SpaceX 的创新能否拯救 NASA 的火星任务？

这幅插图展示了多个机器人联手将美国国家航空航天局（NASA）的"勇气号"火星探测器从火星表面采集的样本运送到地球的概念。图片来源：NASA/JPL-Caltech

美国国家航空航天局局长比尔-纳尔逊在2024年4月15日的新闻发布会上说，目前设想的任务太昂贵、太慢。美国国家航空航天局给了私营公司一个月的时间提交建议书，以便以更快、更经济的方式将样本运回。

作为一名研究宇宙学并撰写了一本关于早期火星任务的书的天文学家，我一直在关注着样本返回的传奇故事。火星是寻找地球以外生命最近和最好的地方，如果美国宇航局这项雄心勃勃的任务失败，科学家们将失去了解这颗红色星球更多信息的机会。

火星的宜居性

1976年，美国国家航空航天局（NASA）的首次火星表面探测任务显示，火星是一个寒冷的沙漠，如果没有厚厚的大气层保护生命免受太阳紫外线的辐射，这个星球是不适合人类居住的。但过去十年的研究表明，在几十亿年前，火星可能要温暖湿润得多。

好奇号"和"毅力号"漫游车分别表明，地球的早期环境适合微生物生命的生存。

他们在遥远的过去发现了生命的化学构件和地表水的迹象。2012年登陆火星的"好奇号"仍在工作；它的孪生兄弟"毅力号"于2021年登陆火星，将在样本送回任务中发挥关键作用。

为什么天文学家想要火星样本

美国国家航空航天局第一次在火星岩石中寻找生命是在 1996 年。科学家声称他们在火星陨石 ALH84001 中发现了微小的细菌化石。这块陨石是 1.3 万年前降落在南极洲的一块火星陨石，于 1984 年被打捞上来。科学家们对这块陨石是否真的孕育过生物意见不一，如今大多数科学家都认为没有足够的证据证明这块陨石含有化石。

在过去的 40 年里，地球上发现了几百颗火星陨石。这些陨石都是掉落到地球上的免费样本，因此尽管研究它们似乎很直观，但科学家们无法确定这些陨石来自火星的哪个地方。此外，这些陨石是在撞击中被炸离地球表面的，这些剧烈的事件很容易破坏或改变岩石中微妙的生命证据。

从一个已知过去曾是生命乐园的地区带回样本是无可替代的。因此，该机构面临着每盎司 7 亿美元的价格标签，使这些样本成为有史以来收集的最昂贵的材料。

令人信服的复杂使命

将火星岩石带回地球是美国宇航局尝试过的最具挑战性的任务，第一阶段已经开始。

毅力号已经采集了二十多个岩石和土壤样本，并将它们放置在杰泽罗陨石坑的地面上，该地区可能曾经被水淹没，孕育过生命。漫游车将样本放入试管大小的容器中。一旦漫游车装满了所有的样品管，它就会把它们收集起来，带到美国宇航局样品回收着陆器的着陆点。样本回收着陆器包括一枚火箭，用于将样本送入环绕火星的轨道。

欧洲航天局设计了一个地球返回轨道器，它将在轨道上与火箭会合，并捕获篮球大小的样本容器。然后，样本将被自动密封到一个生物封闭系统中，并被转移到地球返回轨道器的一部分--地球进入舱中。经过漫长的回家之旅，进入舱将跳伞降落到地球表面。

这项任务涉及漫游车、着陆器、火箭、轨道器以及两个航天机构的协调，其复杂的编排是史无前例的。这也是预算膨胀和时间漫长的罪魁祸首。

样本回报带来巨大财务问题

火星取样返回计划给美国国家航空航天局的预算造成了巨大缺口，威胁到其他需要资金的任务。

这项任务背后的美国国家航空航天局中心--喷气推进实验室，刚刚裁掉了500多名员工。火星取样返回号的预算可能是裁员的部分原因，但也可能是因为喷气推进实验室的行星任务过多，预算被削减。

在过去一年里，一份独立审查委员会的报告和美国航天局监察长办公室的一份报告对取样返回任务的可行性提出了深切的担忧。这些报告称该任务的设计过于复杂，并指出了通货膨胀、供应链问题以及不切实际的成本和进度估计等问题。

美国国家航空航天局（NASA）也感受到了来自国会的压力。参议院拨款委员会将 2024 财年 NASA 的行星科学预算削减了 5 亿多美元。如果 NASA 无法控制成本，这项任务甚至可能被取消。

发散思维

面对这些挑战，美国国家航空航天局（NASA）向私营企业发出了创新设计的征集令，目的是降低任务的成本和复杂性。提案截止日期为 5 月 17 日，对于这样一项具有挑战性的设计工作来说，时间非常紧迫。喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）的专家们花了十多年的时间才完成了这一计划，私营公司很难在此基础上有所改进。

在这种情况下，一个重要的潜在参与者就是商业太空公司 SpaceX。美国国家航空航天局（NASA）已经在美国重返月球的问题上与 SpaceX 合作。在"阿特米斯三号"任务中，SpaceX将尝试 50 多年来人类首次登陆月球。

然而，SpaceX 将用于 Artemis 的大型星际飞船火箭只进行了三次试飞，还需要进行更多的开发，美国国家航空航天局才会信任它运送人类货物。

原则上，"星际飞船"火箭可以在一次为期两年的任务中运回大量火星岩石，而且成本要低得多。但是，"星际飞船"也有很大的风险和不确定性。目前还不清楚该火箭是否能送回"毅力号"已经收集到的样本。

星际飞船使用发射台，回程时需要加油。但是杰泽罗环形山没有发射台或加油站。星际飞船的设计目的是载人，但如果宇航员去火星采集样本，SpaceX 将需要比目前测试的星际飞船火箭更大的星际飞船。

派遣宇航员也会带来额外的风险和成本，而且使用人员的战略最终可能会比 NASA 目前的计划更加复杂。

面对所有这些压力和限制，美国国家航空航天局（NASA）决定等待私营部门能否提出一个成功的解决方案。答案将在下个月揭晓。

作者：亚利桑那大学天文学特聘教授 Chris Impey。改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。