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財經 | 產業動態

一覺醒來到火星...NASA重金贊助的十大瘋狂點子

撰文者:作者/威爾‧蓋特(Will Gater);譯者/蔡承志
BBC知識 2014.07.31 6,952
為了讓火星旅程更宜人,未來的探險人員可能必須進入「休眠」狀態。圖片提供:《BBC知識》

雄偉壯觀的星艦遨遊宇宙,猛然遭到外星人從暗處突襲;長眠的太空人不吃不喝,等待適當時機醒轉……天馬行空的科幻點子中,哪些獲得NASA 青睞,砸下重金賭上太空探險的未來?

10.彈簧式探測車

好幾台探測車借助火箭、降落傘和氣囊登上了火星,不過新一代的行星探索機器人可能會用上全新的技術。維塔斯‧桑思派羅博士(VytasSunSpiral)和他的NASA同事正在研製以束緊的纜繩固定、完全用桿子組成的機器人,期盼能把它送上土衛六。

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這種「張拉整體結構」可以配備科學儀器,也完全不需要降落傘或氣囊。桑思派羅解釋:「這種結構本身能夠適應環境,吸收強烈的衝擊震盪,所以它能夠平安著陸,保護負載物。」它不單單如此,還能移動:「著陸之後,它可以收放纜繩來引發滾動,探索行星。」

9.一覺醒來到火星

科幻作品常出現太空人在長途星際旅程休眠的概念。從《阿凡達》到《2001太空漫遊》,眾多作品用複雜的生命支持系統來代表未來的先進太空科技。如今,隨著我們把火星當成探索的目標,也有人致力要讓休眠太空人的科學幻想化為現實。約翰‧布萊佛博士(John E. Bradford)是太空作業工程公司(SpaceWorks Engineering)總裁,這家美國公司獲得資助來探究這項先驅技術。他解釋:「簡單來講,我們設法讓飛往火星的船員進入深度睡眠,在靜止狀態下度過從地球到火星的六到九個月飛航時間。」

太空作業工程團隊投入探究的「深度睡眠」做法稱為低體溫療法。「這經常用來治療頭部外傷,」布萊佛表示,「誘發這種蟄伏狀態必須降低核心體溫攝氏三到六度,還得施予溫和的鎮定劑。」這和大銀幕常見把太空人「冷凍」起來的程序很不一樣,布萊佛說明:「我們並不是想用『低溫保存』來中斷所有分子活動。我們的目標是要設法讓船員在密閉空間保持靜止狀態,度過任務的特定時段。」

為了維持太空人的生命,團隊打算取法醫學界已經使用的技術。布萊佛說明:「他們會經由靜脈導管,從稱為『全靜脈營養輸液』(TPN)的水狀溶液中獲取營養和水分。難以進食的癌症患者常會運用這種人類維生方式來獲得營養。」

布萊佛論稱,讓船員一路睡過漫長太空旅程有許多優點:「我們相信,讓船員待在這種狀態,我們就能大幅縮減太空居處的質量和體積,最終就能減少發射升空的整體質量。太空居處本身會變成非常小的艙體,裡面容納四到六名成員,分別躺在自己的睡眠艙中。相較而言,活蹦亂跳的船員使用的典型居處,必須安排空間來預備食物、吃飯、運動,還得容納科學作業站、浴廁、寢室和娛樂間。」

這說不定還對太空人的身心健康有好處。「執行火星任務時,你可以料想有一小群人被限制在非常狹窄的空間,共處非常漫長的時光,心理壓力很大,一旦出了問題還無處可逃。」布萊佛解釋,「倘若能夠讓船員在睡眠中度過高壓和無聊的時期,這許多麻煩就可以解決了。」

