2012年，Adam Steltzner成了工程界的明星。有賴他的團隊對探測器機動性的大膽設計，NASA的火星探測器好奇號這一年在火星表面完美著陸。而現在，Steltzner只關心一個問題：清潔。
他清潔執念的對象是一個和他的手掌差不多大小的深灰色金屬管。Steltzner的工作地點是噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory , JPL）一棟倉庫般的建築：他是NASA下一個火星探測器的首席工程師。這個金屬管就放在他辦公室的一個工作檯上。要完成這次火星探測器任務，它必須成為地球上最乾淨的物體之一。
最早在2020年7月，這個重達一噸的六輪火星車將在佛羅裡達州發射，攜帶43個這樣的金屬管開始長達七個月的火星之旅。抵達火星之後，探測器將在火星表面行駛，並用這些金屬管採集塵土、巖石或氣體。隨後，這些管子將被密封存放在火星表面，等待幾年、甚至幾十年後的另一架太空飛行器把它們帶回地球。這將會是人類把火星物質帶回地球的首次嘗試。
如果一切順利，這些樣本將會成為有史以來最寶貴的地外樣本。塞在某個金屬管裡的，可能會是證明地外生命存在的那個微生物體、生物礦物質或有機分子。
這就是Steltzner和他的團隊要做到非常清潔的原因了。一個來自地球的細胞，或者一點點其它汙染都會毀掉明確檢測到火星微生物的全部機會。因此，項目團隊正在設計一個機器人採樣系統，以保證全程沒有汙染。「我們要比有史以來的任何人都更講究乾淨，」Steltzner一邊說，一邊搖晃金屬管，就好像在把跑錯了地方的微生物甩走似的。「我們得好好設計這玩意兒。」
這次嘗試的賭注不能更高了。NASA把24億美元和火星探測項目的未來都押在了火星2020探測器上。如果這次任務能夠採集到一套無汙染的巖石樣本，且最終將這些樣本取回地球，這些樣本便將會決定太陽系科學的發展。如果計劃失敗——火星素有太空計劃墳墓的惡名——航天局就將不得不放棄數十年來的夢想。
在JPL的會議室、實驗室和潔淨室裡，科學家和工程師們正在做出此次任務中一些最為關鍵的決定。從如何在火星表面保證金屬管不過熱，到探測器在火星上每一分鐘該做什麼才能按計劃完成所有任務，他們探究和質疑著每個細節。2月是火星2020項目的關鍵階段，因為NASA將進一步篩選可能的著陸點，進行一次決定性的設計審查，項目必須通過審查才能繼續推進。到2020年發射時，任務成功與否都在一定程度上被現在的選擇所決定。
火星探測器的誕生陽光明媚的JPL依偎著洛杉磯東北部的山脈。校園裡，不穿外套的工程師們漫步在桉樹遮蔭的小徑上。其中一些人拐彎進入了一樁建築，在這裡，任務指揮員們操控著目前在火星上工作的兩輛火星車。其他人則繼續步行至179號樓——歷史悠久的航天飛行器組裝車間，無數通往月球、火星和行星際空間的任務都在這裡誕生。
現在，這裡也是2020年火星探測器成型的地方。到目前為止，這棟建築中巨大的潔淨室裡只有此次任務的一個主要部件——一個被包裹在褶皺的銀色包裝紙裡的盤狀隔熱盾。這個部件是好奇號任務剩下的，將被回收利用在新探測器上。
Mars Landscape, NASA/JPL-CALTECH/ Cornell Univ./Arizona State Univ.; Rover, NASA/JPL四年前，在2020年的火星任務公布時，NASA就大力宣傳了他們重複利用的能力。從1996年重11公斤的探路者號，到2003年重180公斤的「雙胞胎」勇氣號和機遇號，再到2012年重達900公斤的龐然大物好奇號，NASA已經成功將一系列探測器送上火星上。JPL設計製造了所有探測器，每一次新任務都意味著更複雜的設計和更大的科學野心。
但現在，從工程學角度來看，一些為好奇號任務所做的工作可以直接用在2020年火星探測器上。新探測器約85%的部分將會繼承過去的設計——底盤，動力和通訊系統，還有其它可以從好奇號上複製的元素。「我們用更少的錢辦了更多的事」，參與過數次火星探測器任務的項目副經理Matt Wallace說。
