前往外星海底

[ 录入者:champagnecat | 时间:2019-11-29 10:04:51 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:1290次 ]
作者:Michael Carroll 原文来自:Astronomy   Posted:2018年7月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)
 

外太阳系的行星大多都有海洋。但要想探索它们,我们还需要一点创造力。(图片来源:Michael Carroll)

在凡尔纳的《海底两万里》里,尼摩船长驾驶着鹦鹉螺号潜水艇在各大洋底漫游,让读者饱览了奇异、精彩的海底景观。在科幻电影《神奇旅程》中,能干的比尔·欧文斯船长甚至指挥缩小的潜水艇进入人体。科幻作品常常预言了未来,潜水艇似乎将成为行星探索的新热点,虽然英勇船长们并不跟着潜水艇一起去探险,而是仍然留在地球上。

在太阳系里到处都有海洋,只是这些海洋与地球上的大多数海洋不一样:它们都藏在冰壳的下面。然而,它们就在那里,就隐身在木卫三、木卫二、土卫二,或许还有土卫六、土卫四和冥王星的地表下面。那里可能是除地球以外,最有可能找到生命的地方。不过,想要前去一探究竟却并不那么容易。以木星的冰封卫星木卫二为例,100公里深的海洋被几公里厚的冰壳遮盖得严严实实,要想看海还需另寻他路。

有不少工程师认为,要去这些深海中搜寻生命,最好的办法莫过于来一次现代版鹦鹉螺号海底探险。但是,向木星的卫星发送探测器并让它安全降落到地面,然后再穿透冰壳,驶入海洋,毫不夸张地说,这也是一项令人望而生畏的任务了。

然而,就是这样一幅前景点燃了工程师的想象力火花。如今,已经有一些勇敢的工程师开始把他们的想象转变成为现实,William Stone就是其中之一。他在美国得克萨斯州创办了Stone Aerospace公司,主要开发探索太空的工具和操作系统。最近,Stone带领团队登上阿拉斯加的马塔努斯卡冰河(Matanuska Glacier),在那里测试穿冰机器人VALKYRIE(Very deep Autonomous Laser-powered Kilowattclass Yo-yoing Robotic Ice Explorer)。这个机器人正是工程师们正在努力研发,希望有朝一日能潜入外星海洋的众多机器人中的一个。

 

最近,Stone Aerospace公司派一个团队前往阿拉斯加,对VALKYRIE进行测试。工程师们想看看这些穿冰机器人能否钻透木卫二表面那层厚厚的冰壳,以便潜入冰壳下面的海洋里。上图是穿冰机器人的艺术想象图。(图片来源:NASA)

 

嗨,木卫二!
对任何种类的探测器(包括潜水艇)来说,木卫二既是探索目标,也是某种可怕的障碍。木卫二上有已知太阳系内最辽阔的海洋,但未来的探测器先要找到那片海洋在哪里。木卫二上寒冷刺骨,与地球相距遥远,通讯联络十分不易。覆盖在海洋上的那层冰壳可能有30至50公里厚。探测器不仅要穿透冰壳,在到达海面后,还必须安全地派出潜水艇。Stone说:“这个问题很棘手。在木卫二上,设备必须在低温(100开)高真空环境中运转。在那种恶劣环境中,穿冰技术常用的钻头或融针无法工作。”

为了解决穿冰问题,工程师们想出了各种办法。钻头穿冰深度有限,而且冰屑常常要么妨碍钻头运转,要么把钻头钻出的隧道淤塞住,使探测器发出的信号无法传到冰壳表面。工程师们还尝试过用加热法融冰钻洞。但冰融化后产生的冰水也会填满隧道,然后又冻结起来,阻挡无线电信号,而且融冰所需的能量太大,承担不起。还有一个办法是先把水加热,再把热水喷向冰壳,融冰钻洞,但仍需要解决留在探测器身后的冰水再次冻结的问题。

Stone Aerospace公司想出了一个与众不同的解决方案。它研发的VALKYRIE在穿冰时既不靠钻,也不用热水,而是利用激光——“用某些频率的激光通过液态水传送能量,还能在穿冰时(通过光缆)得到能量,”Stone解释说。

去年,Stone Aerospace公司建造了第一台由激光驱动的穿冰器,并把它安装在一台名叫“阿基米德”的探测器上。“阿基米德”能够有效地产生一束波长为1070纳米的工业用激光,然后再把激光扩展成与探测器等宽的准直光束。“穿冰器必须又细又长,一开始看起来像一只‘热狗’。物理方面又要求它的直径尽可能小,结果它就变成长长的一条,”Stone说。科学家仔细选择过激光的焦距,使探测器可以调整穿冰的速度。