不過在這項技術升空之前,仍有許多研究得完成。「我相信最終這會成為首選的航行方式,」布萊佛說,「想像你睡一覺,六個月後在火星甦醒過來,毫髮無傷!」

8.3D列印備用材料

第一批上火星探索的太空人面對的任務很危險。除了沿途輻射暴露和著陸作業,他們還必須在偏遠的太空前哨艱苦度日,一旦東西出錯,很難迅速重新補給。假使在火星表面時,太空船有個關鍵元件故障,他們就慘了,因為不會有維護人員帶來備料。這個問題說不定可以仰賴NIAC的「憑空生成生物材料」專案來解決。該專案檢視如何把活細胞和3D列印結合,用來製造出太空船零件、建材,甚至製造人類組織。

7.薄片狀登陸器

2012年,NASA火星科學實驗室的好奇號成功登陸火星,那次驚心動魄的作業歷經多年規畫,動用了先進工程學,最後完全取決於著陸系統的完美表現。如今,好奇號讓我們能夠以獨特視角,一覽這顆紅色行星上最讓科學界感興趣的地點。不過要探索太陽系引人遐想的外星環境,說不定還有種做法簡單得多。

「二維行星表面登陸器」專案希望製造眾多薄如晶片的「登陸器」,可以灑在行星、月球或小行星表面。每具登陸器厚僅幾毫米,可覆蓋約一平方公尺的面積,上頭有太陽能板和通訊電子器材,以及輻射、風和溫度感應器。

登陸器上還可能搭載細薄的科學儀器,用來研究周遭環境。每趟任務預計會將數十具登陸器送上目的地,至多可能達五十具。「布署一批2D登陸器時,其中有些會成功,有些則可能失敗。結果依然是可以接受的。」專案主持人哈米德‧赫馬提博士(Hamid Hemmati)表示,「這樣一來,我們就可以在地質現象有趣的高風險地點著陸了。」

6.砸進地面來取樣

機器探測車和繞軌太空船都很適合用來探索太陽系,不過行星科學家最想要的,是從那些遙遠世界取回的樣本。把東西帶回地球可不容易。就算你的探測器順利發射,它還得一路飛去目的地, 冒著高風險著陸, 採樣後再度起飛,然後完好地穿越大氣,回到地球表面。問問NASA起源號(Genesis)的工作團隊就知道了。起源號在太空中全程飛了三千兩百萬公里,成功採得太陽風樣本,卻由於降落傘沒有展開,以時速三百二十公里栽進猶他州沙漠。

目前由美國華盛頓大學羅伯特‧溫格利教授(Robert Winglee)領導的團隊,正投入探究「砸搶式」行星取樣返回技術是否可行。這項構想是派遣探測器前往小行星或衛星,在飛越目標上空時釋放以長繩綁住的穿透器,讓它砸進表面。「若目標是小行星,繫繩只需幾公里長,衛星的話則可能需要幾十公里。」溫格利說明。當穿透器砸進表面,上頭的取樣返回囊艙就會拾起一些物質。接著探測器就會收捲繫繩,拉回囊艙,隨後就把它送上返回地球的漫長旅程。溫格利表示:「這可以大幅增進我們對太陽系起源的了解。」

5.噴絲打造大型太空船

龐大結構沿著軌道若隱若現,配備大片太陽能板的太空船在太陽系中航行─這樣的場景在科幻作品屢見不鮮。不過把龐然巨物射上太空所費不貲,而且就如國際太空站的例子,大半建造工作得由太空人來完成。

有個方法能夠避免這項麻煩。繫繩無限公司(Tethers Unlimited)的羅伯特‧霍伊特博士(Robert Hoyt)和同事投入研究,希望造出射上軌道就能自行建造的東西,他們把這項構想稱為「蜘蛛編織系統」(SpiderFab)。霍伊特解釋:「我們希望可以把線狀或條帶狀的 材料捲軸射上太空,再加工造出所需結構。」研究團隊希望結合先進的機器人科技和3D列印技術,開始製造基本繞軌結構,往後再進一步製造新一代的太空船零件。「前往火星或其他行星體的載人任務,都需要大型結構來支撐太陽能板陣列、輻射隔離罩和其他關鍵元件。」霍伊特說明,「若能把材料製成纖維捲軸或聚合物槽的緊實形式,就能夠用比較便宜的較小型火箭來攜帶升空。」

