我们知道地球是蓝色星球，但它并不是我们周围唯一拥有海洋的星球。在绕木星、土星和海王星运行的卫星，以及矮行星冥王星和阋神星的厚冰壳下，可能隐藏着海洋。土星的卫星泰坦甚至在其表面拥有液态海，尽管它们是由甲烷而非水构成的。
如果我们的太阳系中有任何地方可能存在生命迹象，那很可能就是这些寒冷的世界。科学家们决心探索泰坦和木星的卫星欧罗巴的遥远海洋，并正在设计能够抓冰的漫游车和潜艇，以便潜入它们神秘的深处。他们将不得不应对刺骨的寒冷、与地球上我们习以为常的水不同的液体，以及其他恶劣条件。
以下是这些坚固的机器人将如何探索两种截然不同的外星海洋。
探索气态海洋
在探索土星及其卫星的任务期间，卡西尼号航天器在泰坦表面发现了数百个小湖泊，以及三个与五大湖大小和深度相似的海洋。
泰坦的表面也有水冰，并且在其地壳下可能埋藏着一个水海洋。但其甲烷海之所以引人入胜，是因为它们是与我们地球上的水循环相似过程的一部分。就像在我们自己的星球上一样，泰坦上的液体从海洋蒸发，形成云，然后又以降雨的形式落下。研究人员希望更多地了解这个甲烷循环是如何运作的。此外，可能支持生命的碳和氮化合物在泰坦上非常丰富；科学家们希望调查某种生命形式是否可能像陆地生命依赖水一样，进化到依赖液态甲烷。
美国宇航局曾考虑发送一个浮标在泰坦的海面上漂流。一个缺点是这个胶囊将任由风和洋流摆布。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家拉尔夫·洛伦兹在电子邮件中说：“最有可能的是，一个遇到海岸的浮标会被搁浅，并可能随着潮汐被重新浮起。”尽管如此，也不能保证它能回到海里。
另一方面，潜艇可以自行设定航向，能够探索海面以下并采集海底沉积物。美国宇航局希望在未来 20 年内向泰坦发送一艘潜艇。它的发电机——将由放射性物质衰变产生的热量驱动，例如钚——将是保持潜艇电子设备在泰坦约零下 290 华氏度的海洋中温暖的关键。
洛伦兹说，处理泰坦的低温条件“需要精密的工程设计，但不需要物理上的奇迹”。他是这艘潜艇的总设计师。“放射性同位素电源产生的废热是其中至关重要的一部分，再加上……一些明智的泡沫隔热选择。”
另一个挑战是我们不知道泰坦海的确切化学成分。它们主要是甲烷——类似于地球上的液化天然气——以及少量的液态乙烷和溶解的氮气。但这些成分的确切比例尚不清楚，并且在泰坦的不同海洋之间可能会有很大的差异。因此，该项目正在设计一艘潜艇，能够航行在一个密度和粘度尚未确定的液态区域。
工程师们特别担心泰坦海中的氮气，它可能会形成气泡，干扰潜艇的导航。当船舶发动机产生的一些废热渗入周围环境时，这可能会发生。美国宇航局格伦研究中心的低温推进工程师杰森·哈特维格说：“这种热量不足以煮沸周围的液体，但我们认为足以使溶解在液体中的氮气逸出。”
哈特维格说，螺旋桨本身在液体中搅动时也可能产生泡沫。在每个叶片后面都有一个小空腔。压力的降低会给气泡的形成提供机会，这类似于打开一罐汽水时会冒泡。
所有这些微小气泡可能会导致两个大问题。首先，它们可能会干扰潜艇的科学仪器，使其更难测量深度和其他条件。更令人担忧的是，气泡可能会阻止潜艇螺旋桨正常工作。
哈特维格说：“如果我们想从海洋的一个地方移动到另一个地方，所有这些气泡会聚集在潜艇的后部吗？”“你试图转动螺旋桨，但车辆却无法移动，它只会原地打转。”
哈特维格继续说道：“对于地球上的潜水器来说，这种泡沫现象根本不是问题，因为水中溶解的空气量非常非常少。”“泰坦上的压力更高，而且因为液体更冷，所以更多的气体溶解在液体中，这意味着可以逸出更多的气体。”
由于我们不知道泰坦海的确切化学成分，因此不确定它们含有多少氮气。为了更好地了解潜艇可能会遇到什么，哈特维格和他在华盛顿州立大学的同事们在地球上重现了泰坦的海。他们在一个测试室中装满了不同比例的甲烷、乙烷和溶解的氮气，温度和压力都与泰坦相似，然后加入了一个小加热器来模拟实际潜艇产生的热量。
好消息是：如果潜艇为了采集样本而停止移动，它可能不必担心。该团队在 2 月份的《*流体相平衡*》杂志上报道，它可能不会产生足够的热量来产生足以阻碍其仪器的起泡量。然而，哈特维格说：“我们还没有排除螺旋桨问题。”他打算用螺旋桨代替加热器重复实验，以了解潜艇在泰坦海航行时可能面临多少泡沫。
我们将送往泰坦的潜艇可能拥有我们在地球上常见的长而细的形状。哈特维格说，这种类型的车辆重约 2,600 磅，长约 20 英尺。然而，它需要返回海面才能与地球通信。它还需要等到 2040 年代才能抵达，届时地球将高高地悬挂在泰坦的地平线上，为潜艇提供一条通往我们星球的直接视线（和通信）线路。
