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实地报告:天体生物学家深入南极冰层

破冰者2010南极团队(从左至右):麦吉尔大学的韦恩·波拉德、德克萨斯理工大学的安德鲁·杰克逊、美国国家航空航天局埃姆斯的阿方索·达维拉、美国国家航天局埃梅斯的玛格丽塔·马里诺娃、蜜蜂机器人公司的盖尔·保尔森和克里斯·扎尼。

这是我的最后一个博客。我在南极上空的某个地方写这篇文章,在从麦克默多站到新西兰克赖斯特彻奇的C17飞机上。C17是一种令人印象深刻的飞机。我们坐在机身对面,货物在中间。AC130飞机螺旋桨就在我的正前方,“触手可及”。在左边,我看到我们昨晚放下的行李,在右边,有人睡在地板上。直到现在,我才意识到南极灾难即将结束。

我们的钻井队前往南极,测试新一代名为“破冰者”的旋转撞击式钻井船。该钻机被设计为一种钻机的原型,有朝一日该钻机将飞往火星,深入火星冰层和永久冻土至少1米。

我们选择南极干谷地区的大学谷作为理想的火星模拟和钻探测试地点,原因有二:(1)温度相对较低,在我们停留期间(夏初)达到-25摄氏度;以及(2)大学谷有一层干燥的冰层,向山谷的河口和山谷头部的山丘铺设冰块。2008年,美国国家航空航天局的“凤凰号”任务降落在火星的北极地区,在几英寸的沙质土壤下发现了冰,“几乎和我们在大学谷看到的一模一样”。

我们的目标是在结冰的地面上钻至少1米,再钻一米。在这两种情况下,我们都必须以10厘米的间隔采集样本。这可能看起来像是一项简单的任务,但有一个陷阱。所有钻井作业都必须自主进行,不允许人工干预。自2004年以来,我们一直在MarsExplorationRovers、Spirit和Opportunity上操作岩石磨损工具(RAT),从而了解了机器人系统的自动化程度。我们在设计破冰船时重复了这种自主性。钻头只有三个命令:Seek(它找到地面)、drill(它执行钻孔动作)、Pull Out(从孔中拉出并将样品放入杯中)。尽管这些看起来像是简单的命令,但其中每一个命令背后都隐藏着一个算法,该算法分析钻井遥测并决定如何进一步进行。

我们的首要任务是在野外组装钻机。我们的系统被分解为几个小部分,包括一个钻头底座、一个垂直平台(在这次野外活动之前从未进行过测试)、钻头、一个末端有钻头的螺旋钻、一个采样系统(也从未进行过试验)和电子设备。我们赶在运往南极的最后期限前到达,却没有时间测试它的一些部件。南极将是真正的试验场。

所有钻井组件都固定在坚固的鹈鹕壳内,并从麦克默多向DryValleys倾斜运输(悬挂在直升机下的网)。为了组装钻机,我们必须把所有这些东西都拔出来,然后把它们放在一起,就像乐高积木一样。演习结束后,Honeybee系统工程师兼破冰者操作员Gale Paulsen走进一个温暖的帐篷,而我则留在后面观看演习,并拍摄了许多照片和视频。在接下来的几个小时里,盖尔和我被禁止交流。盖尔在地球上(帐篷里),而我在火星上(帐篷外面和旁边)。

天气非常好:非常寒冷,地表温度达到-25摄氏度(-13华氏度),地下温度约为-20摄氏度(-4华氏度)。对我来说幸运的是,我们没有风。

盖尔一定按下了“寻找”按钮,因为突然间我看到钻机在缓慢旋转并向下移动。几分钟后,钻头碰到地面,向上移动了一英寸,然后停了下来。到目前为止一切顺利。接下来,钻头开始更快地旋转,并以更高的速度向下移动。很快,钻头接触到了地表,开始切入上覆的干燥层,然后慢慢挖出坚硬的冰胶结的地面。达到10厘米(4英寸)后,钻头移动并将岩屑放入一个小袋中。我接过袋子,把它放在一边,然后把一个新的放在原处。我们的下一个训练升级将是用机器人系统代替这种人类交换袋子的动作(然后我也可以坐在温暖的帐篷里)。