其他研究团队也在计划研制行星水下探测器。瑞典乌普萨拉大学正在开发一个只有两听易拉罐那么大的潜水器;美国佐治亚理工学院研制的Icefin则身形细长。佐治亚理工学院地球和大气科学学院的助理教授Britney Schmidt,带领研究团队在南极的罗斯冰架上钻洞。Icefin最快可能在2030年上天,在到达土卫二后潜入海洋并在海底着陆。美国路易斯安那州立大学开展了多个项目,其中一个名叫极地冰下航行和着陆及湖泊探索(简称SPINDLE)。穿冰机器人用融冰法穿透厚厚的冰层,去探索冰下的湖泊。按照探索计划,SPINDLE还要向湖中派出悬停式自动潜水车(简称HAUV)。另一台探测器名叫无扰式南极冰下探测器(简称ENDURANCE),能在冰下随意航行,绘制三维水下地图。它还能获取微生物样本,并且已经在威斯康辛州一个25米深的冰冻湖泊中进行过实战演练了。设计师们计划着尽快把它送往下一站——南极大陆上一个永冻湖。

水下探测器计划从其它行星的海洋里收集样本,然后带回到探测器中或者邻近的功能更全的实验室里去分析。(图片来源:Michael Carroll)

 

为何要派潜水艇?
在对木卫二进行过飞掠和轨道探索后,在木卫二上降落的首批探测器可能是静止的着陆器,它们或许还配备了提取岩芯的仪器,对较薄的冰层进行取样。这是一个好的开始,但考虑到木卫二的辐射环境,在地表或者甚至3米深的地下找到现存微生物的机会依然十分渺茫。“如果能穿透冰壳下到海洋里,那就完全不同了。”Stone说。

Stone研发的机器人(或其它类型的探测器)在探索行星海洋时,大致会经历以下4个阶段:

阶段1:进入冰壳。这个问题的解决办法多种多样,但都各有局限。
阶段2:巡航。探测器在冰壳中钻洞,在蒸汽压的作用下,探测器身后的钻孔又会封闭起来。
阶段3:避开障碍物。随处可见的陨石撞击坑或者高密度的卤水沉积物可能会撞坏探测器。
阶段4:突破。探测器放出潜水艇,当潜水艇进入海洋时,它如何展开?又如何与探测器联络?

想要在类似地球极地冰帽那样的地方穿洞,热水喷流是最行之有效的办法之一。这个方法很简单:用柴油炉把水加热,然后用泵把热水压入软管,软管的另一头连着一个加重的喷嘴,接近沸腾的热水就从喷嘴里喷出来。“用这种办法切割冰块,就像切黄油那样容易,”Stone说。这种穿冰法已经在南极大陆上应用过,效果很不错,但也存在问题:制造这样一个热水“钻头”需要使用1000吨重的设备。小小一台穿冰机器人如何储备足够多的能量呢?Stone提议把5000瓦功率的工业用激光充作能量来源。工程师们设想给着陆器配备激光,来为微型探测器提供能量,探测器身后缠着线缆。其他设计方案如VALKYRIE,将会携带一个核能系统,激光的能量通过光缆传递。工程师们已经制造了一卷20公里长的光纤,能够装进1夸脱大小的瓶子里。Stone Aerospace公司的“阿尔忒弥斯”探测器装配了一卷15公里长的光纤,对这个方案进行了测试。

探测器钻入冰壳后,还要避开各种危险,以及连轨道飞行器的探地雷达都探测不到的微小障碍物。VALKYRIE搭载了一台穿冰雷达,能够探测100米范围内仅有10厘米宽的物体。2015年,工程师们在阿拉斯加进行实验测试,证明了VALKYRIE能够及时得到提醒,避开障碍物。

要想项目成功完成,做到这一点至关重要,Stone说。“我们可不想拿着40亿美元的项目来冒险,如果它撞上一块易拉罐大小的岩石,那就完蛋了。”有了可调的激光系统,探测器就可以把激光的焦点调到一边,穿冰路线也就随之改变。

 

在外星海洋里航行
水下机器人一旦潜入海中,就会对海底进行测绘、跟踪洋流和化学物质流,还会寻找生命。机器人甚至还要搜寻生物生存所需的原料。

例如,硫含量较高的水流可能暗示了有深海热泉,因此探测器会试着追踪硫的源头。找到源头后,再搜寻是否有微生物群落产生的背景变化(例如席状结构或者颜色改变)。水下机器人还要拍摄近景高清视频。最后,它还要采集样本,用显微镜分析样本,对生命系统进行证认并研究其特性。

