想探索外星海洋？看探测器如何大显神通

　　北京时间4月23日消息，我们都将地球称作“蓝色星球”，但它其实并非附近宇宙中唯一的海洋星球。木星、土星和海王星的卫星、以及矮星系冥王星和阋神星厚厚的冰层下方，都可能有海洋的存在。土卫六甚至拥有地表海洋，只不过其中装的不是水，而是液态甲烷。

　　假如太阳系中存在地外生命的迹象，也许就在这些冰封的世界中。科学家决心对土卫六和木卫二上的海洋展开探索，还设计了可在冰上移动的漫游车、以及能深入海中的潜水艇。这些仪器需要应对刺骨的严寒、与地球上的水性质不同的液体、以及其它严苛的环境条件。接下来，本文将介绍这些机器人将进行探索的两种不同外星海洋。

　　在气体海洋中遨游

　　在探索土星及其卫星的过程中，卡西尼号探测器在土卫六表面发现了数百个小型湖泊，以及三处面积和深度与五大湖类似的海洋。

　　土卫六表面还有水结成的冰，且地下可能存在水构成的海洋。但土卫六上的甲烷海洋令科学家倍感好奇，因为它们参与的循环过程与地球上的水循环十分类似。就像地球上一样，土卫六上的液体从海洋中蒸发，化为云朵，再以降“雨”的方式落回地表。研究人员希望进一步了解这一循环机制。此外，土卫六上还有大量生命所需的碳化合物与氮化合物。科学家想弄清土卫六上是否演化出了某种依赖液态甲烷的生命体，就像地球上的生命体依赖液态水一样。

　　NASA正在考虑向土卫六发送一枚浮标，让它在土卫六的海洋中随波逐流。但问题在于，这种探测器的去向将全靠风向和洋流决定。“大多数情况下，浮标漂到岸边后便会暂时留在沙滩上，下次涨潮时再重新漂起、回到大海。”约翰霍普金斯大学应用物理实验室行星科学家拉尔夫·洛伦兹（Ralph Lorenz）指出。但无法保证它每次都能顺利重回大海。

　　但潜艇则能自己决定前进方向，还能探索海面下方的情况，收集海底沉积物。NASA希望在接下来20年内将潜艇送上土卫六。潜艇发电机将利用钚等放射性物质衰变时产生的热量发电，这将成为潜艇电子元件在土卫六温度低至零下178摄氏度的海洋中顺利运作的关键。

　　要应对土卫六的严寒环境，“需要精心设计，而非物理奇迹。”洛伦兹指出，他是该潜艇的首席设计师，“放射性反应堆产生的废热便是一大关键，此外还要审慎选择泡沫隔热材料。”

　　另一大挑战在于，我们不清楚土卫六的海洋究竟由哪些化学物质构成。其中主要是甲烷（类似于地球上的液态天然气），还有少量液态乙烷和溶解在其中的氮气。但这些物质的具体比例仍不清楚，也许在每个土卫六海洋中都有所不同。因此该项目希望设计出的潜艇能在多种密度不同、黏性各异的液体中行驶。

　　工程师们对土卫六海洋中的氮气尤为重视，因为氮气可能会形成气泡、干扰潜艇行驶。如果潜艇发电机产生的部分废热渗入了环境中，便可能出现这种情况。“这部分热量不足以让周围的液体沸腾，但会导致溶解在液体中的氮气析出。”NASA格伦研究中心低温推进技术工程师杰森·哈特维格（Jason Hartwig）解释道。

　　螺旋桨在液体中旋转时也会产生气泡。哈特维格指出，每枚叶片后部都会产生一个小小的空腔，这里压力骤减，让气泡得以形成，就像打开碳酸饮料时、液体滋滋冒泡一样。[page]分页标题#e#

　　这些小小的气泡可能会导致两大问题。首先，它们会影响潜艇搭载的科学仪器，使之难以测量深度和其它指标。更令人担忧的是，这些气泡也许还会干扰潜艇螺旋桨的运行。

　　“潜艇移动时，所有气泡可能会在潜艇的末端汇集。螺旋桨再怎么转，潜艇都动弹不得，只能留在原处转个不停。”哈特维格指出，“这对地球上的潜艇来说无关紧要，因为溶解在水中的空气极少。但土卫六上就麻烦得多了，因为那里的液体温度更低，溶解在其中的气体也就更多，因此会有更多气体析出。”

　　既然我们不知道土卫六海洋的具体成分，也就无从得知其中溶解的氮气含量。为更好地了解潜艇可能遇到哪些问题，哈特维格和华盛顿州立大学的同事们在地球上“复原”了土卫六海洋。他们在实验舱中灌满比例不同的甲烷、乙烷和溶解氮气混合物，温度和气压都接近土卫六的真实环境，然后在其中放置了一枚小小的加热器，模拟真实潜艇可能释放的热量。

