深入挖掘寻找海洋世界的生命

2023年2月，来自全国各地的研究人员聚集在NASA主办的研讨会上，讨论低温机器人任务概念的最新进展和路线图，以钻穿木卫二和土卫二的冰壳并寻找生命。

“跟随水流”一直是天体生物学界在宇宙中寻找外星生命的口头禅。正如我们所知，水是所有地球生命的基本组成部分，并且正如各种太空任务所发现的那样，水在整个太阳系甚至整个宇宙中都丰富。

火星上古老的侵蚀特征显示出潮湿历史的明显证据，毅力号火星车正在进行的探索旨在揭示火星是否曾经存在微生物群的线索。然而，我们能从化石记录中学到的东西只有这么多。为了真正了解可能存在的外星生命的本质，我们必须直接调查源头——液态水。

进入“海洋世界”。在过去的二十年里，科学家们发现大量的冰卫星围绕太阳系的外巨行星运行。许多这些卫星都显示出强有力的证据表明其冰壳下蕴藏着全球海洋。事实上，这些卫星的液态水可能比地球上所有海洋的总和还要多，有些卫星甚至可能拥有孕育生命的合适条件。

尤其是木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二，这两颗卫星因其适合生命存在的条件和相对容易的研究而吸引了天体生物学家的想象力。两者都显示出强有力的证据，表明在数公里厚的水冰壳下存在着全球性的地下海洋，但​​我们如何才能获取这种液态水呢?

在过去的几十年里，人们对进入海洋的各种概念进行了研究，从通过裂缝下降的机器人到各种类型的钻机。冷冻机器人是一个已成为主要候选者的概念。低温机器人是一种独立的圆柱形探针，利用热量融化其下方的冰。然后融化的水在探头周围流动，然后在探头后面重新冻结。

热冰钻探如此简单有效，已成为研究陆地冰川和冰盖的常用工具。但我们如何才能将这项技术转化为能够穿透更冷、更厚、更不确定的行星冰壳的系统呢?

在过去的几年里，这一困境一直是研究人员关注的焦点，其中许多人得到了美国宇航局欧罗巴科学探索地下访问机制(SESAME)和海洋世界生命探测技术概念(COLDTech)项目的支持。2023年2月，NASA行星探索科学技术办公室(PESTO)在加州理工学院召开了一次研讨会，来自全国各地不同领域和机构的近40名顶尖研究人员聚集在一起，讨论该技术成熟的进展并评估挑战剩下的。

最近的研究在加深我们对冰壳环境的理解、详细说明任务架构以及成熟关键子系统和技术方面取得了重大进展。特别是，研讨会参与者确定了推动飞行就绪架构开发路线图的四个关键子系统：电力、热力、移动性和通信子系统。

首先，低温机器人的核心是一个核动力系统，它产生融化数公里厚冰所需的持续热量。已经确定了适合低温机器人系统的各种核动力系统，包括为许多深空任务提供动力的熟悉的放射性同位素动力系统(RPS)，以及未来几年可能开发的裂变反应堆。

推动电力系统设计的两个关键限制是：(1)足够的总功率和密度，以促进高效熔化(约10kW)，以及(2)集成在结构容器内，以保护电力系统免受深海高压的影响。海洋。

这些挑战都是可以解决的，并且有一些历史先例：NASA的卡西尼号任务有一个14kW的热动力系统，并且在20世纪60年代和1970年代将多个放射性同位素热电发电机(RTG)部署到海底作为导航信标的电源，它的运行压力与欧洲海洋相当。

然而，在整个任务概念的成熟过程中，低温机器人动力系统将需要与能源部的共同努力和密切合作。

其次，需要一个热管理系统来管理机载核电系统产生的热量，维持安全的内部温度，并将热量分配到环境中以实现高效性能。该系统需要两个独立的泵送流体回路：一个通过嵌入皮肤的通道循环内部工作流体，另一个使融化的冰水与周围环境循环。

其中一些技术已经在缩小尺寸和全尺寸下进行了演示，但需要做更多的工作来验证在太阳系外预期的冰条件范围内的性能。

此外，木卫二和土卫二的冰壳将含有灰尘和盐等杂质，当这些杂质足够集中时，可能需要辅助系统才能穿透。事实证明，“水射流”和机械切割的结合可以有效清除探头下方的碎片，从细颗粒到固体盐块。

一些杂质，如较大的岩石、空隙或水体，可能仍然无法穿透，这就需要低温机器人结合一个向下看的测绘传感器和转向机构——这两者都已在地面原型中得到了演示，尽管尚未在集成系统中得到验证。

未来的高度优先工作包括对冰冷环境进行更严格和概率性的定义，以量化潜在移动危险的可能性，以及在类似飞行的低温机器人系统上综合演示危险缓解系统。EuropaClipper还将提供关键观察结果，以限制低温机器人危险的普遍性和特征。

最后，低温机器人任务需要通过冰壳建立强大且冗余的通信链路，以使着陆器能够将数据转发到轨道中继资产或直接转发到地球。光纤电缆是与陆地融化探测器和深海航行器通信的行业标准，但需要仔细验证是否可以通过活跃的冰壳进行部署。这些贝壳中冰的移动可能会破坏电缆。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的凯特·克拉夫特博士领导的一个团队一直在研究嵌入冰中的系绳在冰切变事件中断裂的倾向，以及减轻这种断裂的方法。虽然这项研究的初步结果非常令人鼓舞，但其他团队正在探索通过冰进行通信的无线技术，包括射频、声学和磁性收发器。这些通信系统必须集成到探测器的后端并在其下降过程中部署。

目前由NASACOLDTech计划资助的项目正在朝着解决通信系统的关键风险迈出第一步。未来的工作必须在更广泛的条件下验证性能，并展示在低温机器人上的集成。

虽然电力、热力、移动和通信子系统占据了中心舞台，但研讨会参与者还讨论了其他需要成熟才能实现低温机器人任务的关键系统和技术。

这些主题包括集成仪器套件，可容纳液体采样和朝外的孔径、行星保护和灭菌策略、减轻腐蚀的材料选择、冰锚机制和自主性。然而，这些技术都没有被确定为低温机器人任务概念路线图中的主要风险或挑战。

总体而言，研讨会参与者一致认为，这一任务概念仍然可行，在科学上具有说服力，并且是直接在海洋世界原位寻找生命的近期最合理的方法。

持续的支持将使科学家和工程师能够在为未来的任务机会准备低温机器人方面取得进一步的进展。直接探测另一个世界生命的潜力似乎比以往任何时候都更有可能。