在威爾斯一個異常炎熱的夏日，桑傑·維詹德蘭 (Sanjay Vijendran) 和同事將火箭雪橇瞄準了大像大小的冰塊。
雪橇停在凸起的金屬軌道上，攜帶一包看起來像卡通炸藥的東西，以音速推動這個裝置。在它前面，第二個雪橇上裝有一個裝滿科學儀器的子彈形罐子。
歐洲太空總署的物理學家維詹德蘭 (Vijendran) 準備將罐子扔進英國國防部彭代恩 (Pendine) 基地的 6,200 公斤重的冰塊中。
研究人員手上備有鏈鋸，以防罐子被卡住，他們看著雪橇沿著軌道疾馳，以每秒 340 公尺以上的速度將罐子發射到空中。它飛出了一輛校車的長度，然後幾乎完全擊穿了 3 公尺長的冰塊，噴射出雪狀冰屑的間歇泉。
「不到兩秒，一切就結束了，」Vijendran 談到 2013 年 7 月的測試時說道。 “如果你眨眼，你就錯過了。”
Vijendran 和他的同事希望將這種煙火奇觀帶到一個沒人能看到的地方。他們正在嘗試設計一個足夠堅固的裝置，能夠刺穿木星的第四大衛星，在撞擊中倖存下來並收集冰樣本。
這顆名為木衛二的衛星看起來和太陽系外的任何其他地方一樣荒涼、毫無吸引力。它冰凍的外牆比地球上最冷的地方還要冷100多攝氏度。輻射波席捲表面。但在木衛二荒涼的外表下，科學家認為有一片巨大的液態水海洋在流動。月球的海底也可能因火山和熱液噴口的活動而忙碌。如果像一些科學家懷疑的那樣，表面的化學物質會透過冰滴下來，木衛二可能擁有生命所需的所有成分。
位於加州帕薩迪納的美國太空總署噴射推進實驗室的天體生物學家凱文·漢德說，地球海底的熱液噴口充滿了生命。魚類和微生物的生態系統，」他說。 “每個人都在猜測木衛二上是否會發現管蟲。”
如果它們存在，科學家將不得不剝掉月球冰冷的外殼才能找到答案。世界各地的研究團隊正在試圖找出如何刺穿、融化或鑽穿冰層的方法。這並不簡單。即使他們可以向木衛二派遣鑽機工程師和笨重的機械，月球上的冰可能比地球上發現的任何冰厚四倍。儘管人們的估計有所不同，但冰冷的船體可能深達 20 多公里，大約相當於 53 座帝國大廈疊在一起的高度。
深入月球海洋的任務可能還需要幾十年的時間。但如果科學家在冰或水中發現微生物，意義將是哥白尼式的。
「如果我們在同一個太陽系中兩次發現生命，」西雅圖華盛頓大學的物理學家戴爾·溫布倫納(Dale Winebrenner) 說，「這將告訴我們，當你在夜間抬頭時，你會看到很多可能存在微生物的地方」。
衝破外殼
四個多世紀前，伽利略將望遠鏡指向夜空，凝視著木衛二。他瞄準了木星，但看到了圍繞著這顆氣態巨行星的四顆衛星。科學家後來以木星的一位神話情人的名字命名了其中最小的一個木衛二。
1979 年，當航海家 2 號太空船巡航經過木星時，現代天文學家清楚地觀察到了這顆冰冷的衛星。他們所看到的讓他們感到驚訝：木衛二的表面沒有典型的老年痕跡。與木星的其他衛星不同，木衛二的冰大部分沒有受到撞擊坑留下的麻痕的影響。
「這就是一切開始的地方，」亞特蘭大佐治亞理工學院的行星科學家布蘭妮·施密特說。 “那時人們真的很興奮。”
刮傷表面
科學家懷疑木衛二新鮮、年輕的皮膚可能發出地下地質活動的訊號。美國太空總署的漢德表示，當月球繞著木星運行時，這顆巨大行星的引力會像太妃糖球一樣拉伸和拉動木衛二。這種拉力可能會在月球內部產生熱量，這可能有助於攪動冰冷的地殼，消除過去隕石坑的證據。他說，翻滾的內部也可能意味著生命可以利用的能量。