　　好消息是，如果潜艇只是停下来收集样本，也许用不着担心，因为潜艇释放的热量不会导致过多气体析出、干扰仪器运作。但“螺旋桨的问题还没有完全解决。”哈特维格指出。他打算用螺旋桨代替加热器重复这个实验，看看在潜艇行驶过程中会产生多少气泡。

　　准备送往土卫六的潜艇将和地球上的潜艇一样形状狭长。哈特维格表示，潜艇重量约2600磅（约合1.18吨），长约20英尺（约合6米）。但它只有在返回海面时才能与地球通信。并且该潜艇要到2040年之后才能发射，因为需要等到地球处于土卫六地平线上方时，潜艇才能直接与地球联络。

　　NASA还考虑发射一艘体积较小、呈乌龟状的潜艇。这艘“土卫六乌龟”潜艇（Titan Turtle）将配备一枚轨道探测器，将信息转发回地球。它浸没在水中时仍可与地球进行联络。并且它不需要考虑地球所处位置，因此可能早几年发射。

　　哈特维格指出，土卫六在海洋星球中可谓独树一帜。它是太阳系拥有液态海洋的星球中最容易到达的一颗。但土卫六潜水艇也能为其它探测器的设计提供灵感，帮助我们在其它星球的冰层下方展开探测任务。“我一直将土卫六视作一名探路者。”哈特维格表示。

　　在冰层下方探索

　　相比之下，木卫二的海洋便显得“遥远”许多。木卫二的表面常年受木星强大的磁场辐射炙烤，且温度低至零下173摄氏度，海洋掩藏在平均厚度8至14米的冰层下方。由于木卫二的海洋由水构成，这里被视作寻找生命、研究生命所需化学环境的绝佳目标。

　　为突破木卫二的厚厚冰障，科学家正在测试能够融化或凿开冰层、进入海中的机器人。这些机器人可携带潜水艇和能够在冰面下方行驶的漫游车，或者能沉入海中、到达海床的登陆车。一旦触及水面，这些探测器便可在0摄氏度左右的环境中运作。“这对我们的电子元件来说，其实是一个相当舒适的环境。”NASA喷气推进实验室工程师安迪·克莱什（Andy Klesh）表示，“稍微有点麻烦的是，那里的水中含盐。”

　　木卫二的海水可能和地球一样含有盐分，甚至可能咸得多。喷气推进实验室行星科学家凯文·汉德（Kevin Hand）指出。“更有挑战性的是，水中还可能还有硫酸。”这意味着探测器的电子元件有可能受到腐蚀。此外，机器人在海水中潜得越深，遭受的压强便越大。海床处的压强可能接近地球马里亚纳海沟底部的水平。[page]分页标题[/page]

　　总而言之，探索木卫二将注定是一次艰难之旅。“我们将面临深空探索和深海探索的双重挑战。”克莱什表示，“太空中有真空，冰层下有压强，一路上还有辐射……冰层将保护我们不受辐射的伤害，但到达那里之前，沿途会吃不少苦头。”

　　克莱什指出，木卫二冰层底部将是最易于展开探索的地方。克莱什、汉德和同事们正在研发一台能够在冰层底部行驶的漫游车。漫游车或深海探测器不会像潜艇一样，常受到洋流的干扰。“漫游车和登陆车将是我们展开探索的最佳方式，它们易于控制，不会乱颠乱撞。”冰层底部也是搜寻外星生命的好去处。地球上的藻类和微生物常常聚集在冰层底部。如果木卫二上存在生命，很可能也将这类地形作为落脚点。

　　克莱什及其团队正迫不及待展开搜寻。他们正在阿拉斯加的冰湖中测试漫游车BRUIE（意为“冰下探索浮力漫游车”）的性能。该漫游车的轮子装有圈状锯齿和窄嵌板，就像雪鞋一样，能够分担漫游车在冰面上的重量，防止漫游车被卡在冰中。

　　最终被送上木卫二的BRUIE漫游车将在负责凿冰的机器人引领下穿越冰层。因此漫游车的体积必须很小，长度可能还不到18英寸（约合45厘米）。克莱什计划在接下来两周内测试BRUIE漫游车的可折叠车轮，使其更紧凑、更便携。该团队还计划对BRUIE展开最大胆的测试任务，让该漫游车在没有牵引绳的情况下，独自在冰层下的海水中行驶1000英尺（约合305米）。

　　在理想情况下，木卫二漫游车也将采用没有牵引绳的设计。“每次执行任务，可能都要至少将牵引绳切断一次。”克莱什指出。不过，虽然绳子有缠成一团的风险，但到时也许还需要一根索线来传输电力和联络地表仪器。