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毅力號即將出發!NASA 2020火星任務,探索生命之謎

彥寧
・2020/07/30 ・3322字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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對於距離地球最遠達 4 億公里的火星究竟有沒有外星生命,一直是天文學家極力想探索的目標。在今年七月底,NASA 即將對探索火星計畫跨出超大的下一步啦!

2011 年,好奇號 (Curiosity) 成功發射後,傳回不少火星的地貌照片以及環境線索等重要資訊。而就在今年 (2020) ,好奇號的後輩——「毅力號」(Perseverance Rover) 即將要前往火星,執行火星 2020 探測車任務 (Mars 2020 rover mission, Mars 2020),也就是進一步探索火星的任務。

毅力號在火星上的示意圖。圖/NASA

毅力號與它的火星探索任務即將開跑啦!

力號預計於 2020 年 7 月 30 日的 11:50 發射升空(換算成台灣的時間為 19:50),並在為期七個多月的太空漫遊後,於 2021 年 2 月登陸火星,開始執行它的任務。

有趣的是,毅力號的許多零件都是使用製造好奇號時所剩下的備用零件,所以說毅力號是好奇號的「後輩」可以說是再適合不過了呢!

自從 1965 年的水手 4 號 (Mariner 4) 成功飛越火星,並回傳了首張火星地表的照片後,NASA 對火星的研究就從沒有停止過。在這段期間,天文學家們發現火星擁有火山、火星極冠 (Mars polar caps),還有非常複雜的水和地質演化史,也發現早期的火星擁有滿足生命所需的所有條件。想要證明火星上有生命存在,現在最關鍵的一步就是找到生命存在的直接證據了。

不過,這可不是一件簡單的事。要找到這樣的證據,要有夠厲害的偵測裝置,在火星上偵測到能夠證明生命存在過的合適樣本,並正確地分析後,我們才能真正證明火星曾有生命存在過。

而且,實際上現代人類的科技也無法將那些分析樣本的實驗室儀器透過火箭一起發射到火星上,所以上面說的方法以目前的科技來說,是不可行的。

好啦別難過,畢竟火箭能乘載的空間是有限的嘛。圖/GIPHY

但你先別失望,既然沒有辦法將儀器發射到火星上,為什麼不把合適的樣本送回地球分析呢?於是,火星 2020 探測車任務就誕生了!

火星 2020 探測車任務的目的,除了要探測火星的地質、環境與歷史,更重要的就是要將火星的樣本送回地球。這樣一來,我們就能對火星有更進一步的認識,或是找到火星曾經存在生命的證據,也為未來人類實際上登陸火星探索做準備。

雖說是這樣,將火星的地質樣本送回地球可是浩大的工程,首先要在火星上收集好地質樣本,再來還要將一枚乘載著「另一枚火箭」的火箭,成功射向火星並成功登陸。而那另一枚火箭載著收集好的樣本,自行從火星發射,將樣本發射至火星的自轉軌道中,最後再由其他裝置將其運回地球,才能將樣本順利送回地球分析。

火星 2020 探測車任務計畫步驟示意圖。/NASA

簡單來說,火星 2020 探測車任務分成三個任務:任務一,尋找並偵測最合適的樣本,將其裝管並儲存放置;任務二,從地球發射火箭,並將樣本運往火星自轉軌道;任務三,將樣本運回地球。

而本次發射的毅力號就是負責執行任務一,也就是偵測火星的地質與氣候,找出最合適的地質樣本,再將其分別裝進 30 個樣本儲存管中啦!一旦收集任務完成後,毅力號就可以喘口氣,繼續看看四周的地質環境如何,盡可能將更多的火星資訊回傳給地球。

值得一提的是,火星 2020 探測車任務的第二步是將載著另一枚小火箭的大火箭從地球發射後,再讓小火箭自行從火星發射。實際上靠著人類目前的現代科技,最多也只能將 100 公克的樣本送回地球而已。

因此,找尋到理想的合適樣本會是巨大的挑戰,而任何一個小零件毀損都有可能導致任務失敗。同時,那 100 公克珍貴的地質樣本,也需要非常謹慎的選擇。

毅力號的任務示意圖。圖/NASA

精挑細選的降落地點:傑澤羅隕石坑

另外,雖然火星那麼大,但要讓探測車順利登陸,也得有理想的環境條件才行。

經過精挑細選,最後毅力號決定降落在「傑澤羅隕石坑」(Jezero crater)!

