8月3日消息，據(jù)彭博社報(bào)道，2013年的秋天，學(xué)期即將結(jié)束，在康奈爾大學(xué)當(dāng)了25年教授的史蒂夫·斯奎爾斯(Steve Squyres)卻感到有點(diǎn)兒不安。作為美國宇航局(NASA)火星探測車(Mars Exploration Rover)任務(wù)的負(fù)責(zé)人，他剛剛完成了對“勇氣號”(Spirit)和“機(jī)遇號”(Opportunity)長達(dá)10年的追蹤工作，這兩個六輪機(jī)器人都曾在火星上進(jìn)行探測。
這兩輛探測車被設(shè)計(jì)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(jī)遇號” 的探索仍在繼續(xù)。斯奎爾斯對它的堅(jiān)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(rèn)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?wù)摿耸畮讉€項(xiàng)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(jī)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(jī)物質(zhì)的冰冷天體，上面包括碳、氫、氮和氧等元素。天文學(xué)家認(rèn)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(jìn)化出人類。這些原始物質(zhì)在其他任何地方都不存在，仍然在彗星中被凍結(jié)，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(shí)的真相。”
當(dāng)然，人類從未接近過構(gòu)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(xué)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(shè)計(jì)一項(xiàng)取樣任務(wù)，即將Honeybee Robotics公司的設(shè)備送到彗星上。Osiris-Rex也是如此，這是美國宇航局資助的一項(xiàng)小行星研究計(jì)劃，于2016年9月啟動，該研究也采用“一觸即走”技術(shù)。
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(xiàng)目繪制藍(lán)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(xiàng)目(New Frontiers)征求建議，這個項(xiàng)目資助太空探索任務(wù)，預(yù)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(xiàng)目，即“彗星天體生物學(xué)研究樣本回歸”的縮寫。2017年年底，凱撒項(xiàng)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(jī)會將彗星表面的有機(jī)混合物帶回地球。
彗星通常以發(fā)現(xiàn)它們的天文學(xué)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(xué)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(zhuǎn)。67P上的一天持續(xù)超過12個小時，繞太陽公轉(zhuǎn)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(yuǎn)端。多虧了Rosetta探測器，與我們已經(jīng)確認(rèn)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(fù)雜的命題。彗星形狀不規(guī)則，體積小，自轉(zhuǎn)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(xué)成分，但我們對它們的質(zhì)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(yīng)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(wù)。彗星在科學(xué)上是很有趣的，畢竟這與生命本身的起源息息相關(guān)。但有些人認(rèn)為，將天體樣本帶回地球?qū)硪矊⑹谴笊猓T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(xiàng)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(bào)。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(rèn)為是一種投機(jī)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(jī)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(kuò)張的市場還不存在。
OffWorld正在開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和模塊化機(jī)器人技術(shù)，用于傳統(tǒng)的采礦、基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)和建筑。最終，這些技術(shù)將被設(shè)計(jì)為在太空中使用。卡拉瓦拉說：“我們把地球當(dāng)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(yùn)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O(shè)siris-Rex和凱撒等任務(wù)的數(shù)據(jù)。卡拉瓦拉表示：“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(xiàng)目設(shè)計(jì)機(jī)器人鉆井和采礦設(shè)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(tuán)隊(duì)擴(kuò)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dāng)這些商業(yè)使命匯聚在一起時，它將具有更大價(jià)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(yù)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(jìn)口了。”
和許多科學(xué)家一樣，斯奎爾斯不愿考慮商業(yè)潛力。他在康奈爾大學(xué)攻讀地質(zhì)學(xué)，但在與約瑟夫·韋弗卡(Joseph Veverka)共同上完天文學(xué)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(wù)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，這個團(tuán)隊(duì)曾在20世紀(jì)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(zhì)學(xué)是一門令人信服的科學(xué)學(xué)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(zhuǎn)到了太空領(lǐng)域。
作為一名本科生，斯奎爾斯研究了Viking任務(wù)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(yīng)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(jìn)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(dān)任研究員。五年后，他與韋弗卡、已故著名天文學(xué)家卡爾·薩根(Carl Sagan)加入了康奈爾大學(xué)。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(xiàng)任務(wù)。他說:“我花了10年時間寫不成功的提案。”