4.靠風吹動的探測車

金星的名聲令人生畏,實際上也名不虛傳。那裡有硫酸雨、極高的大氣壓力和攝氏四百六十度左右的熾熱表面溫度,環境非常嚴苛。除非別無選擇,否則行星科學家應該不會想把探測車送上金星才對吧?不過他們會,而且還想給它裝上風帆。沒錯,風帆。NASA科學家正致力研究,把「陸上揚帆探測車」派上這顆距離太陽第二近的行星是否可行。科學家表示,風帆探測車可以由微風吹動,在金星相對平坦的熔岩平原上四處滑行。研究團隊估算,倘若一切進展順利,探測車應該可以存續一個月左右。

3.反射陽光照亮暗坑

倘若人類返回月球,我們很可能會拜訪沙克爾頓撞擊坑(Shackleton)的附近地帶。那處坑洞的內部永遠籠罩在陰影之下,邊緣則幾乎始終接受陽光照耀。坑內土壤有可能含冰,或許可供未來的月球基地使用,而邊緣則是建置太陽能板的理想處所。不過由於裡面很黑,想探索沙克爾頓撞擊坑深處或其他星體的相仿特徵,恐怕會遇上困難。「極端環境轉換者」專案旨在改變這個現況,開發能把陽光向下反射、照亮黑暗的自動化輕量機具。這種類似摺紙的結構可以用來照亮撞擊坑底,加熱一小塊地面,還能用來通訊。

2.用大型氣球觀測宇宙

把望遠鏡送上軌道來研究宇宙,可能非常昂貴。目前天文學家有個法子變通:把望遠鏡接上龐大的氦氣球,讓它們飄到高空。天文學家感興趣的太空輻射中,許多波長會被地球大氣吸收;這種飄浮天文台在高空觀測宇宙,就能大致避開大氣的氣體阻隔。

大型氣球反射器(Large Balloon Reflector,LBR)把這項概念更往前推進一步。這件儀器會用上兩顆氣球,第一顆是一百公尺寬的「運載氣球」,負責把望遠鏡帶上海拔約三十九公里的高處。大氣球裡面還裝了另一顆比較小的氣球,直徑二十公尺,上頭有個十公尺寬的區域塗敷金屬,形成類似鏡子的表面,可以用來聚集星光。

LBR會以一百到三百微米的波長來研究星體,這些輻射落在「兆赫」(THz)的頻譜範圍。關鍵在於,這種輻射多半不會受到氣球材料阻隔,可以直接穿透,不過「鏡面」部分就不行了。「這些波長能提供宇宙起源的線索,讓我們更加了解大霹靂或地球本身。」亞利桑那大學的專案主持人克里斯多夫‧沃克教授(Christopher Walker)表示,「歷來升空的最大型兆赫/遠紅外線望遠鏡是赫雪爾太空望遠鏡(Herschel Space Observatory)。LBR望遠鏡的集光面積大約是赫雪爾的十倍,因此它可以針對這重要的波長探測到空前的深度。」

LBR團隊期望能用這台由龐大氣球搭載的望遠鏡,投入研究恆星和行星等天體的形成過程。

1.潛入冰洋找生命

木衛二表面下方藏了一片液態水組成的浩瀚海洋。這是天體生物學家夢寐以求的寶庫。如今由維吉尼亞理工學院蕾‧麥丘教授(Leigh McCue)主持的NIAC專案,詳盡規劃了下海探索的要件。

研究團隊希望派三艘登陸器登上木衛二表面,每艘各配備一台「穿冰機器人」(cryobot),它會融冰鑿洞,一路穿越由冰組成的地殼,抵達下方的海洋。接著三台穿冰機器人便分別釋出「滑行艇」(glider),在海中游動並詳細研究。「若想在太陽系找到外星生命,最有機會的地點就是木衛二的海洋,」麥丘表示,「這是最讓我振奮的地方。在木衛二的冰下探索,有可能徹底改變我們對生命的認識。」

【完整內容請見《BBC知識》國際中文版第34期(2014年6月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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