想探索外星海洋?看探測器如何大顯神通

作者:Barbara 時間:2018-04-24 14:57:05 標籤: 分類:

圖中的漫遊車是日後將用於探索木衛二的探測器的早期版本。

  新浪科技訊 北京時間4月23日消息,據國外媒體報道,我們都將地球稱作「藍色星球」,但它其實並非附近宇宙中唯一的海洋星球。木星、土星和海王星的衛星、以及矮星系冥王星和鬩神星厚厚的冰層下方,都可能有海洋的存在。土衛六甚至擁有地表海洋,只不過其中裝的不是水,而是液態甲烷。

  假如太陽系中存在地外生命的跡象,也許就在這些冰封的世界中。科學家決心對土衛六和木衛二上的海洋展開探索,還設計了可在冰上移動的漫遊車、以及能深入海中的潛水艇。這些儀器需要應對刺骨的嚴寒、與地球上的水性質不同的液體、以及其它嚴苛的環境條件。接下來,本文將介紹這些機械人將進行探索的兩種不同外星海洋。

  在氣體海洋中遨遊

  在探索土星及其衛星的過程中,卡西尼號探測器在土衛六表面發現了數百個小型湖泊,以及三處面積和深度與五大湖類似的海洋。

  土衛六表面還有水結成的冰,且地下可能存在水構成的海洋。但土衛六上的甲烷海洋令科學家倍感好奇,因為它們參與的循環過程與地球上的水循環十分類似。就像地球上一樣,土衛六上的液體從海洋中蒸發,化為雲朵,再以降「雨」的方式落回地表。研究人員希望進一步了解這一循環機制。此外,土衛六上還有大量生命所需的碳化合物與氮化合物。科學家想弄清土衛六上是否演化出了某種依賴液態甲烷的生命體,就像地球上的生命體依賴液態水一樣。

  NASA正在考慮向土衛六發送一枚浮標,讓它在土衛六的海洋中隨波逐流。但問題在於,這種探測器的去向將全靠風向和洋流決定。「大多數情況下,浮標漂到岸邊後便會暫時留在沙灘上,下次漲潮時再重新漂起、回到大海。」約翰霍普金斯大學應用物理實驗室行星科學家拉爾夫·洛倫茲(Ralph Lorenz)指出。但無法保證它每次都能順利重回大海。

  但潛艇則能自己決定前進方向,還能探索海面下方的情況,收集海底沉積物。NASA希望在接下來20年內將潛艇送上土衛六。潛艇發電機將利用鈈等放射性物質衰變時產生的熱量發電,這將成為潛艇電子元件在土衛六溫度低至零下178攝氏度的海洋中順利運作的關鍵。

  要應對土衛六的嚴寒環境,「需要精心設計,而非物理奇蹟。」洛倫茲指出,他是該潛艇的首席設計師,「放射性反應堆產生的廢熱便是一大關鍵,此外還要審慎選擇泡沫隔熱材料。」

  另一大挑戰在於,我們不清楚土衛六的海洋究竟由哪些化學物質構成。其中主要是甲烷(類似於地球上的液態天然氣),還有少量液態乙烷和溶解在其中的氮氣。但這些物質的具體比例仍不清楚,也許在每個土衛六海洋中都有所不同。因此該項目希望設計出的潛艇能在多種密度不同、黏性各異的液體中行駛。

  工程師們對土衛六海洋中的氮氣尤為重視,因為氮氣可能會形成氣泡、干擾潛艇行駛。如果潛艇發電機產生的部分廢熱滲入了環境中,便可能出現這種情況。「這部分熱量不足以讓周圍的液體沸騰,但會導致溶解在液體中的氮氣析出。」NASA格倫研究中心低溫推進技術工程師傑森·哈特維格(Jason Hartwig)解釋道。