美国宇航局还在考虑发送一艘更小的、海龟形状的潜艇。这艘“泰坦海龟”将与轨道器配对，将信息中继回地球。它可以潜水时进行通信，并且可能提前几年发射，因为它不需要依赖地球在天空中的位置。
哈特维格说，泰坦在拥有海洋的行星中是独一无二的。在太阳系的其他地方，液态海并不容易到达。但泰坦潜艇可以启发未来探测其他天体冰壳下隐藏海洋的飞行器的设计。哈特维格说：“我一直把泰坦看作是探路者。”
冰层之下
其中一个不易到达的海洋位于欧罗巴。虽然这颗卫星的表面饱受木星磁场的辐射侵袭，温度低至零下 280 华氏度，但其下的海洋受到厚度平均为 5 到 15 英里的冰墙的保护。由于这个海洋是水构成的，所以它是一个寻找生命和研究生命形成可能所需的化学条件的好地方。
为了穿透欧罗巴的冰屏障，科学家们正在测试机器人，它们将融化或切割的方式到达海洋。这些机器人可以携带潜艇、在冰层底部行驶的漫游车，甚至会下沉到海底的着陆器。一旦到达水中，这些探测器可能会遇到约 32 华氏度的温和温度。美国宇航局加州帕萨迪纳喷气推进实验室的工程师安迪·克莱什说：“这实际上对我们的电子设备来说是一个相当舒适的环境。“稍微麻烦一点的是咸水。”
喷气推进实验室的行星科学家凯文·汉德说，欧罗巴的海洋可能和地球一样咸，甚至可能更咸。“此外，其中可能还含有一些硫酸，”他说。这意味着探测器的电子设备将面临腐蚀的危险。当探测器深入海洋时，它还将面临巨大的压力。在海底，压力将类似于地球马里亚纳海沟底部。
总而言之，前往欧罗巴海洋的旅程将是一次相当艰辛的旅行。克莱什说：“我们面临着深空探索的挑战以及深海探索的挑战。“我们在太空中是真空的；我们在冰层下承受高压。而且我们在去那里的路上还要承受辐射……我们在冰层下受到保护，但环境却试图腐蚀我们。”
他说，最容易到达的地方将是欧罗巴冰架的底部。克莱什、汉德和他们的同事们正在研制一种将在冰层底部行走的漫游车。漫游车或深海探测器不会像潜艇那样受到洋流的冲击。克莱什说：“这些漫游车[和]这些着陆器可能是以一种非常有控制的方式进行探索，而且不会被抛来抛去或撞到其他东西的最佳方式。”冰的底部也是寻找生命的一个特别好的地方。在地球上，藻类和微生物喜欢固定在冰的下面。如果欧罗巴存在生命，它也可能被这种地形所吸引。
克莱什和他的团队渴望开始搜寻。他们一直在阿拉斯加的冰冻湖泊中测试他们的漫游车——目前称为 BRUIE（水下探索浮动漫游车）。它的轮子装有圆锯片和小面板，就像雪地鞋一样，将漫游车的重量分布在冰面上。这可以防止 BRUIE 切入冰中并卡住。
克莱什说，最终将前往欧罗巴的 BRUIE 版本很可能会由负责向下钻探到海洋的机器人携带。这意味着它必须相当小，长度可能在 18 英寸或以下。他计划在两个星期内测试 BRUIE 的可折叠车轮，这能让它变得更紧凑便携。该团队还希望将 BRUIE 送往一次最具挑战性的任务——一次在没有系绳的情况下深入海冰下方近 1,000 英尺的行程。
理想情况下，欧罗巴上的漫游车也应该是没有系绳的。克莱什说：“在我们每次外出探险时，我们几乎都会至少切断一次系绳。”但是，尽管存在缠绕的风险，可能仍然需要一根绳子来提供电力并与地面设备进行通信。
克莱什和他的团队还在寻找更容易到达海洋的方法。他们曾使用潜水器探索了阿拉斯加冰川内部形成的陡峭、被淹没的竖井——冰川竖井。去年夏天，他们的机器人在冰层下行进了约 160 英尺，并能够找到不同隧道之间的连接点。欧罗巴的冰壳中可能也有冰川竖井，漫游车或潜水器可以用它们来部分下降到水中。
在漫游车准备好进行木星卫星或其他地方的旅程之前，还有很长的路要走。克莱什说，希望计划中的“欧罗巴快帆”和“欧罗巴着陆器”任务将为探测器发送到冰层下铺平道路。
与此同时，未来将探索欧罗巴的漫游车可以教会我们关于我们自己星球的一些知识。BRUIE 已经被用来考察融化的永久冻土是如何在北极湖泊中释放甲烷的。今年秋天，这辆勇敢的漫游车将在那些寒冷的水域进行为期三到四个月的游历。
汉德说：“科学目标是将漫游车留在湖冰下方，观察随着太阳落山和冬季变暗，这些富含甲烷的湖泊上方冰层的形成和变厚所带来的季节性变化。”这可以揭示漫游车在周围冰层变厚时可能会如何被冻结。这也有机会了解一个对人类来说过于严酷的环境，而我们无法亲自观察。
克莱什说：“最大的海洋世界就在地球上。”“我们用来开始探索欧罗巴的技术，我们正在将其应用于探索……我们以前从未去过的地方。”
