地外天體采樣辦法總比困難多

常飛

最近，據(jù)國外媒體報道，美國“毅力號”火星車鉆探樣品沒有成功。那人類為什么要到外星上采樣？采樣方法有哪些呢？讓我們來了解一下吧！

為什么要到外星上采樣

采樣返回是指從地球以外的某個地點獲得樣本，送回地球進行分析。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，比如土壤、巖石之類的沉積物。

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備，人不在場，也無法對樣品進行機智靈活的分析。所以，能夠采樣返回，當然是再好不過了。如果今后要從事月球、火星和小行星資源開發(fā)乃至移民，采樣返回工作將是一個不可或缺的階段。

到目前為止，人類研究太陽系的日常手段還是望遠鏡，那些行星、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)量太少。特別是很多大型科學儀器，目前還沒有辦法裝上探測器發(fā)射到宇宙中。如果把樣品拿回地球，就可以隨時用新的實驗分析方法處理，也可以用來判斷和比對望遠鏡觀察的結果。

生命起源一直是科學界的研究重點。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。

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、槍炮轟和迎風撈。

如果用另一種方式來分析，采樣返回可以分兩種：人采和機采。人采案例迄今為止只有美國的阿波羅計劃月球采樣。其他的采樣活動都是用機器人實施的，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。

直接抓：效果棒棒噠

用人類的手直接抓是效果最好的采樣手段。當然，這就先要解決怎么把人類送上天體，再送回地球的問題，難度是盡人皆知的。

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錄。

要是解決不了送人類上天體的技術，那當然就要靠機械了。然而事實證明，機械的難度比載人沒有差太多，而且采樣的數(shù)量也比較少。

第一次實現(xiàn)機器人采樣返回成功的，是蘇聯(lián)的“月球16號”，但在此前的8次月球采樣返回任務全部失敗?！霸虑?6號”采樣返回樣品101克，恐怕還沒有航天員撿到的石頭重量大。

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。目前，俄羅斯正在籌備“月球25號”采樣返回任務，因為技術復雜、事關重大，已經(jīng)推遲了好幾次。

世界上第二個實現(xiàn)機器人采樣成功的國家，就是中國了?！版隙鹞逄枴辈坏晒θ』亓嗽虑驇r土樣本，還創(chuàng)造了機器人采樣的樣品重量記錄——接近2千克。

美國奧巴馬政府期間，一度考慮對小行星進行采樣，也就是著名的小行星重新定向計劃。當時考慮抓一顆小行星進入環(huán)月飛行的軌道，然后派航天員前去采樣。隨著奧巴馬政府的卸任，這個項目也就不了了之。

目前，還有一個機器人采樣項目正在執(zhí)行當中——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)悉，因為貝努的地質比想象中更疏松，采樣數(shù)量超過了預期。按照飛行計劃，“奧西里斯-雷克斯”將在2023年返回地球。

槍炮轟：硬碰硬的方法

槍炮轟的辦法只有日本用過，也就是“隼鳥號”和“隼鳥2號”的兩次探測任務，第一次用的是“槍”，第二次用的是“炮”。

采用這樣的采樣手段，是因為日本宇宙航空機構選擇的采樣對象都是質地堅硬的小行星。如果是在月球或者火星上，就可以讓探測器著陸并站穩(wěn)之后，用鉆頭取樣。然而小行星的引力很弱，探測器根本站立不穩(wěn)，不能對表面形成壓力，也就無從鉆探。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，收集濺起來的碎石子和塵土。

“隼鳥號”轟擊“絲川”小行星并采樣返回后，人們目測返回艙里什么都沒有，一度以為采樣失敗了。但是經(jīng)過顯微鏡檢查，發(fā)現(xiàn)艙壁上有1500顆塵埃，作為一次飛行長達20億千米的任務，這已經(jīng)算是很大的成功了。

“隼鳥2號”比“隼鳥號”更進了一步。它攜帶了一枚爆炸成型彈丸前往“龍宮”小行星。這種彈丸一般用在反坦克導彈上。它引爆后，爆轟波把藥型罩擠壓成一枚形如穿甲彈芯的飛行體，直接轟碎了“龍宮”的表面。之后，該探測器的下降采樣過程比較順利。返回艙在2020年12月降落在澳大利亞，拆箱后得到了5.4克樣品，也算是一次成功的采樣返回任務。

迎風撈：能撈多少算多少

迎風撈的方式一般用來采集太陽風、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”，它的探測對象是“懷爾德2號”彗星。

人們雖然可以從望遠鏡看到彗尾，但它比大氣稀疏得多，要想從中獲得足夠樣本，難度相當大。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，可能會導致粒子被破壞而失去科學價值。

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”，俄羅斯、中國都規(guī)劃了火星采樣任務。雖然路途遙遠，但火星采樣將是火星工廠、火星城市、火星農(nóng)場的第一步。讓我們拭目以待吧！