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想探索外星海洋?看探测器如何大显神通

2020-06-29 18:59:05
图中的漫游车是日后将用于探索木卫二的探测器的早期版本。

  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。
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