根據過去精神號 (Spirit)、機會號 (Opportunity) 以及前面提到的好奇號的經驗,若是要讓探測車順利的著陸,這個著陸地點要滿足不少條件。

第一,這個地方不能太高,必須低於 500 公尺,才有足夠的大氣讓降落傘可以張開;第二,這個地點必須距離火星的赤道 30 度以內,才能有足夠的溫度讓機器能安然度過火星的「冬天」;第三,降落地點需要大約 10 公里寬的平坦地面,才能讓毅力號順利降落。以上三點要能夠同時滿足。

同時,樣本要足夠古老,才能分析出火星過去的環境變化,讓我們多得到一些資訊。傑澤羅隕石坑非常古老,天文學家認定被隕石撞擊出的坑曾經是一個充滿水的湖,而且我們甚至能看到在隕石坑的一旁,有因河川流入湖泊後流速降低、河川中物質沉積所形成的三角洲。

透過衛星圖像的分析,這個三角洲含有大量的蝕變礦物 (altered mineral)。礦物蝕變即是指礦物的化學組成或結晶狀態因環境而產生變化,而通常最常見、也最有影響的催化劑,就是前面不斷提到的水!這就代表此地非常有可能含有生物訊息。

在多重條件都滿足的情況下,NASA 就選定了傑澤羅隕石坑作為毅力號的降落地點。

傑澤羅隕石坑的蝕變礦物分析圖。圖中藍色、綠色的部分就是透過衛星分析含有蝕變礦物的地方。圖/NASA

測試 MOXIE:將二氧化碳變成氧氣的裝置

前面提過毅力號使用了許多好奇號的備用零件,不過其實毅力號還是有比起前輩更厲害的地方的!毅力號搭載了一個對於宇宙探索非常重要的裝置—— MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)!

實際上,MOXIE 是一項將二氧化碳轉換為氧氣的裝置,體積也不大,就與汽車的電池差不多大,不過尚在實驗階段,本次的火星 2020 探測車任務就特別裝上,藉此測試效果如何。

本次的任務二,也就是將收集到的樣本運到火星自轉軌道的這一步驟,實際上是非常具挑戰性的。不過若是 MOXIE 成功,也有不錯的效果,MOXIE 就能將火星的二氧化碳轉為液態氧燃料!也許本次任務就能有更進一步的探索。

MOXIE所在位置示意圖(我想大家都看得出來黃色的部分就是 MOXIE 裝置吧)。圖/NASA

同時,火星或許就能成為人類探索宇宙重要的中心,不用從地球一直往火星送液態氧,而有機會在火星自行製造。

不過,最重要的是,火星大氣的氧氣濃度非常稀薄,比起地球的 21%,火星大氣中僅僅只有 0.13% 的氧氣,而且有 96% 都是二氧化碳。這對於未來人類實地探索火星非常不利,畢竟人還是需要呼吸、需要氧氣才能活下去。倘若 MOXIE 的技術在火星上能夠順利運作,氧氣不足對於宇宙探索造成的阻礙就變小許多,對未來人類登陸火星也是非常重要的一大步,為宇宙探索帶來革命性的發展。

When we send humans to Mars, we will want them to return safely, and to do that they need a rocket to lift off the planet. Liquid oxygen propellant is something we could make there and not have to bring with us. One idea would be to bring an empty oxygen tank and fill it up on Mars.(當我們將人類送上火星,我們都希望他們能平安返回,而為了達到此目的,必須在火星上發射火箭。液態氧推進劑是我們能在火星上製作的東西,不必帶著。有個主意是帶著空氧氣筒去,並在火星上裝滿它。)

—— Michael Hecht,MOXIE 首席研究員

本次的任務,不僅要探索火星的環境以及歷史、尋找生命存在的證據,甚至還能測試 MOXIE 這項徹底改變現代人類宇宙探索方式的革命性技術,真是非常令人期待呢!

說不定,未來人類真的能移居火星,過上現在的我們想都沒想過的嶄新生活呢!

參考資料

  1. Wikipedia-Mars 2020
  2. Wikipedia-Perseverance (rover)
  3. Wikipedia-Mariner 4
  4. NASA-Mars 2020 perseverance rover mission-Overview
  5. Medium-NASA to Launch the Next Era of Mars Exploration with the Perseverance Rover.
  6. Wikipedia-Jezero (crater)
  7. Wikipedia-Mineral alteration
  8. NASA-Mars 2020 perseverance rover mission-MOXIE

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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睽違三年,重磅回歸:獵鷹重型的現在與未來
EASY天文地科小站_96
・2022/11/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/林彥興(EASY天文地科團隊總編輯,現就讀清大天文所)

台灣時間 2022 年 11 月 2 日晚上九點四十一分,SpaceX 的「獵鷹重型 Falcon Heavy (FH)」火箭從濃霧繚繞的甘迺迪太空中心 LC-39A 發射台轟然升空。睽違三年,世人終於再次體會到世界最強火箭飛向天際,以及雙助推器同時著陸的震撼。

USSF-44 任務中獵鷹重型火箭的升空與著陸。圖/SpaceX

從獵鷹九號到獵鷹重型

相信有在關注太空時事的讀者們,對 SpaceX 的獵鷹九號火箭都不陌生。

獵鷹九號火箭。圖/SpaceX

獵鷹九號是 SpaceX 目前當仁不讓的發射主力,從低軌小衛星共乘高軌頂配同步衛星乃至星際探測器都能一手包辦,而且還擁有能夠「重複使用第一節」這舉世唯一的絕技,在大幅降低成本的同時,也讓 SpaceX 能夠以超過一週一發的超高頻率發射火箭。從 2022 年初至週二當天,獵鷹九號已經發射 49 次,佔世界總發射次數的約 35%;論發射酬載總質量,世界所有其他火箭加起來還不到獵鷹九號的一半。[1][2]

