美國歷代火星探測車好奇號(右)與精神號(左上)、旅居者號(左下)

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  2012年8月火星探測車好奇號登陸火星,對生命構成要件"有機物" 展開正式調查。現在的火星放眼望去只有宛若沙漠覆蓋著紅色沙土的乾燥大地,平均氣溫只有攝氏-50度大部分的水可能以冰的形式存在於地底下,完全看不到有生物棲息的樣子。但是在38億年前火星被浩瀚的海洋所覆蓋。此外因為火山活動活躍,大氣中的二氧化碳濃度高,因溫室效應關係推測當時的氣候非常溫暖。許多研究者認為當時火星上可能跟地球一樣誕生了生命。如果在火星上發現生命和生命痕跡的話將會是首度發現外星生命的世紀最大發現。外星生命的發現肯定對闡明地球上生命誕生之謎有所幫助。

 

 

史上最大火星探測車---好奇號

 載好奇號探測車的火星科學實驗室(MSL)太空船於2011年11月26日在卡納維爾角由亞特拉斯V 541火箭發射升空,火箭上面級把MSL直接送入火星轉移軌道繞太陽公轉,經過253天的旅程(共飛行5.63億公里),好奇號降落在距離目標中心不到2.4公里處的地點上。好奇號登陸是採用「從逆噴射浮游的母船以鋼索吊掛垂降」的方式,地球的操作與指示以無線電波傳遞大約需要14分鐘的時間無法"即時"(real time)操作,因其困難度故從進入大氣層到著陸的這段時間被稱為"恐怖7分鐘"。

 

美國NASA曾經登陸火星進行與生命相關之重要調查的探查機中,成功觀測的有1975年的維京1號與2號進行探究生命的實驗,包括檢測二氧化碳和碳水化合物等,結果得到的結論是:無生命存在。接著有旅居者號(Sojourner)著陸機在1997年登陸拍攝圖像和進行岩石的化學分析。2004年登陸的火星探測車精神號與機會號為同型機,計畫名稱為“火星巡迴者號”(Mars Exploration Rover)。主要目的之一在於揭露火星是否有水,機會號闡明火星在以前是有海洋的而海水中含有大量的硫酸成分,精神號進行了長達6年的探測直到2010年才結束運作而機會號仍然還在運作以及最近的鳳凰號火星著陸機(Phoenix Mars Lander)在2008年登陸發現水冰。

 

前一代的美國火星探測車精神號和機會號,主要任務是尋找水及水的痕跡,從任務開始後經過9年掌握到水的證據。現在邁入下一個階段----調查是否有微生物可以存活的環境而這就是“好奇號”(Mars Science Laboratory;火星科學實驗室)的任務。在發現生命痕跡的過程中必須依照一定程序而這是相當繁瑣的作業,首先必須做的工作是調查微生物可存在之環境的岩石到底有多少。好奇號是歷代火星探測車中體積最大的長度約3公尺重量約900公斤相當於一部小汽車,登陸的地點為蓋爾坑(Gale Crater)。蓋爾坑直徑約154公里位於火星赤道附近,科學家認為蓋爾坑是30多億年前因為隕石撞擊所形成,之後蓋爾坑上形成湖泊,湖底有堆積物推積。後來湖泊乾凅加上風等因素侵蝕推積物形成現在的樣貌。蓋爾坑中央的銳山高度約5500公尺因為風蝕而裸露出數十億年前的堆積層。好奇號調查該堆積層,科學家認為如果火星曾經發生生命的話在湖泊所形成的該地層上存在源於生命之有機物的可能性非常高。如果好奇號順利抵達山麓詳細分析該堆積層對於發現有機物將有很大的期待。再者若能順利從推積岩地層的下面往上面調查,分析組成如何變化也許能夠得知湖泊存在的時代環境如何變遷,同時也能夠闡明氣候及海洋狀況是否適於生物生存。

 好奇號所搭載的觀測裝置重量達80公斤是精神號與機會號的10倍以上。好奇號搭載的觀測裝置大致分為10種,負擔最重要任務的就是火星樣本分析裝置(SAM),它是觀測裝置中最為巨大的設備重量達40公斤佔觀測裝置總重的一半,與生命息息相關的有機物探索就是由SAM來執行,SAM利用機械臂上的挖斗挖取土壤送入SAM中,將土壤加熱至700~800度C然後以氣相層析儀(gas chromatography)等設備分析此時所產生的氣體這樣一來就能測得有機物的種類和數量。此外也將大氣吸入裝置內以極高的靈敏度檢測出大氣中的甲烷量等。好奇號的另外一個特徵性觀測裝置便是化學分析相機(ChemCam),以雷射照射樣本以觀測變高溫的樣本所發出光之波長,藉此可揭露樣本含有什麼樣的礦物成分,其也能在距離岩石7公尺遠的地方進行觀測。

 