由于木星及其卫星离我们十分遥远,机器人必须学会自己思考。不过,我们如何教它们识别生命呢?一种可能的办法是,我们先对地球上的微生物进行数字化,然后把这些信息存入机器人的内存。机器人看到的任何物体,都要同存储在内存中的各种微生物结构和形状进行比较。由于功能决定形式,外星微生物与地球生物应该有一些相似的特征。


四处转转
除了研究推进器,工程师们还仿照地球上的海洋生物研发了推进系统。这些仿生设计模仿了海洋生物的敏捷、灵活和机动性。

海洋生物能够长时间游泳而不会疲劳,而且在隐秘性、灵活性和速度方面超过了现有的水下推进系统。就拿璃飞刀鱼为例,它只用一片与身体等长的腹鳍,就可以转向和原地盘旋。爱丁堡大学的设计师们正在研制一个仿生水下推进系统——SquidROV,根据璃飞刀鱼的腹鳍的工作原理来操纵系统。有些工程师提出,与用螺旋桨推进的系统相比,这种系统更有效率,而且不会产生很多湍流,在多种海洋环境中都可以辅助研究和观测。

苏黎世瑞士联邦理工学院的工程师们受到了乌贼的启发,设计了一个70厘米长、拥有4个鳍的水下机器人——Sepios。这个机器人由水下航行器(ROV)遥控,具有高度的机动性,还能在紧要关头进行多方向精准航行。

爱丁堡大学正在研发一个名为SquidROV的仿生水下推进系统。它的推进设备仿照璃飞刀鱼的鳍(下图),比螺旋桨更有效,还不会产生较多湍流。(图片来源:UNIVERSITY OF EDINBURGH)

加拿大达尔豪斯大学的研究人员与麦吉尔大学、约克大学的研究者,一起研发了AQUA机器人。这个机器人既能沿海底行进,也能用腿划水。

还有另一种方法,喷气推进实验室的科学家们使用一个能浮在水面上的机器人,让它浮在冰面下,头朝下爬行或转圈。水下探索的办法多种多样,但考虑到太阳系各行星上的海洋地理性质差异巨大,还没有一种潜水艇能在各种海洋环境中展开有效的探索工作呢。


土卫六上的挑战

想要潜入木卫二的海洋,先要设法穿透覆在海上的那层冰壳(地表有喷泉涌出的土卫二,其表面也盖着一层冰)。除了木卫二,在太阳系里还有一颗卫星有海洋——土卫六。

土星的这颗卫星,个头和水星大小差不多,被一团橙红色的薄雾笼罩着。从20世纪60年代起,科学家就一直怀疑土卫六的表面处于甲烷的三相点:甲烷既可以呈气态,也可以液态和固态(甲烷冰)的形式存在。

地球的表面处于水的三相点,这很容易让人把土卫六看作是“低温版”的地球沿海地区,那里浪花翻涌,惊涛拍岸。但土卫六地表的真实环境到底是怎样,我们还不十分清楚。所以,在研发登陆土卫六的探测器时,科学家们常常需要准备各种设计方案,以便适应那里或厚或薄的大气层、以及既有岩石、冰块,又有雪堆、池塘的地表。

美国宇航局的土卫六海洋探测器(Titan Mare Explorer)旨在分析土卫六(土星最大的卫星)上的有机化合物。(图片来源:Michael Carroll)

2004年,卡西尼号土星探测器和欧洲的惠更斯号土星探测器飞临土卫六,这颗卫星的独特地貌由此清晰地呈现在我们眼前。在土卫六的北半球,有大片大片的甲烷湖和乙烷湖,面积堪比地球上的黑海,在南半球还有一个巨大的安大略湖。其中,面积最大的是克拉肯海(Kraken Mare),紧随其后的是丽姬亚海(Ligeia Mare)。在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的Ralph Lorenz看来,土卫六似乎是潜水探索的理想地点:“(与地球上的海洋相比)潜水艇进入土卫六的甲烷海实际上要更容易些,因为甲烷不导电,所以不必担心连接器暴露在外。我们还能从甲烷海里发出无线电信号,想要在地球上的海洋里也这么做就没那么容易了。而且,无线电的带宽可能还比较宽。我们知道,在土卫六的众多海洋中,至少有一片海域对无线电波没有任何阻碍,因为卡西尼号曾向土卫六发出雷达波,我们收到了海底的雷达回波。”

克拉肯海是土星最大的卫星——土卫六上面积最大的海洋。在上图中,水下机器人正在探测克拉肯海的深度。它用雷达测绘海底,或许能够找到像地球海底的深海热泉那样的、微生物赖以为生的喷泉。(图片来源:NASA GLENN RESEARCH CENTER)