後來來自木星軌道太空船伽利略號的數據表明，外殼覆蓋著一片鹹海，其液態水含量可能是地球上兩倍多。探索這片廣闊海洋的想法促使許多科學家開始尋求適合太空的冰鑽。
不知何故，這樣的裝置必須突破月球的冰殼——也許是用熾熱的鐵水或鋸齒狀的鑽頭——並攜帶足夠的動力來完成這項工作。該設備必須比地球上用來鑽冰的任何設備都更簡單、更可靠，而且它必須能夠自我保護。沒有辦法將工程師團隊派遣到太陽系的遙遠邊緣。整個冰隧道、動力攜帶、無問題的套件需要足夠輕，才能發射到地球引力之外。
這是一個艱鉅的任務。因此，Vijendran 的團隊正在採取更溫和的方法。研究人員只是想刺穿木衛二的皮膚。它們的「冰穿透器」會撞擊月球表面，就像埋在肉裡的碎片一樣，留在冰殼內。設備內部裝有顯微鏡、質譜儀和電極，可分析從墜機現場拉出的冷凍條子。 「這套非常基本的儀器仍然可以讓我們對冰冷表面的天體生物學潛力有一個非常有趣的了解，」維詹德蘭說。
「這與火星上的漫遊者任務非常不同，在火星上你需要花時間，花費數月甚至數年的時間進行實驗，」他說。 “這將是一件快速、一次性的事情。”
甚至可能只需要飲用木衛二的水就足夠了。施密特和同事在報告中指出，冰冷的表面本身可能會殘留一些水。自然2011年（SN：2011 年 12 月 17 日，第 12 頁5）。研究人員在一月表示，水蒸氣可能會從殼中噴出。科學(SN：2014 年 1 月 25 日，第 14 頁6）。如果這些口袋或羽流攜帶微小的微生物，冰穿透器可能能夠檢測到它們，這可能暗示生活在更深處的更複雜的生物。
施密特說：“我們可能不必一直到海洋去看看木衛二的水中是否有生物。”
更重要的是，團隊的穿透器系統總重約 150 公斤（大約是一名足球邊鋒的重量），足夠小，可以送入太空。然而，它太大了，無法參與歐洲太空總署即將執行的名為 JUICE 的木星 ICy 衛星探索者號任務。該航天器定於 2022 年發射，並於 2030 年到達木星系統。
Vijendran 從辦公室的窗台上舉起團隊的原型，並將罐子抱在懷裡。大約有2公升汽水瓶大小，但更重，經過去年的試運轉後，它的狀態非常好。藍色油漆上的一些微小磨損暴露了閃亮的鋼鐵。
威爾斯的測試證明，設計可以承受衝擊，同時仍能保護藏在內部的設備。今年夏天，團隊希望製造出能夠承受冰面衝擊的電池和通訊系統。
與在冰下挖掘隧道的設備相比，「穿透器計畫將會更便宜，而且一切順利的機會也更大，」德州奧斯汀附近的斯通航空航太公司的研究員維多利亞·西格爾說。
融化
然而，西格爾和其他人的目標仍然是海洋。 「這就是大事即將發生的地方，」她說。到達如此大的東西比在月球表面上刮擦要複雜得多。
西格爾和 Stone Aerospace 的同事自 2011 年以來一直致力於開發一種裝置，可以融化木衛二的冰層，噴射加熱的融水射流，以掃清前方的道路並引導方向。一旦穿過冰層，這個名為低溫機器人的裝置就會將一艘微型潛水艇從其腹部發射到海洋中。
向下挖洞
「它相當於火星探測器，但採用水下航行器形式，」西格爾說。
該計劃雄心勃勃，但該公司的科學家和工程師已經創建了低溫機器人的原型，並且正處於建造水下航行器的早期階段。該飛行器是施密特領導的一個名為「SIMPLE」的美國太空總署資助計畫的一部分，該計畫可以幫助校準透冰雷達技術，以便太空船有一天能夠形成更清晰的木衛二冰層影像。低溫機器人和車輛的總重約為 180 公斤。