精神號與機會號是利用太陽能發電以提供電力因此會受到隨著季節變化而減少的陽光以及沙塵的影響讓供電變得不穩定,儘管如此精神號與機會號的運作期間超過當初預定的3個月(精神號約6年機會號則超過9年)而好奇號的最短活動期間預定是1個火星年(687個地球日),不過其所搭載的利用鈽238在自然衰變過程中釋放出的熱來發電的核能電池壽命至少有14年因此或許好奇號能夠活動的時間會比前面幾代的探查機更長久也說不定。

 

火星樣本分析設備(SAM),分析樣本加熱後所產生氣體主要目標在於發現有機物、闡明大氣環境的變化等。
化學相機(ChemCam),以雷射光照射樣本觀測變成高溫的樣本所發出的光來分析其礦物成分。
主照相機(Mastcam),由擁有百萬像素等級的二部相機所構成亦可動態攝影。
α粒子暨X射線分光儀(APXS),位在機械臂前端的分析裝置放射出α粒子和X射線測定其反射以分析組成元素。
火星手臂透鏡成像儀(MAHLI),位在機械臂前端的放大鏡相機用以觀察岩石構造和地質結構。
化學和礦物學分析儀(CheMin),利用X光繞射闡明樣本的礦物成分。
輻射評估檢定器(RAD),測定來自太陽及太空之高能量粒子。
漫遊車環境監測站(REMS),測定風速、風向、大氣壓力、相對濕度、氣溫、地表溫度、紫外線輻射量監視火星環境。
動態中子反照率設備(DAN),測定來自地表的中子量調查地表下的水分。
火星下降成像儀(MARDI),在登陸火星之際拍攝火星地表狀況的相機。

 

 

通信:

好奇號配備的通信設備透過兩種方式傳送與接收訊息 - X波段發射機和接收機用來直接與地球通信以及超高頻Electra-Lite軟體無線電用來與火星軌道機通信。好奇號透過火星軌道衛星進行中繼通信把收集到的資料傳回地球,因為軌道衛星比著陸機具有較大的電力與更大的天線,允許更快傳輸速度。遠距離通信包括在降落階段使用的小型深太空轉發器和火星探測車使採用X波段通信的固態功率放大器。探測車也有兩部超高頻無線電波機,訊號能透過2001年發射的火星奧德賽軌道機傳回地球。訊號在地球和火星間傳遞平均需要14分鐘的時間。好奇號雖然能以每秒32kbit速度與地球直接通信,但膨脹的資料傳輸還是透過火星勘測軌道機和奧德賽軌道機進行中繼轉傳。好奇號與軌道機間的資料傳輸速度可分別達到每秒 2Mbit與 256kbit,但軌道機每天只能與好奇號進行約8分鐘的通信。與好奇號的傳送與接收依照"太空資料系統諮詢委員會"定義的國際商定太空資料通信協定進行通信。噴射推進實驗室(JPL)是重要的資料分配中心負責提供挑選過的資料產品給有需求的科學研究機構。 JPL也是重要的上鏈過程中心,雖然參與者分佈在各自的歸屬機構。好奇號的著陸與遙測資料被NASA的火星奧德賽號、火星勘測軌道機與歐洲太空機構的火星特快車三個軌道衛星依照各自動態位置監控。

 

移動系統:

好奇號在其搖臂懸吊轉向架裝設六個直徑50公分車輪。不像先前較小型的火星探測車,該懸吊系統也充當火星探測車的起落架。每個車輪都有防滑條紋而且可獨自啟動和減速,讓好奇號可以行駛過柔軟的沙灘與攀爬岩石。每個前後輪可獨自轉向,允許探測車在原地自轉。每個車輪在幫助好奇號保持拖拉時會留下痕跡,這在火星沙地表面留下圖案小道。該圖案被車載照相機用來估計好奇號行駛的距離。該圖案本身也是給"噴射推進實驗室"的摩斯密碼。火星探測車能夠攀爬12.5°斜坡的沙丘。基於質量中心好奇號可承受在任何方向至少50°的傾斜而不會翻覆,但自動感測器會避免好奇號傾斜超過30°。經過兩年的使用,車輪因撕裂與穿孔而明顯地磨損。好奇號車體距離地面有60公分可以越過高度將近65公分的障礙物。考量功率大小、地勢險惡、滑動和能見度,在自動導航下最大地形移動速度估計約每天200公尺。火星探測車著陸在夏普山附近約10公里處,並預計前兩年的任務至少要橫斷19公里。它行駛速度可達每小時90公尺,但平均速度只能每小時30公尺。

 

 

MSL 發射重量為3893公斤由稱為地球-火星間燃料提供巡航段(頂部部分)、進入-降落-著陸(EDL)系統與好奇號探測車所組成,其中EDL系統吊掛著好奇號堆疊在一起放置在背殼(中間白色部分)與隔熱罩(底部土黃色部分)裡面。

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