新探測器的科研部分則將重新設計：在火星上開展測量的工具，以及負責收集和儲藏巖石樣本的系統。新探測器的科學載荷將包括七套設備，都是全新或改進設計的。舉例來說，探測器桅杆上的全景照相機將擁有變焦功能，可以細緻觀測科學家感興趣的區域。探測器的雷射設備將添加更多波長，拓展探測器對巖石化學和礦物學的研究能力。探測器的機械臂將會搭載紫外線和X射線質譜儀，能比好奇號的設備更加細緻地測繪巖石。
在此次任務中，為珍貴的巖石樣本收集地質背景信息的唯一機會就寄托在這些工具上。科學家們說，地質背景信息是理解火星物質的關鍵，也是理解整顆行星的關鍵。科學家們已經擁有了數以百計的火星巖，但這些樣本都沒有地質背景信息：它們在幾百萬、甚至幾十億年前被撞離火星，成為隕石墜落到地球上。飛到火星表面、收集巖石並把它們帶回地球是為了解讀樣本採集處的火星地貌史，從而拼湊出火星的演變過程。
「我們想得到一套完美的現場記錄，一套人們在今後幾百年都會查閱的紀錄」，X射線質譜儀項目的負責人、JPL的天體生物學家Abigail Allwood如是說。「要證明生命存在，我們就要對證據做出最嚴酷、最挑剔的調查。」
尋寶這就輪到Steltzner和他的團隊登場了。他們要從零開始想像出最佳的樣本採集機制。早期的想法中不乏離譜的方案，比如安裝多條機械臂來操縱不同的科學儀器。最終，他們敲定了一套系統：探測器伸出手臂觸及巖石，然後鑽孔並提取一份重15克的樣本。探測器將牢牢封住金屬管，隨後把它們存放在探測器內。為了減少樣本暴露在火星大氣中的時間，並儘可能減少樣本汙染，整個採樣過程只用時1小時。
探測器將會攜帶足夠的供給，以裝滿並密封至少31個約14釐米長、2釐米粗的金屬管（探測器也會攜帶幾個備用金屬管，以防意外故障）。金屬管並不都是用來裝火星樣本的，一些管子將會作為「見證」管：這些管中裝滿了鋁網或陶瓷之類的材料，以捕捉環境汙染物。在飛往火星的途中，其中一個見證管將被打開，以捕捉旅途中蒸發出來的一切物質。其它見證管將會在火星表面被先後打開，用來收集在各個採樣點飄過的一切物質。之後，科學家們便能利用這些見證管來判定採集到的巖石樣本是否被汙染了，以及是何時被汙染的。
直到最近，在一個代表未來研究者的科學委員會的建議下，項目科學家Ken Farley和火星2020團隊的其他人才決定裝備這些目擊金屬管。「我們要猜測未來研究者想對收回的樣本做哪些研究」，田納西大學諾克斯維爾分校的行星地理學家、委員會理事Hap McSween說。
首先，這意味著火星2020團隊需要取回最最純淨的樣本。被製造出來、清潔烘乾，裝進火星車後，這些金屬管的內部有可能就是這顆星球上最純淨的環境了。項目副科學主管Ken Williford說：「這是對無機物質、有機物質和生物物質的三重潔淨要求，因此，製造這些金屬管非常具有挑戰性，也使得這次任務與NASA以往的其他任務相比獨一無二。」
工程師們設計了火星2020探測器的鑽孔系統，探測器將用鑽孔系統從每塊巖石中提取大約15克樣本。 Patrick Fallon for Nature
其他太空飛行器也曾達到過不可思議的潔淨度，為的是不讓其他行星被來自地球的微生物汙染。早在上世紀70年代，人們就用溶劑清洗了海盜號火星著陸器上的關鍵設備，並把它們在氦氣中放置了四天。歐洲空間局（European Space Agency）也為其ExoMars火星探測器計劃了類似的保護式清洗措施。歐洲空間局的這項任務計劃在2020年發射，目的是搜尋過往生命遺留下的痕跡。中國計劃在2020年發射第一架火星探測器，但不具備生命探測功能。
而NASA的2020任務必須要超越行星保護的常規要求，以保證最終取回地球的樣本的科學嚴謹性。在NASA華盛頓特區總部工作的行星保護官Cassie Conley稱，NASA對這些樣本的處理方式會像對阿波羅計劃帶回的月巖樣本一樣小心謹慎，甚至更為小心。
從實際操作的角度講，太空飛行器是沒有辦法做到絕對乾淨的，參與任務的科學家要決定出一個可以接受的汙染水平。有機和無機汙染物質都要被控制在特定標準下：舉例來說，一個顧問團建議每份樣本中的有機碳不超過十億分之四十。
但樣本無論如何都會被鎢汙染，因為鑽齒是用氮化鎢製成的。這意味著未來的科學家將無法利用鎢和鉿元素的放射性衰變來判斷火星巖石的年齡，而不得不從其他幾種替代方案中選擇。McSween說：「我們只能接受這個限制。」
