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怀揣强大的“心”,科学家准备重返金星

2020-02-03 00:55

上世纪90年代,NASA麦哲伦轨道器穿云雷达显示,金星表面存在随机的少量陨石坑,研究人员推测,也许是5亿年前的大量岩浆喷发灾难磨平了岩石表面,并认为从此金星“已死”。

每个任务将把压力容器投入金星大气中,以此在降落过程中测量其大气中的化学物质,并用激光或钻头在登陆金星表面后的几个小时内进行岩石采样。

美国国家航空航天局格伦研究中心的电气工程师菲尔:诺德克,正盯着电脑显示器上的紫色和绿色波形。工作室密封门后,放着14吨重的超高压密封不锈钢罐。在这个极端环境实验装置中,正在进行为期33天的不间断运行实验——模拟金星460摄氏度的高温环境,并在二氧化碳的压力下让液体和气体处于超临界状态。不锈钢罐里,两个微型芯片以准确的节拍跳动着,这是诺德克在测试的一台钟表,它始终保持着完美的跳动。

在一个并不被看好的城市,在一个并不被看好的美国宇航局的实验室里,研究人员正在围绕着一个本不应该被忽视的星球认真思索。金星和地球是一对“表兄弟”,它们在构成和大小上最为接近,但数十年来前者一直被遮掩在面纱之下。自1989年起,NASA就再没向那里派过任务;而更近一些的欧洲和日本的人造卫星,在很大程度上只是暂时在该星球厚厚的硫云层外停留过。自1985年以来,没有任何一艘飞船再在金星上着陆。恶劣的环境和缺乏资金使得地球最近的邻居——金星在感觉上比以往任何时候都更遥远。

如果探测器芯片具备长期逗留金星的潜力,科学家的梦想似乎就触手可及了。格伦实验室的工程师近年来热衷于用新型半导体构建耐热电子设备,以及将传感器放置在喷气发动机内。正是这些积累,帮助开发出探索金星的碳化硅芯片等耐高温元器件。

分析大气中无反应惰性气体的同位素可以给科学家提供一扇窗,了解金星是否在一开始像地球一样有大量的水,以及金星内部是否仍然隐藏着水。正如一些研究人员推测的那样,探测岩石成分可以揭示被称为“嵌入体”的略微升高的区域是否是各大陆留下的痕迹。

此外,金星的实例证明,在恒星“宜居区”轨道运行的星球未必适合生存。了解金星的大气层如何失控、海洋如何蒸发等过程,可以帮助天文学家研究系外行星的宜居性。

Neudeck和同事在帮助驱动一项技术跨越,它将彻底改变对金星的探索,在火星上也可以应用。在接下来的10年里,NASA也许能在金星上登陆一些简单的不受保护的机器人,它们可以测量风速、温度、化学、压力和地震波。而且,这些登陆的机器人可以在金星上停留几个月,而不是几小时。Neudeck说:“我们没有世界上最快的芯片,也没有世界上最复杂的芯片。但就金星的环境而言,我们获得了最坚实耐用的芯片。”如果这些芯片能达到它们的潜能,科学家在金星上长期停留的梦想或许最终将触手可及。

然而,登陆金星的难度仍然不容小觑。NASA喷气推进实验室的一个研究小组正在探索让几乎不用电子设备的纯机械动力车在金星上着陆。当发现格伦实验室一直不懈研究传感器等电子元件的能力极限时,他们开始思考在其机械动力着陆器的设计上,能否增加这种能“久经考验”的碳化硅芯片。

通过追踪大气,它看到持续约1年的二氧化硫的4倍峰值——或许一种皮纳图博式火山大规模爆发的迹象。通过以特定波长的光线穿过云层,金星快车似乎能分辨出类似火山地貌附近的异常黑暗的地形——这类似于地球上新熔岩的样子。在任务接近尾声时,金星快车在一座火山一侧的裂缝中观测到了几百摄氏度的高温。“这让我们认为金星应该是活跃的。”Wilson说。