  螺旋槳在液體中旋轉時也會產生氣泡。哈特維格指出,每枚葉片後部都會產生一個小小的空腔,這裏壓力驟減,讓氣泡得以形成,就像打開碳酸飲料時、液體滋滋冒泡一樣。

  這些小小的氣泡可能會導致兩大問題。首先,它們會影響潛艇搭載的科學儀器,使之難以測量深度和其它指標。更令人擔憂的是,這些氣泡也許還會干擾潛艇螺旋槳的運行。

  「潛艇移動時,所有氣泡可能會在潛艇的末端匯集。螺旋槳再怎麼轉,潛艇都動彈不得,只能留在原處轉個不停。」哈特維格指出,「這對地球上的潛艇來說無關緊要,因為溶解在水中的空氣極少。但土衛六上就麻煩得多了,因為那裏的液體溫度更低,溶解在其中的氣體也就更多,因此會有更多氣體析出。」

  既然我們不知道土衛六海洋的具體成分,也就無從得知其中溶解的氮氣含量。為更好地了解潛艇可能遇到哪些問題,哈特維格和華盛頓州立大學的同事們在地球上「復原」了土衛六海洋。他們在實驗艙中灌滿比例不同的甲烷、乙烷和溶解氮氣混合物,溫度和氣壓都接近土衛六的真實環境,然後在其中放置了一枚小小的加熱器,模擬真實潛艇可能釋放的熱量。

  好消息是,如果潛艇只是停下來收集樣本,也許用不着擔心,因為潛艇釋放的熱量不會導致過多氣體析出、干擾儀器運作。但「螺旋槳的問題還沒有完全解決。」哈特維格指出。他打算用螺旋槳代替加熱器重複這個實驗,看看在潛艇行駛過程中會產生多少氣泡。

  準備送往土衛六的潛艇將和地球上的潛艇一樣形狀狹長。哈特維格表示,潛艇重量約2600磅(約合1.18噸),長約20英尺(約合6米)。但它只有在返回海面時才能與地球通信。並且該潛艇要到2040年之後才能發射,因為需要等到地球處於土衛六地平線上方時,潛艇才能直接與地球聯絡。

  NASA還考慮發射一艘體積較小、呈烏龜狀的潛艇。這艘「土衛六烏龜」潛艇(Titan Turtle)將配備一枚軌道探測器,將信息轉發回地球。它浸沒在水中時仍可與地球進行聯絡。並且它不需要考慮地球所處位置,因此可能早幾年發射。

  哈特維格指出,土衛六在海洋星球中可謂獨樹一幟。它是太陽系擁有液態海洋的星球中最容易到達的一顆。但土衛六潛水艇也能為其它探測器的設計提供靈感,幫助我們在其它星球的冰層下方展開探測任務。「我一直將土衛六視作一名探路者。」哈特維格表示。

探索土衛六海洋可能使用的潛艇

  在冰層下方探索

  相比之下,木衛二的海洋便顯得「遙遠」許多。木衛二的表面常年受木星強大的磁場輻射炙烤,且溫度低至零下173攝氏度,海洋掩藏在平均厚度8至14米的冰層下方。由於木衛二的海洋由水構成,這裏被視作尋找生命、研究生命所需化學環境的絕佳目標。

  為突破木衛二的厚厚冰障,科學家正在測試能夠融化或鑿開冰層、進入海中的機械人。這些機械人可攜帶潛水艇和能夠在冰面下方行駛的漫遊車,或者能沉入海中、到達海床的登陸車。一旦觸及水面,這些探測器便可在0攝氏度左右的環境中運作。「這對我們的電子元件來說,其實是一個相當舒適的環境。」NASA噴氣推進實驗室工程師安迪·克萊什(Andy Klesh)表示,「稍微有點麻煩的是,那裏的水中含鹽。」

  木衛二的海水可能和地球一樣含有鹽分,甚至可能鹹得多。噴氣推進實驗室行星科學家凱文·漢德(Kevin Hand)指出。「更有挑戰性的是,水中還可能還有硫酸。」這意味着探測器的電子元件有可能受到腐蝕。此外,機械人在海水中潛得越深,遭受的壓強便越大。海床處的壓強可能接近地球馬里亞納海溝底部的水平。