但獵鷹九號雖然優秀,面對少數特別重的酬載(也就是衛星、太空船等火箭攜帶的物體),或是要把酬載送到特別高能量的軌道時,仍然力有未逮。怎麼辦呢?基本概念很簡單:在獵鷹九號第一節兩側,再綁兩根第一節火箭,給火箭更多的燃料、更強的推力,就能把更重的酬載,送到更高更遠的地方,這就是「獵鷹重型 Falcon Heavy, FH」火箭。習慣上,人們將中間那根第一節稱為芯級(Core Stage),兩側的則稱為助推器(Side Booster)。根據任務需求,芯級和助推器可選擇不同的回收模式(陸上回收、海上回收、不回收)。在完全不回收的模式下,獵鷹重型擁有超過 60 公噸的最高理論運載力(LEO),比位列第二的三角洲四號重型火箭多了一倍不只。

發射台上的獵鷹重型火箭,可以清楚的看到並排的芯級與助推器。圖/SpaceX

風光亮相後?

獵鷹重型在 2018 年進行了一場轟轟烈烈的首飛。由於未經驗證的新火箭,一般不會有客戶願意買單承擔風險,因此火箭製造商通常會自費發射一些不太重要的東西,常稱為「假酬載 Dummy Payload」,向客戶展示火箭確實可以把你的衛星送入軌道。這個不太重要的假酬載,也給了工程師們搞怪的機會。

假酬載該選什麼好呢?
大老闆 Elon Musk:「啊,那就把我的 Tesla 跑車打上去吧。」

Falcon Heavy 首飛官方剪輯

首飛隔年(2019)四月和六月,獵鷹重型分別進行了兩次任務(福衛七號就是其中之一噢)。但在這之後,獵鷹重型彷彿就進入了休假期,長達三年都沒有發射任務。為甚麼會這樣呢?這背後的原因有非常多面相可以討論,比如獵鷹九號就已經足以應付現在市場上絕大部分的發射需求、獵鷹重型發射的酬載開發與製造進度延宕等等。篇幅有限,在此就不展開細說。但總之,對太空迷們來說,這三年真的是格外漫長。獵鷹重型還是獵鷹重型,但 2022 的世界已經跟 2019 大不相同了。

獵鷹九號(與其子型號)與獵鷹重型發射次數統計,可以看到比起馬不停蹄的獵鷹九號,獵鷹重型的發射是多麼稀少。來源:維基百科,2022.11.04 數據。

機密任務 USSF-44

回到正題,本次 USSF-44 任務的目標,是為美國太空軍發射機密軍事衛星,前往地球同步軌道。

發射直播回顧。

在上面的影片中,我們可以看到火箭發射的全過程。在轟轟烈烈地起飛後,火箭沿著預定軌道不斷加速。升空後約兩分三十秒,幾乎耗盡燃料兩根助推器率先脫離。而芯級在本次任務中則不進行回收,毫無保留地將所有燃料都用於運送衛星。約四分零三秒,芯級耗盡所有燃料並脫離,由第二節火箭負責繼續將衛星送入指定軌道。由於衛星的機密性,第二節直播就此切斷。直播聚焦於兩個助推器,如何自行返回陸上降落場,並最終成功降落。

本次任務的成功,不僅宣告著獵鷹重型的回歸,也是 SpaceX 第一次直接把衛星送進「地球同步軌道 GEO」,而非一般的「地球同步轉移軌道 GTO」(相關知識可以參考「衛星軌道萬花筒」系列圖文)。擁有將衛星直送 GEO 的能力,對火箭發射商來說意義相當重大。另一方面,雖然可憐的芯級被太空軍指定拋棄了,但兩側助推器的同框降落真的百看不厭。如果覺得這次發射霧太大景不好,不妨多看幾次 2018 首飛的剪輯吧!

還要再等三年嗎?獵鷹重型的未來

那麼,何時才能再次看到獵鷹重型轟然起飛呢?答案可能比你以為的要快。按現在的規畫,明年一月就應當要有兩場獵鷹重型的發射,分別是 ViaSat-3 與 USSF-67,都是 GEO 直送任務。但當然,這是火箭發射,再延宕個幾個月也是很正常的。

往更遠的看,未來五年獵鷹重型將發射的重要酬載包括:

  • 大型行星探測器:靈神星(Psyche,左圖)任務與歐羅巴快船(Europa clipper,右圖)。
圖/NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ./Space Systems Loral/Peter Rubin|N
  • 阿提密斯計畫:月球門戶建造(PPE 與 HALO 艙段)、VIPER 月球車、月球門戶補給(Dragon-XL)。
月球門戶太空站(左下)與 Dragon XL 無人貨船。圖/NASA
南希.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope。圖/NASA (WFIRST Project and Dominic Benford)
  • 太空軍機密衛星與同步通訊、氣象衛星若干。

相信這些名字對太空迷讀者來說都是如雷貫耳。可見獵鷹重型在美國近期多項重要太空計畫中,都是關鍵角色。接下來幾年,就讓我們拭目以待,一起見證獵鷹重型大展身手吧!

EASY天文地科小站_96
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EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。