尽管有上述诸多好处,土卫六还是给潜水艇的设计提出了新的挑战。土卫六上的海水温度很低(94开),所以光是保暖就要消耗很大一部分能量,这也决定了潜水艇的结构。还有另一个问题:土卫六的大气如何与地表的甲烷海发生反应。在地球上,潜水艇通过向罐中充气、放气来控制自身的浮力。但土卫六的大气成分主要是氮气,而氮气是可溶于液态甲烷的,所以氮气无法让潜水艇浮起来。即使用氮气来控制潜水艇的浮力,这种办法也只能在有限的水深范围内发挥作用。除了氮气,工程师们还可以使用惰性气体,例如氖。

氮气溶于液态甲烷又带来一个新问题,Lorenz解释道。“如果潜水艇让热量泄露到外面,这会提高液态甲烷的温度,这样一来,氮气的溶解量就会降低。想想看,地球上的水能溶解多少二氧化碳(想象一下瓶装汽水),液态甲烷溶解氮气的情况与此类似。潜水艇的外壳会冒出气泡。这虽然不会让潜水艇下沉,却会减缓潜水艇的运动,还可能影响侧向扫描声呐测绘海底。在地球海洋中航行的潜水艇就不会遇到这样的问题。”

正在研制的另一种潜水艇很像一艘小船,名叫水面无人艇(简称USV)。它可以漂浮在土卫六的海面上,而非潜入海底。Lorenz说:“这样做可以简化设计,只需要设计一个浮在海上的船舱,无需考虑浮力控制。你可以把它想象成一艘自带推进器的船,那样会比较有意思。”不过,这种船无法检测不同深度的海水成分,因此我们也就无法知道混合着甲烷和乙烷的海水是否存在分层现象。黑海的海底覆盖着一层厌氧物质。不知土卫六上的丽姬亚海,是否也像黑海那样,在其海底也有一层100米厚的富含乙烷的物质?科学家在土卫六的海岸上发现了蒸发盐——海水蒸发后留下的矿物质,这似乎表明在其演化历史中,土卫六上的海洋曾多次干涸,然后又重新充盈。同样的信息不仅被记录在海岸的沉积物中,也保留在海底。谨慎的做法是,先派船在海面探索、调查,这有点像HMS挑战者号的1872至1876年科学远征。当时,作为首次全球海洋调查的一部分,挑战者号将一个底部带孔的重物沉入海底,对海底进行采样,然后再用绞车把它提回到船上。在土卫六的海上漂浮的科考船也可照此法调查海洋的深度。不过,派出潜水艇是不是探测外星海洋(如土卫六的海洋)的最佳选项呢?

无人潜水艇SeaBED正在南极大陆的冰壳下进行测试。它最深可以下潜到2千米,并能在海底盘旋。(图片来源:KLAUS MEINERS/AUSTRALIAN ANTARCTIC DIVISION ROV TEAM)

“如果问我‘潜水艇酷不酷?’,我肯定会说很酷”,Lorenz说。“那些(外星)海洋值不值得我们去探索?我的回答当然是值得。但要问我探索土卫六的下一步是不是派出潜水艇?我就不确定了。因为土卫六是一个全新的世界,有太多我们未知的东西。潜水艇也许应该往后放一放再说。”

土卫六是一个非常值得探索的外星世界,但要说到寻找生命,大多数天体生物学家却把目光投向了其它目标。对此,Stone是这么说的:“木卫二和土卫二有生命的可能性也不低;不是完全没有。生命就像电池,需要电子供体,也需要电子受体,还需要水和碳。在木卫二和土卫二上,这4种成分有可能都不缺。它们都是不错的搜寻目标。我们还可以搜寻其它有海洋的外星世界,不过我们目前可以先在木卫二上碰碰运气,积累些经验。”

Stone指出,美国宇航局正在进行一个飞掠木卫二的探测项目——木卫二快艇。这个探测器将在2022年至2025年期间升空。而且,还有一个名为“木卫二登陆者”的轻量级工作艇,目前正在召集仪器的设计提案。所以,虽然科学家们想要探索土卫六的海洋,但他们可能会先去木卫二的海里看一看。不管怎样,探索外星海底的准备活动正在有条不紊地进行着。

虽然我们现在仍处于用无人探测器探索外太阳系的初级阶段,但总有一天,我们会登陆另一个外星世界。到那时,科学家们无疑都想去实地探索一番。(图片来源:MICHAEL CARROLL)

 

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