  總而言之,探索木衛二將註定是一次艱難之旅。「我們將面臨深空探索和深海探索的雙重挑戰。」克萊什表示,「太空中有真空,冰層下有壓強,一路上還有輻射……冰層將保護我們不受輻射的傷害,但到達那裏之前,沿途會吃不少苦頭。」

  克萊什指出,木衛二冰層底部將是最易於展開探索的地方。克萊什、漢德和同事們正在研發一台能夠在冰層底部行駛的漫遊車。漫遊車或深海探測器不會像潛艇一樣,常受到洋流的干擾。「漫遊車和登陸車將是我們展開探索的最佳方式,它們易於控制,不會亂顛亂撞。」冰層底部也是搜尋外星生命的好去處。地球上的藻類和微生物常常聚集在冰層底部。如果木衛二上存在生命,很可能也將這類地形作為落腳點。

  克萊什及其團隊正迫不及待展開搜尋。他們正在阿拉斯加的冰湖中測試漫遊車BRUIE(意為「冰下探索浮力漫遊車」)的性能。該漫遊車的輪子裝有圈狀鋸齒和窄嵌板,就像雪鞋一樣,能夠分擔漫遊車在冰面上的重量,防止漫遊車被卡在冰中。

  最終被送上木衛二的BRUIE漫遊車將在負責鑿冰的機械人引領下穿越冰層。因此漫遊車的體積必須很小,長度可能還不到18英寸(約合45厘米)。克萊什計劃在接下來兩周內測試BRUIE漫遊車的可摺疊車輪,使其更緊湊、更便攜。該團隊還計劃對BRUIE展開最大膽的測試任務,讓該漫遊車在沒有牽引繩的情況下,獨自在冰層下的海水中行駛1000英尺(約合305米)。

  在理想情況下,木衛二漫遊車也將採用沒有牽引繩的設計。「每次執行任務,可能都要至少將牽引繩切斷一次。」克萊什指出。不過,雖然繩子有纏成一團的風險,但到時也許還需要一根索線來傳輸電力和聯絡地表儀器。

BRUIE漫遊車的輪子裝有圈狀鋸齒和窄嵌板,可以防止漫遊車被卡在冰中

  克萊什及其團隊還在尋找更容易到達木衛二海洋的方法。他們曾藉助潛水儀器考察過阿拉斯加的冰臼,即冰川中陡峭的、灌滿水的井狀結構。去年夏天,他們的機械人曾下潛至冰層下方約160英尺(約合48米)處,發現了各冰層地道之間的連接點。木衛二的冰層中可能也有冰臼結構,漫遊車或潛水儀器可以利用這些結構下潛到海中。

  距離漫遊車真正造訪木星衛星還有很長的路要走。克萊什表示,希望木衛二快艇任務和木衛二登陸車任務能夠為今後的任務鋪平道路,直到有朝一日真正將探測器送入冰層下方。

  與此同時,我們為木衛二設計的漫遊車還可以幫助我們更好地了解地球。科學家已經開始用BRUIE漫遊車監測北極湖泊的永久凍土層融化後甲烷的釋放情況。今年秋天,這台勇敢的漫遊車更將在這些冰水中停留三到四個月之久。

  「我們準備把漫遊車留在冰層下的湖水中,觀察隨着極夜到來、冰層加厚,這些富含甲烷的湖泊會發生怎樣的變化。」漢德說道。科學家可以了解到湖水結冰將對漫遊車造成怎樣的影響。此外,科學家還可借這一機會,更好地了解此類人類無法親自探索的極端環境。

  「地球便是規模最大的海洋世界,」克萊什表示,「用來探索木衛二的技術也可以被應用在地球上,幫助我們探索本無法前往的極地之境。」(葉子)


本文來源:http://tech.sina.com.cn/d/s/2018-04-23/doc-ifznefki0173102.shtml

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