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冷凍機器人闖入歐羅巴海洋尋找生命跡象的概念圖。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局/JPL加州理工學院
（神秘的挖掘地球uux.cn）據美國國家航空航天局科學編輯團隊：“跟著水走”一直是天體生物學界在宇宙中尋找外星生命的口頭禪。正如我們所知，尋找水是海洋所有地球生命的基本組成部分，正如各種太空任務所發現的深入世界那樣，水在整個太陽系，挖掘也許是尋找整個宇宙中都很豐富。火星上古老的海洋侵蝕特征顯示了潮濕歷史的明確證據，正在進行的深入世界毅力漫游者的探索旨在揭示火星是否曾經擁有微生物種群的線索。然而，挖掘我們能從化石記錄中學到的尋找就只有這么多了。為了真正了解可能的海洋外星生命的本質，我們必須直接調查其源頭——液態水。深入世界
輸入“海洋世界”在過去的挖掘20年里，科學家們發現了大量的尋找冰衛星圍繞著我們太陽系的外圍大行星運行。這些衛星中的許多顯示了在其冰殼下隱藏著全球海洋的有力證據。事實上，這些衛星上的液態水可能比地球上所有海洋的總和還要多，有些甚至可能具備孕育生命的合適條件。特別是兩個衛星，由于它們適合生命生存的條件和相對容易的調查，吸引了天體生物學家的想象力:木星的衛星，歐羅巴和土星的衛星，恩克拉多斯。這兩項研究都有力地證明了一千米厚的水冰殼下存在著全球性的地下海洋——但是我們如何獲取這些液態水呢？
在過去的幾十年里，人們研究了各種海洋通道的概念，從穿過裂縫下降的機器人到各種類型的鉆機。一個已經成為主要候選的概念是冷凍機器人。低溫機器人是一個獨立的圓柱形探測器，利用熱量融化其下方的冰。融化的水在探頭后面重新凍結之前先在探頭周圍流動。熱冰鉆探如此簡單有效，已經成為研究陸地冰川和冰蓋的常用工具。但是，我們如何將這項技術轉化為一個可以穿透更冷、更厚、更不確定的行星冰殼的系統？
在過去的幾年里，這一困境一直是研究人員的核心關注點，他們中的許多人都得到了美國國家航空航天局的木衛二科學探索地下訪問機制(SESAME)和海洋世界生命探測技術概念(COLDTech)計劃的支持。2023年2月，美國國家航空航天局的行星探索科學技術辦公室(PESTO)在加州理工學院召開了一次研討會，聚集了來自全國不同領域和機構的近40名頂級研究人員，討論這項技術的成熟進展，并評估仍然存在的挑戰。最近的研究在完善我們對冰殼環境的理解、細化任務架構以及使關鍵子系統和技術成熟方面取得了重大進展。特別是，研討會的與會者確定了四個關鍵的子系統，推動了發展飛行準備架構的路線圖:電源，熱，移動和通信子系統。

圖2冷凍機器人任務剖面的概念圖。一個著陸器部署了一個核動力探測器，它融化冰殼進入下面的海洋。在探測器下降過程中，在探測器后面部署了系繩和無線收發器，以便進行通信。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局/JPL加州理工學院
首先，低溫機器人的心臟是一個核能系統，它產生融化數公里厚的冰所需的持續熱量。已經確定了各種適合低溫機器人系統的核動力系統，包括為許多深空任務提供動力的熟悉的放射性同位素動力系統(RPS)，以及可能在未來幾年開發的裂變反應堆。驅動動力系統設計的兩個關鍵限制是:(1)足夠的總功率和密度以促進有效熔化(約10 kW)，以及(2)在結構船內的集成以保護動力系統免受深海高壓的影響。這些挑戰都是可以解決的，并且有一些歷史先例:美國國家航空航天局的卡西尼任務有一個14千瓦的熱動力系統，幾個放射性同位素熱電發電機(RTG)在1960年代和1970年代被部署到海底，作為導航信標的電源，其工作壓力與歐洲海洋相當。然而，低溫機器人的動力系統將需要在整個任務概念的成熟過程中與能源部的一致努力和密切合作。
第二，需要熱管理系統來管理由機載核動力系統產生的熱量，維持安全的內部溫度，并將熱量分配到環境中以實現高效的性能。該系統需要兩個獨立的泵送流體回路:一個通過嵌入皮膚中的通道循環內部工作流體，另一個通過周圍環境循環融化的冰水。其中一些技術已經在縮小和全尺寸下進行了演示，但還需要更多的工作來驗證在外太陽系預期的冰條件范圍內的性能。
此外，木衛二和土衛二的冰殼將包含塵埃和鹽等雜質，當這些雜質足夠集中時，可能需要輔助系統才能穿透。“水噴射”和機械切割的結合已經被證明可以有效地清除從探針下面的細小顆粒到固體鹽塊的碎片。一些雜質，如較大的巖石、空隙或水體，可能仍然無法穿透，這需要cryobot整合一個向下看的地圖傳感器和轉向機制——這兩者都已經在陸地原型中得到演示，盡管尚未成為一個集成系統。高度優先的未來工作包括對結冰環境進行更嚴格的概率定義，以量化潛在移動危險的可能性，以及在類似飛行的cryobot系統上對危險緩解系統進行綜合演示。Europa Clipper還將提供關鍵觀測數據，以限制低溫機器人危害的普遍性和特征。
最后，cryobot任務需要通過冰殼建立強大而冗余的通信鏈路，以使著陸器能夠將數據中繼到軌道中繼設備或直接傳輸到地球。光纜是與陸地融化探針和深海航行器通信的行業標準，但需要仔細驗證才能通過活躍的冰殼部署。冰在這些外殼中的移動可能會使電纜斷裂。約翰·霍普金斯應用物理實驗室的凱特·克拉夫特博士領導的一個小組一直在研究嵌入冰中的繩索在冰剪切事件中斷裂的傾向，以及減輕這種斷裂的方法。雖然這項研究的初步結果非常令人鼓舞，但其他團隊正在探索通過冰進行通信的無線技術，包括射頻、聲學和磁性收發器。這些通信系統必須集成到探測器的后端，并在下降過程中使用。目前由美國國家航空航天局酷迪科技項目資助的項目正朝著解決通信系統的關鍵風險邁出第一步。未來的工作必須在更廣泛的條件下驗證性能，并在低溫機器人上展示集成。
雖然電力、熱、移動和通信子系統占據了中心位置，但研討會參與者還討論了其他關鍵系統和技術，這些系統和技術需要成熟才能實現cryobot任務。這些主題包括集成儀器套件，具有液體取樣和面向外的孔，行星保護和消毒策略，減輕腐蝕的材料選擇，冰錨定機制和自主性。然而，這些技術都沒有被確定為cryobot任務概念路線圖中的主要風險或挑戰。
總的來說，講習班參加者的一致結論是，這一任務概念仍然是可行的，在科學上是令人信服的，并且是在海洋世界現場直接尋找生命的最合理的近期方式。持續的支持將使科學家和工程師在為未來的任務機會準備低溫機器人方面取得更大的進展。直接探測另一個世界的生命的可能性似乎比以往任何時候都大。
這項研究是在美國國家航空航天局(80NM0018D0004)的合同下，在加州理工學院噴氣推進實驗室進行的。
項目負責人Benjamin Hockman博士，加州理工學院噴氣推進實驗室
贊助組織美國國家航空航天局行星探索科學技術辦公室