环绕木星和土星运行的卫星远离太阳的温暖。它们大多数没有大气层，许多被数英里厚的冰层覆盖。它们也是我们在我们自己的太阳系中寻找生命的最佳选择。在冰封的外壳下是广阔的海洋，美国及其他地区的航天机构正在努力制造有一天能访问它们的机器人。
“过去，我们认为金星和火星之间有一个‘宜居地带’，那里有液态水，……这是太阳系中唯一能找到生命的地方，”哈里·纳亚尔（Hari Nayar）说，他是NASA喷气推进实验室（位于加利福尼亚州帕萨迪纳）一个专注于海洋世界机器人技术的团队的负责人。然而，木星的欧罗巴卫星和土星的恩塞拉多斯卫星似乎拥有生命的必备要素——充足的液态水、食物以及来自深海热液喷口的能量。
这种生命，如果存在，将不容易到达。它最有可能在寒冷外星海洋的深处游动。但一旦航天器远赴外太阳系并成功登陆欧罗巴或恩塞拉多斯，它仍然会远高于这些水域。机器人探测器将不得不深入冰层，在几乎与液氮一样寒冷的恶劣环境中钻探。
有几种方法可以打破这个冰雪堡垒。NASA最近宣布，它正在测试将要探索冰冷世界的新型机器人原型，其中包括一个将冰切碎并在其温暖的内部加热碎屑的探测器。德国的研究人员一直在开发一种能够融化其路径上任何冰的机器人。而这不是唯一的想法。
这些机器人的工程师们也不会满足于一个只能向下挖掘的探测器。他们的创造物除了挖掘数月或更长时间外，还必须进行导航并将样本发送回地表。以下是这些勇敢的探测器将如何应对冰世界并寻找生命。
下方有什么
如果欧罗巴或恩塞拉多斯存在生命，那将是微小的。“那里可能没有鲸鱼、巨型乌贼，甚至连小的管虫之类的东西，”喷气推进实验室的行星地质学家辛西娅·菲利普斯（Cynthia Phillips）说。“我们认为能量不足以支持多细胞生命。”
但是海底热液喷口将是外星微生物的有希望的栖息地（也是地球生命可能起源的生态系统类型）。而且无论这些热液喷口在哪里，如果它们孕育生命，那么生命的痕迹将传播得很远。
“在地球的海洋中，如果你取海洋中的任何一立方米水，它[可能]含有来自地球上大多数生物的遗传物质，”喷气推进实验室的航空航天工程师布莱恩·威尔科克斯（Brian Wilcox）说。同样的情况也应该适用于欧罗巴或恩塞拉多斯的海洋。因此，当我们的探测器最终到达海洋时，它们捕获的任何水滴都应该具有启发性。
“如果你拥有足够好的仪器，能够以非常低的浓度找到东西，那么如果存在生物分子，你几乎就可以确定会找到它们，”威尔科克斯说。
然而，这确实对我们能发送的探测器提出了一些限制。由于机器人按照定义是要寻找生命，因此它必须遵守严格的规定，以避免将地球微生物带上旅程。在着陆之前，它将以如此高的温度进行灭菌，以至于没有任何东西能够存活——甚至现代电子设备也不能。“你可以制造一个120年前使用的类型的电机，全部用今天的材料制成，它将能够经受住这次烘烤，”威尔科克斯说。
着陆器可以免于这种最严酷的净化，因为它永远不会接触到海洋。因此，真正控制探测器并分析其收集的水的电子设备很可能就位于此处。“探测器就像是挂在绳子末端的木偶，它本身没有智能，”威尔科克斯说。“我们必须把行星保护放在最前面，因为这确实是所有问题中最难的。”
切割和分片
在地球上，我们使用钻头或探测器深入南极和格陵兰岛等地的厚冰层，这些钻头或探测器通过加热周围的冰直到融化来不断深入。
“几乎不可能[想到]我们能将钻井设备运送到冰冷的卫星上，”德国亚琛应用科技大学的航天工程学教授伯恩德·达赫瓦尔德（Bernd Dachwald）说。
而且冰的温度比冰点低几百摄氏度。“它基本上会吸收所有热量，”纳亚尔说。他和威尔科克斯以及他们的同事们设想的探测器将热量保留在内部，这样就不会散失。
探测器使用旋转的电锯切割冰层，并使用打桩机将自己更深地打入孔中。探测器可以通过在一侧比另一侧切割更深的冰来转向。同时，冰屑被抛入探测器的绝缘体内部进行熔化。“探测器的整个主体基本上是一个真空瓶，就像保温瓶一样，可以让你一整天都保持饮料的温暖，”威尔科克斯说。
热量将来自钚（为好奇号探测车和其他航天器提供动力的那种，而不是制造核武器的那种）。它融化的大部分水将从后面泵出。但探测器还可以将水样收集在微小的罐子里，并通过其系绳内的铝管将它们射回地表。
一旦融化的水重新冻结成冰，它就会将系绳固定在那里。这意味着探测器必须携带自己的电缆，而不是从地表拖拽。这也意味着探测器无法被拖回地表。“这是它必须绝对毫无疑问地进行灭菌的另一个原因，因为它将永远在那里，”威尔科克斯说。
像鼹鼠一样行动
另一款将前往冰冷世界的探测器是IceMole，它正在为德国宇航中心（DLR）的恩塞拉多斯探测器项目开发。它长约6.5英尺，不像它毛茸茸的名字那样小巧，尽管其设计者正计划在未来几代将其做得更短更轻。他们已经在南极和其他冰冷地区测试了它的钻探能力。