然而,金星又是如此重要。英国牛津大学行星科学家科林:威尔逊说:“讨论与地球大小相当的岩石行星,只能是金星。”金星上有活火山,还曾经拥有海洋和大陆的特征,陆地构造板块漂移和覆盖着厚厚云层也与地球如此相像,研究金星对了解生命进化至关重要。

此外,由喷气推进实验室科学家Suzanne Smrekar提出的第三个“新前沿”任务,将采取一种更不寻常的方式:用在轨雷达和光谱仪探测金星表面的成分,即用一个小型探测器俯冲到大气中捕捉气体并进行同位素分析。

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今年9月,NASA格伦研究中心电气工程师Phil Neudeck坐在一个显示器前盯着面前的紫色和蓝绿色的波形。那是他观看邻居金星的窗口。在密封的门后面,有一个14吨重的不锈钢罐,其巨大的端口被密封着,为了确保罐内的极高压力,固定其螺母的螺丝还有自己的螺母。连续33天,格伦极端环境装备不停地运行着,它模拟了460摄氏度高温、充满压力处于超临界态的二氧化硫的大气环境。罐子里有两个微型芯片,它们在有节奏地脉动着。Neudeck在根据金星时间操作它,一切时间都刚刚好。

重点考察“金星是否活跃”

该舱室很快便在压力测试和基础科学方面证明了它的价值。去年,Neudeck的芯片在GEER中度过了21天,这或能改变金星探索的进程。从那以后,NASA已经资助Kremic的团队为长期登陆者探索3个不同的概念。由喷气推进实验室机械工程师Jonathan Sauder领导的团队一直在研制一种类似钟表发条的探测器以探索金星表面,它几乎没有电子设备。马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的Lori Glaze说:“我认为,能够登陆或探索金星表面绝对处于未来视野之内。”

在NASA格伦极限环境装置中进行高温高压测试的计算机芯片,有望帮助制造长寿命的金星着陆器。来源:《科学》杂志官网

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“馅饼是有限的,金星探测要想分得一杯羹,必须在现有设想基础上,推演真正可操作的计划。”NASA金星探测分析组主席、博尔德市西南研究所地球物理学家鲍勃:格里姆如是说。(科技日报北京11月23日电)

今年晚些时候,该机构将宣布参加下一个10亿美元的“新前沿”任务的决赛名单;在十多个候选项目中,有3个项目的目标是金星。但它们面临着激烈的竞争,包括与重返土星卫星——土卫二和土卫六的竞争,卡西尼任务表明那里可能拥有生命。

自1985年以来,只有前苏联的金星着陆器“穿着”盔甲着陆金星,但仅仅几个小时之后,就因其表面的深海压力和炼狱般的温度而“葬身”。由于恶劣条件和资金的缺乏,抵达这个地球最近的邻居竟然比任何其他星球都更显遥远。

图片来源:NASA PHOTO

金星是地球的表亲,大小与地球接近。但1989年以后,NASA的探索任务表上再未排出金星的名字,而欧洲和日本最近进行的任务也停滞不前,很大程度上是因为金星有厚厚的硫磺云层阻隔。

与此同时,在克利夫兰,最新的耐力测试已经结束。Neudeck报告说,他的芯片可以在整个过程中发挥作用,而且可能会运行得更久。他很有信心,未来有一天,类似这样的装置将能勇敢地降临在“地狱”般的金星表面。在一切准备好之前,他会一直对其进行测试,为隔壁的“小地狱”标记时间。

今年晚些时候,NASA将宣布下一个数十亿美元的“新疆界使命”规划,十几个候选项目中,有三个目标直指金星,但要脱颖而出,还要面临激烈的竞争——包括土卫二和土卫六探测计划。

计算机芯片在美国宇航局格伦极端环境装备中进行高温高压测试,它或许能用于长期金星着陆器。

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