钻孔再次向下,但这次的深度为20厘米(8英寸),并向上沉积了更多的样本。这个过程一直持续到我们达到1米(40英寸)的目标。在这个钻探过程中,我们的功率不到100瓦(相当于一个灯泡所需的功率),钻头向地面推进的力不到100牛顿(约20磅),大约需要1小时才能达到1米。我们称之为1-1-100-100(1小时至1米,100W和100N)钻孔。

同时,我们测量了钻头的温度,以确保不会加热太多。温暖的一点表明我们在地层中投入了太多的热量,这可能会导致土壤或岩石中的冰融化。我们希望尽一切办法避免融化,因为在南极和其他寒冷地区,融化后再冻结是钻头卡住的主要原因。我们的最高比特温度始终低于-5摄氏度(23华氏度),平均温度更接近-10摄氏度(14华氏度)。也就是说,仅比地面温度高10摄氏度,比熔化温度低10摄氏度。我们在一个安全的区域进行钻探。

通过这一演示,我们已经证明在火星上钻探(例如,在月球上,在含有水冰的区域)是可能的。功率、能量和载荷都在小型着陆器的有效载荷能力范围内。

由于维斯蒂尔有很多时间,我们决定再钻两个洞。我们改变了钻孔程序,并测试了其他采样方法和方案。一切顺利,我们收集了更多的样本。我们只进了一个洞,就进了三个洞。我们决定结束这一天,准备进行一次600英尺的穿越巨石场向冰川的演习:我们的下一站是巨大的冰。

第二天,我们的破冰队将部分钻机移到了巨石场中央的新场地。下面有大块的冰。组装钻机被证明是相当具有挑战性的。我们的手套很笨重,我们不得不徒手把零件拧在一起。在暴露于冷空气和接触到非常冷的金属一分钟后,我们的手指就会麻木。在继续之前,我们必须先用手套把它们拖起来几分钟。当我们在帐篷里组装钻机时,我们意识到这是第一次。

正如预期的那样,钻探工作相对容易。我们钻到1米深处并采集样本。在仔细检查冰块时,当它们从螺旋钻上下来时,我们注意到其中一些冰块大到0.6厘米(0.25英寸)。这意味着我们的钻探方法并不能完全破坏冰层。我们仍然可以获得大块冰块,用于视觉或其他调查。

当时大约是午餐时间,所以我们决定继续钻探,直到达到2.5米(100英寸)。那天很冷,我们都很冷。我看着盖尔,可以看出他在想我在想的事情。我们钻了1米,钻到了2.5米深。这证明破冰船能够钻到比要求的1米深的地方。我们决定到此为止。

我们把一袋袋的冰块搬到一个集装箱里。这些将是从南极运输到美国航空航天局埃姆斯进行分析的防冻剂。

我们复习了所有的目标。我们的第一个目标是展示演习的远程操作,当一些五年级学生在加利福尼亚州漂流时,我们在麦克默多演示了它。然后,我们不得不在结冰的火山火山灰岩(类似月球的火山灰岩)中自主钻探1米。我们在麦克默多外做了这件事,麦克默多位于埃雷布斯火山的斜坡上。我们还必须钻到1米,收集冰胶结地面的样本,我们钻了三个孔,而不是一个孔。最后,我们没有在巨大的冰上钻一个1米的洞,而是钻了一个2.5米的洞。我们所有的目标都实现了,我们决定把我们的钻机打包运回加利福尼亚州的帕萨迪纳。

我们的下一次实地考察将于2011年在北极,但我们将于2012年回到DryValleys。到那时!


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