IceMole主要是一个融冰探测器，这意味着它将通过加热融化冰层。这需要大量的能量，所以探测器很可能会从地表一个冰箱大小的核发电机获取电力。然而，机械鼹鼠也配备了一个冰钻。“这种力将熔化头牢牢地压在冰上，所以你总是有很好的热接触，”达赫瓦尔德说，他花了多年时间设计和改进这个探测器。
常规融冰探测器的一个问题是，嵌入冰中的灰尘或沙子会沉到底部融化的水中，并在机器人前方堆积。最终，探测器将面临一团它无法融化的泥浆，并卡住。IceMole可以避免这种灾难，因为它的冰钻可以将其拖过肮脏的冰。它的设计者已经在南极洲霍尔湖的土壤和富含沉积物的冰中测试了该探测器——IceMole速度变慢了，但并未停止。方便的冰钻也是空心的，因此可以吸入样本。
与NASA提出的机器人一样，IceMole也可以改变方向。通过将更多的热量导向其熔化头的一侧，IceMole可以被强制弯曲。“它们不如真正的鼹鼠好，但我们的转弯半径约为10米，这应该足以避开大型障碍物，”达赫瓦尔德说。
它将使用几种不同的仪器进行导航，甚至可以向上融化。这意味着，也许，IceMole可以找到回到地表的方法。
敌对环境
除了严酷的寒冷之外，欧罗巴和恩塞拉多斯都不是宜居之地。在表面活动的机器人将承受这些极端条件的冲击。
首先，它们离太阳太远，无法依靠太阳能。而且冰可能不容易行驶。人们认为欧罗巴和恩塞拉多斯会喷射出水蒸气羽流，这些羽流会冻结并像微小的颗粒一样落到地面。“这种物质会像沙漠中的沙丘一样，不会粘在一起，所以你很容易沉下去，”纳亚尔说，他的团队正在设计一种类似于沙丘越野车的轻型漫游车。
欧罗巴受到木星磁场的辐射轰击，这会在10分钟内杀死一个未受保护的人。这对机器人来说也不太好。“地表基本上就是被带电粒子辐射轰击，这对任何类型的地表航天器都将非常具有破坏性，”菲利普斯说。
地面上的任何机器人都需要屏蔽来保护它们免受这种攻击。对于深埋在冰层下的探测器来说，这似乎不是问题，因为它们有冰层保护。但它们仍然需要依赖地表的设备，而这些设备必须在探测器缓慢穿透数英里冰层期间保持运行。
而且冰本身也会带来挑战。它很可能不是纯水。“问题是我们不知道这些物质的真实成分将是什么，”纳亚尔说。机器人可能需要避开岩石或裂缝，或者遇到腐蚀性化学物质，如硫酸。
“要让某个东西在冰层中、在未知的环境中工作数月甚至数年，而最轻微的故障都可能导致任务失败，这极具挑战性，”达赫瓦尔德说。
NASA可以派遣探测器到南极或格陵兰岛等地方进行现场测试，以确保它们符合要求。但与欧罗巴或恩塞拉多斯相比，这些冰冷的荒野简直是小菜一碟。工程师们必须在实验室中模仿冰冷世界的一些最严酷的条件，使用特殊的冷藏和真空室以及超冷冰床。
尽管存在麻烦，但穿过冰层也有其好处。探测器不容易融化固体岩石。“我们确实想熔化冰，因为处理液态水非常容易，”威尔科克斯说。
而且探测器在旅途中收集到的任何样本都易于筛选。“在火星或月球这样的地方，当样本是岩石样本时，你必须……分解岩石才能研究其中的成分，”菲利普斯说。冰样本只需加热。“这是将冰与非冰物质分离的简便方法。”
适合探索
尽管欧罗巴和恩塞拉多斯如此诱人，但我们不必将探索范围局限于这两个卫星。地球之外还有许多可能存在水的星球——火星、大行星、冥王星，以及土星的泰坦卫星或木星的盖尼米德和卡利斯托等卫星。“外太阳系中有数十个星球，你可以使用非常相似的体系结构，”菲利普斯说。
相同类型的着陆器、漫游车以及最终的探测器都可能将所有这些世界掌握在我们手中。这项技术确切的样子仍然不确定。“我们还没有一个比其他所有解决方案都更好的成熟解决方案，”纳亚尔说。“这是一个与我们去过的任何其他地方都非常不同的环境。”
我们将从卡西尼号和计划中的欧罗巴快帆号等任务中获得更多关于这些遥远世界的信息。这将使设计未来深入其冰层下方的探测器更加容易。
这些机器人登陆欧罗巴或恩塞拉多斯还需要很多年；前往欧罗巴的探测器可能要到2028年之后才会发射。但这并不意味着太空探测器不能帮助我们更好地处理就近的问题——我们在地球上还有很多冰的研究可以做。“如果你只投资技术演示而不进行任何科学研究，那将有点可悲，”达赫瓦尔德说。他和他的团队已经使用IceMole在南极洲的血瀑布（Blood Falls）采样细菌，那里的冰下盐水储层充满了被隔离了100多万年的、了解甚少的细菌。
而且我们还有很多机会同时测试探测器的太空适航性并使其投入使用。在南极冰盖下，还有一些湖泊尚未被探索。我们仍然不知道生命在冰中的延伸范围有多远，或者它们在这些冰封的荒野中能很好地生存。达赫瓦尔德说：“如果我们想知道生命是否可以在其他行星和卫星的冰中存在，我们必须找出地球上生命在冰中的孕育条件。”