低溫機器人是與小型車一樣長的管子，將電線盤繞在光滑的鋁製框架內，並在圓頂頭部排列了五個噴嘴。透過加熱頭部內的鋁塊，低溫機器人可以融化冰，然後吸入水並噴出熱流。為了解凍木衛二的超冷冰，機器人需要攜帶某種機載核反應器。西格爾和同事正在地球上測試他們的設備，使用泵浦到連接到機器的光纖線上的雷射。
當團隊向光纖和雷射製造商提出這個想法時，「他們都說，『你會燒掉光纖，所有的東西都會化為一股濃煙，』」西格爾說。
但電源有效，去年 10 月，團隊用它讓低溫機器人穿過了 2 公尺高的冰塊。
在公司倉庫式的大型車間裡，有六個人聚集在低溫機器人周圍。附近的桌子上裝有顯示機器人溫度讀數的電腦顯示器，團隊成員密切注意以確保機器不會過熱。如果出現問題，他們可以伸手按下按鈕。 「它就像一個大的紅色懷爾狼緊急停止按鈕，」西格爾說。 “它會立即關閉雷射。”
研究團隊用起重機將機器人吊到冰塊頂部，然後發射雷射。橘色安全燈閃爍，雷射的冷卻系統開始運轉，像一台大聲的冰箱一樣隆隆作響。
光通過光纖流向低溫機器人，然後，西格爾說，“你瞧，它實際上開始下降。”
機器以每小時 1 公尺左右的速度融化了整個石塊——考慮到運行噴射機的兩個泵之一發生故障，這是一個令人印象深刻的壯舉。西格爾於 12 月在舊金山舉行的美國地球物理聯盟會議上報告了這一成功。
現在，該團隊正在研究機器人的轉向噴嘴，並嘗試將感測工具整合到機器的機身中。今年 6 月，團隊將前往阿拉斯加的馬塔努斯卡冰川，並嘗試融化約 30 公尺的冰層。西格爾說，在下降過程中，團隊將測試機器人的工具並收集有關生活在冰中的生物體的數據。
懸空鑽頭
加州帕薩迪納蜜蜂機器人公司的工程師克里斯·扎克尼 (Kris Zacny) 表示，鑽孔是一種更簡單的方法，而且不需要像低溫機器人那樣多的電力。
上個世紀，石油和天然氣工業一直使用分段鑽機深入地表以下。隨著工程師挖得越來越深，他們會添加鑽頭以延長鑽頭的長度，並泵入液體以清理孔洞。
深入挖掘
這些鑽孔機並不是歐羅巴任務的明顯選擇：大量的零件會使鑽孔機變得很重，而且鑽井液可能會凍結。因此，扎克尼和同事與噴射推進實驗室的科學家合作設計了一些不同的東西。
他們想出了一個繩索鑽機名為 Auto-Gopher 的管子重 22 公斤，長 2 米，直徑與汽水罐相當，懸掛在一根繩索上。
“它就像一根釣魚竿，”扎克尼說，“在釣魚線的末端有一個鑽頭。”
團隊的裝備將冰釣發揮到了極致：它將停在歐羅巴表面，用一根細繩懸掛鑽機，並在鑽頭咀嚼冰塊時將其放入貝殼中。
在 Auto-Gopher 的頂端，有八個鋒利的尖齒從鑽頭中伸出。它們由碳化鎢製成，科學家可以將這種材料設計成幾乎牢不可破的倒刺，以咬穿岩石和冰。當研究人員打開馬達時，旋轉系統會轉動鑽頭，向下鑽齒。
碳化鎢很堅韌，但啃咬數公里厚的冰可能會使鑽頭的牙齒變鈍，或者鑽頭可能會遇到特別堅硬的地方。因此，扎克尼的團隊在 Auto-Gopher 的機身中安裝了一個衝擊系統，可以像錘子一樣將鑽頭敲入岩石中。
扎克尼說，研究人員不需要太多的能量來削除冰。即使鑽頭旋轉且鎚子系統全時運轉，Auto-Gopher 的運轉功率也約為 350 瓦，比典型吹風機的能耗還要低。扎克尼說，像「好奇號」這樣的漫遊車可以攜帶足夠的能量來運行這樣的鑽探以及科學儀器。
他和同事使用 Auto-Gopher 在南加州的一個石膏採石場鑽了大約 3 公尺。他說，這塊岩石的強度和均勻性與冰相似。該團隊去年 3 月在蒙大拿州大天空舉行的 2013 年 IEEE 航空航天會議上報告稱，在最高速度下，鑽頭的移動速度比 Stone Aerospace 的低溫機器人快一點，約為每小時 1.6 公尺。但研究人員遇到了一個大障礙：他們必須定期停下來清除鑽孔中的岩芯。