上世紀(jì)90年代初，在時任局長丹·戈?duì)柖?Dan Goldin)的領(lǐng)導(dǎo)下，美國宇航局啟動了“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”(Discovery Program)，即探索太陽系的低成本探索計(jì)劃。這些任務(wù)具有競爭性，“更快、更好、更便宜”是戈?duì)柖〉淖毅懀鼈兌加煽茖W(xué)家或主要調(diào)查人員負(fù)責(zé)管理。然而，直到1996年夏天，《科學(xué)》(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(guān)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(xué)院院長、凱撒項(xiàng)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(guān)注。”
“勇氣號”和“機(jī)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(wù)控制團(tuán)隊(duì)打了電話，三周后“機(jī)遇號”也報(bào)了平安。這些機(jī)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(fēng)、沙塵暴的壯觀圖片，并發(fā)現(xiàn)了科學(xué)家以前不知道的礦物質(zhì)。
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(guān)閉。“勇氣號”上一次與任務(wù)控制中心聯(lián)系是在2010年3月，但不是灰塵導(dǎo)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(fēng)暴才將“機(jī)遇號”解救出來。從那時起，數(shù)十年來最嚴(yán)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(fēng)暴要么幫助機(jī)遇號奇跡般的復(fù)蘇，要么導(dǎo)致其光榮的死亡。現(xiàn)在還不清楚何時天氣會放晴。”
凱撒項(xiàng)目的預(yù)算約為10億美元，如果任務(wù)得以執(zhí)行，按照美國宇航局的標(biāo)準(zhǔn)，這將使凱撒項(xiàng)目達(dá)到中等規(guī)模。它目前正在與“蜻蜓”(Dragonfly)項(xiàng)目展開競爭，后者是由約翰霍普金斯大學(xué)行星科學(xué)家伊麗莎白·圖特(Elizabeth Turtle)領(lǐng)導(dǎo)的任務(wù)，它將探索土星一個衛(wèi)星上的幾十個地點(diǎn)，研究其化學(xué)構(gòu)成以及是否宜居。
這兩個團(tuán)隊(duì)正在制定他們的提案，并在完善細(xì)節(jié)。Honeybee Robotics公司已經(jīng)開始測試凱撒項(xiàng)目采樣系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)。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(shí)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(zhì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目。如果凱撒項(xiàng)目被選中，他們將花費(fèi)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(dá)到67P。此次發(fā)射計(jì)劃最早于2024年8月份進(jìn)行，暫定到達(dá)日期為2029年3月。美國宇航局下屬戈達(dá)德太空飛行中心主任克里斯托弗·斯科拉斯(Christopher Scolese)說：“每項(xiàng)任務(wù)都需要數(shù)年時間來準(zhǔn)備。”
戈達(dá)德太空飛行中心在康奈爾大學(xué)和亞利桑那大學(xué)等多家合作伙伴的支持下，負(fù)責(zé)管理著凱撒和Osiris-Rex項(xiàng)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(wù)也不總是充滿英雄。盡管有很多令人敬畏的技術(shù)可以讓凱撒項(xiàng)目成為可能，但斯奎爾斯經(jīng)常談到精心準(zhǔn)備。對他來說，降低風(fēng)險(xiǎn)幾乎是一句口頭禪，也是一種切實(shí)降低成本的方法。
除了利用Rosetta和Osiris-Rex項(xiàng)目的研究成果外，凱撒項(xiàng)目還將使用太陽能電力推進(jìn)技術(shù)到達(dá)彗星，而不是借助化學(xué)推進(jìn)技術(shù)。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(xué)推進(jìn)過程中，發(fā)動機(jī)只能進(jìn)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(jìn)，你可以進(jìn)行長時間地適度燃燒。”這些軌跡將會幫助凱撒航天器到達(dá)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(jìn)入67P軌道，該計(jì)劃要求6個攝像頭拍攝數(shù)千張圖片，以幫助確認(rèn)合適的采樣點(diǎn)。地點(diǎn)的選擇將會立即開始。飛船將首先到達(dá)足夠靠近的距離，讓Honeybee Robotics公司的機(jī)器手臂與彗星進(jìn)行試驗(yàn)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(wù)了。”但這項(xiàng)任務(wù)的設(shè)計(jì)目的是允許進(jìn)行更多次接觸。總而言之，愷撒號飛船可能要花費(fèi)長達(dá)四年的時間圍繞彗星運(yùn)轉(zhuǎn)。
機(jī)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(zhuǎn)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(jī)構(gòu)(JAXA)的工程師們將負(fù)責(zé)建造這個太空艙，它與該機(jī)構(gòu)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(jī)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(xué)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(wù)作為我們太空科學(xué)任務(wù)計(jì)劃的支柱，但沒有考慮將其應(yīng)用于國外任務(wù)。”但是斯奎爾斯已經(jīng)做了研究，并且考慮了JAXA的設(shè)計(jì)。他說：“隼鳥號的樣品返回艙是完美無缺的，該設(shè)計(jì)的某些方面對凱撒項(xiàng)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(diǎn)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(shè)施，科學(xué)家們將在那里對其進(jìn)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(guān)于凱撒項(xiàng)目取樣結(jié)果的科學(xué)論文。他承認(rèn)：“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(yīng)對這種風(fēng)險(xiǎn)做準(zhǔn)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(yù)報(bào)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)