另一個需要考慮的問題是，這些金屬管存放在火星表面、等待被接回地球時，它們的溫度會達到多少。在Farley的請求下，McSween和他的科學委員會分析了在不同溫度下，有哪些科學信息會丟失。他們的結論是，60°C是可接受溫度的上限；超過60°C時，一些有機分子就會開始降解，一些礦物質開始分解，其他變化也會對研究產生不利影響。因此，工程師們決定在金屬管外塗上一層氧化鋁來反射陽光，讓金屬管保持在60°C的閾值下。
NASA目前還沒有計劃取回樣本的任務，但一旦這些樣本抵達地球，研究者們就將擁有眾多手段來探測可能的火星生命。他們會尋找胺基酸（蛋白質的前體），以及其他複雜的有機化合物。其它證據也可能來自關鍵分子中同位素的比例，在地球上，這一信息能提供生物過程的清晰信號。研究者們還尚未商定出足以證明火星存在生命的測量數據標準，但通過對火星巖及其內部成分的一整套觀察，科學家們或許能給出一個令人信服的答案。
這並不意味著探測火星生命是一個輕鬆的任務。Farley是一位研究宇宙射線如何改變巖石化學成分的地球化學家。從專業角度看，他擔心在火星表面暴露了數百萬年後，遠古火星遺留下來的有機化合物都已經降解了。一種獲取最佳樣本的策略或許是針對特定的區域，比如火星山崖的下方：上層的巖石斷裂時，新鮮物質就能暴露出來。
NASA的計劃是在1-1.5火星年中精心選取並記錄20份樣本。這意味探測器要在許多可能的採樣地點間行駛，並從各式各樣的地理環境中選擇最有可能得到令人感興趣的信息的地點。在採集時，探測器或許會將金屬管存放在火星表面上一個或多個地點。
好奇號探測器在火星上的4.5年中只鑽了15個洞，行駛了16公裡多的距離。火星2020團隊必須比這快得多。「顯然，我們需要保持很快的節奏」，Farley說。「科學團隊不能光坐在一起討論要不要在某個地點鑽孔。」
塵埃落定歸根結底，火星2020探測器能否成功在很大程度上取決於它的著陸點。NASA正在考慮八個可能的著陸點。其中一半地點都是曾經的湖泊、三角洲，或其它長期有水和沉積物的環境，因為這些環境能保存古生物存在的證據。另一類可能的著陸點則在更古老的巖石間，在那裡，溫暖的熱泉水曾滲過火星地殼，或許在很久以前滋養過生命。加州理工學院的行星地理學家Bethany Ehlmann表示，最終決定的著陸點將會確定火星科學的研究方向。
今年二月，在加州蒙羅維亞舉行的一場學術討論會上，科學家們將進一步把著陸地點的候選名單縮小一半，並在發射前一到兩年前為NASA推薦一個最終選址。
同樣在二月，此次任務將會經歷針對所有設計環節的終審。如果通過，JPL將會繼續全心製造科學儀器、樣本採集系統和其他硬體。一旦建成，這些設備還需要在2020年七月或八月被送抵發射前通過測試。
NASA尚未決定何時將樣本取回地球。火星2020探測器之後，並沒有其它已獲得預算或已被批准的火星任務。NASA總部的管理者已經放出消息，想在2022年發射一架火星軌道飛行器，來替代已經老化的現役軌道飛行器，為未來的火星任務提供信息中轉。之後，NASA的首要目標將是把火星樣本運回地球，同時支持可能的載人火星任務。NASA正在為設計火星升空載具的早期研究提供資金，升空載具將把約為保齡球大小的樣本包送上火星軌道。隨後，一架尚未計劃的太空飛行器將會接收這個包裹，隨後把它送回地球，送入嚴密隔離的實驗室中。
Farley回憶道，他第一次認真談起把火星樣本運回地球還是上世紀八十年代末的事。那時，NASA預計這項任務可能將在十年內完成。Farley表示，從現在算起，至少還需要十年時間才能把火星樣本運回地球。「但我們至少已經開始了。」
原文以The $2.4-billion plan to steal a rock from Mars為標題
發布在2017年1月18日的《自然》新聞上
原文作者：Alexandra Witze
（本文原載於「Nature自然科研」微信號，原標題為《從火星拿石頭回地球要多少錢？NASA說，24億美元起》。澎湃新聞經授權後轉載，不允許二次轉載。）
(本文來自澎湃新聞，更多原創資訊請下載「澎湃新聞」APP)