副科學主任藤本正明(Masaki Fujimoto)在一封電子郵件中寫道:“我們始終在考慮將樣本取回任務作為我們太空科學任務計劃的支柱，但沒有考慮將其應用于國外任務。”但是斯奎爾斯已經(jīng)做了研究，并且考慮了JAXA的設計。他說：“隼鳥號的樣品返回艙是完美無缺的，該設計的某些方面對凱撒項目來說堪稱完美，尤其是低溫保持樣品方面。”
如果一切順利，樣本將保持在零度以下，直到2038年11月20日，它在猶他州沙漠的會合點著陸。然后，一個小組會將樣本裝到一輛冰車上，并將其帶到休斯頓的一個設施，科學家們將在那里對其進行分析。到2038年，斯奎爾斯已經(jīng)82歲。他說：“我希望自己還活著，我吃健康的食物，鍛煉身體，照顧好自己。我的父親已經(jīng)91歲，所以我有很好的長壽基因。”
斯奎爾斯說，他可能不會寫一篇關于凱撒項目取樣結果的科學論文。他承認：“這種嘗試可能會成功，也可能不會成功，這是一個巨大的賭博。”但他一生中大部分時間都在為應對這種風險做準備，至少從1965年的那一刻開始，那時他才9歲。一天早晨，父親叫醒了斯奎爾斯，讓他觀察一顆名叫Ikeya-Seki的彗星。天氣預報員稱，盡管距離地球1.29億公里，但肉眼仍能清晰地看到它，其亮度是滿月的10倍。斯奎爾斯說，Ikeya-Seki沒有讓人失望。如果一切順利，67P也不會。(小小)
