本文最初发布于The Conversation。
NASA一项旨在寻找地球以外生命的关键任务——火星样本返回，正面临困境。其预算已从50亿美元飙升至110多亿美元，而样本返回日期也可能从本十年末推迟到2040年。
该任务将是首次尝试将火星岩石样本带回地球，以便科学家们分析其是否存在早期生命的迹象。
NASA局长比尔·纳尔逊（Bill Nelson）在2024年4月15日的新闻发布会上表示，该任务目前的构想过于昂贵且速度太慢。NASA给了私营公司一个月的时间提交方案，以更快、更经济的方式将样本带回。
作为一名研究宇宙学并撰写过关于早期火星任务书籍的天文学家，我一直在关注样本返回事件的进展。火星是我们在地球以外寻找生命最近、最合适的地方，如果这项雄心勃勃的NASA任务失败，科学家们将失去更多了解这颗红色星球的机会。
火星的宜居性
NASA于1976年首次登陆火星的任务显示，这颗行星是一个寒冷的沙漠，在没有厚厚大气层保护生命免受太阳紫外线辐射的情况下，不适宜居住。但过去十年的研究表明，几十亿年前这颗行星可能更温暖、更湿润。
“好奇号”（Curiosity）和“毅力号”（Perseverance）探测车都表明，该行星早期环境适合微生物生命生存。
它们发现了生命的化学构件以及远古地表水的迹象。“好奇号”于2012年登陆火星，目前仍在运行；其孪生探测车“毅力号”于2021年登陆火星，将在样本返回任务中发挥关键作用。
天文学家为何想要火星样本
NASA首次在火星岩石中寻找生命是在1996年。科学家声称在火星陨石ALH84001中发现了细菌的微观化石。这块陨石是火星的一块碎片，于13000年前落入南极，并于1984年被发现。科学家们对于这块陨石是否真的曾孕育过生命存在争议，而如今大多数科学家认为，没有足够的证据表明这块岩石含有化石。
在过去的40年里，地球上发现了数百块火星陨石。它们是掉落到地球的免费样本，虽然研究它们似乎很直观，但科学家无法确定这些陨石起源于火星的哪个位置。此外，它们是由撞击事件炸飞到火星表面的，这些剧烈的事件很可能破坏或改变了岩石中生命存在的细微证据。
没有什么能替代从已知曾经适合生命生存的地区带回样本。因此，该任务的成本高达每盎司70万美元，使其成为有史以来最昂贵的收集材料。
一项引人入胜而复杂的任务
将火星岩石带回地球是NASA有史以来最艰巨的任务，而第一阶段已经开始。
“毅力号”已经收集了二十多块岩石和土壤样本，并将它们存放在耶泽罗陨石坑的地面上，该区域可能曾经被水淹没并可能孕育过生命。探测车将样本放入试管大小的容器中。一旦探测车装满所有样本管，它将收集它们并将其带到NASA的样本回收着陆器将着陆的地点。样本回收着陆器包含一枚火箭，可以将样本送入火星轨道。
欧洲空间局设计了一艘地球返回轨道器，它将在轨道上与火箭会合，并捕获篮球大小的样本容器。然后，样本将被自动密封在生物安全系统中，并转移到地球返回轨道器上的一个地球进入舱。经过漫长的返程，进入舱将通过降落伞着陆到地球表面。
这项任务复杂的协同合作，涉及探测车、着陆器、火箭、轨道器以及两个空间机构的协调，是前所未有的。这正是预算飙升和时间线延长的主因。
样本返回任务“烧钱”
火星样本返回任务给NASA的预算造成了巨大缺口，威胁到其他需要资金支持的任务。
负责该任务的NASA中心——喷气推进实验室（JPL）刚刚裁员超过500名员工。火星样本返回任务的预算很可能是裁员的部分原因，但裁员也源于JPL的任务过多以及预算削减。
在过去一年里，一个独立审查委员会的报告和一份来自NASA监察长办公室的报告，对样本返回任务的可行性表达了严重担忧。这些报告将该任务的设计描述为过于复杂，并指出了通货膨胀、供应链问题以及不切实际的成本和时间表估算等问题。
NASA还面临国会的压力。在2024财年，参议院拨款委员会将NASA的行星科学预算削减了超过5亿美元。如果NASA无法控制成本，该任务甚至可能被取消。
跳出固有思维
面对这些挑战，NASA已向私营行业发出号召，寻求创新的设计方案，目标是降低任务的成本和复杂性。提案的截止日期是5月17日，对于如此具有挑战性的设计工作来说，这是一个非常紧张的时间表。而且，对于私营公司来说，要改进喷气推进实验室专家十多年来才完善的计划将非常困难。
一个在这种情况下可能发挥重要作用的参与者是商业航天公司SpaceX。NASA已经在与SpaceX合作，执行美国的重返月球计划。对于Artemis III任务，SpaceX将尝试在50多年后首次将人类送上月球。
然而，SpaceX将在Artemis任务中使用的巨型星舰（Starship）火箭，目前仅进行了三次试飞，在NASA信任其运送人类之前，还需要大量后续开发。
理论上，一艘星舰火箭可以在一次为期两年的任务中以低得多的成本带回大量火星岩石。但星舰也伴随着巨大的风险和不确定性。目前尚不清楚该火箭是否能够带回“毅力号”已经收集到的样本。
星舰使用发射台，并且需要为往返旅程加油。但在耶泽罗陨石坑没有发射台或加油站。星舰设计用于载人，但如果宇航员前往火星收集样本，SpaceX将需要一艘比目前已测试过的星舰火箭更大的飞船。
派遣宇航员还会带来额外的风险和成本，而使用载人策略可能比NASA目前的计划更加复杂。
在所有这些压力和限制下，NASA选择看看私营部门是否能提出一个成功的解决方案。我们将在下个月知道答案。
披露：Chris Impey获得了国家科学基金会和霍华德·休斯医学研究所的资助。