「你可能會認為核心總是一個很好的圓柱體，你可以捕捉並拉出，」扎克尼說。並非如此。 “有時核心會分解成碎片。”
木衛二在數公里厚的冰層下隱藏著液態海洋，可以想像還有生命。科學家正在尋找突破月球寒冷外部並探索下面水域的方法。阿什利·耶格爾製片的作品 |
現在，該團隊正在開發一種新的改良鑽機，即 AMNH 深鑽機，以其資金來源美國自然歷史博物館命名。該鑽機將岩石或冰屑傳送到管內的容器中，而不是產生必須從鑽孔中取出的岩心。研究人員計劃將電子設備和設備（例如顯微鏡和感測器）裝入管內。
扎克尼看到了使用他的團隊的鑽探系統來探索歐羅巴的兩大優勢。首先，透過在鑽頭突破外殼時捕獲冰屑，「當你一路向下時，你可以系統地獲取每一英尺冰的數據，」他說。
其次，透過將鑽孔機懸掛在電線上，該團隊避免了增加大量鑽頭部分，從而減輕地面設備的負擔。
但即使每公尺重 10 克左右，10 公里長的繫繩（纏繞在光纖線上的凱夫拉爾電纜）也會重 100 公斤。扎克尼說，使用碳奈米管等較輕的材料可以減輕繫繩的重量。
他和同事計劃在秋季在石膏採石場測試 AMNH 深鑽機。這次，他們的目標是30公尺深度。
扎克尼對該團隊的發明感到樂觀：「在未來十年內部署這種鑽頭是可行的，」他說。
到達那裡
即使某種刺穿歐羅巴冰層的技術在十年內準備就緒，美國前往木衛二衛星的前景也遠未確定。
施密特幫助設計了一個價值 20 億美元的任務概念，用於名為 Europa Clipper 的太空船。快艇將繞著木星運行，並從一系列飛越中發回有關木衛二的數據，試圖弄清楚這顆衛星是否適合居住。 「這是一個轟動一時的概念，既能完成科學研究，又能盡可能地限製成本，」她說。
生命的成分
今年三月，歐巴馬總統提議為歐羅巴任務的研究提供資金——這是這顆遙遠的月球第一次被納入總統的預算。但美國太空總署希望以快船一半的成本完成任務。
「這就像打在臉上的一記耳光，」施密特說。
她很高興總統的預算現在包括了歐羅巴，但對資金不太理想感到沮喪。施密特說，科學家已經研究了可能的木衛二任務 15 年，而 NASA 一直在高價和低價標籤之間來回徘徊。
美國太空總署天體生物學家克里斯托弗·麥凱認為，新的預算對於一項令人興奮的木衛二任務來說是足夠的——只是一個小而集中的任務。
「從小事做起，不斷累積是非常有意義的，」他說。 “我在 10 億美元中看到了各種各樣的機會。”他想將相機和麥克風降落在木衛二表面，拍攝風景並聆聽冰的聲音。
「冰會說話，」他說。 「它總是吱吱作響、呻吟、破裂、喋喋不休。冰正在講述一個故事——我們所要做的就是把耳朵貼在地上傾聽。
此外，他補充說，較便宜的任務可能有助於為以後更昂貴的飛行提供支援。 “想像一下從地面拍攝的歐羅巴照片會如何激發人們的興趣。”
表面穿透技術——無論何時最終使用——也可能在太陽系的其他地方發揮作用。科學家已經標記了其他可能適合居住的地點，例如土星富含碳氫化合物的衛星泰坦和水衛星土衛二。SN：2014 年 5 月 3 日，第 14 頁11）。
但對施密特和其他科學家來說，木衛二是首要目標：它有水、潛在的營養供應、在地表下冒泡的可能能源。
「我們認為地質活動是地球宜居的重要組成部分，」她說。 “這就是歐羅巴如此令人興奮的原因。”
華盛頓大學的韋布倫納說，發現生物是否生活在月球冰層之內或之下，解決了「我們面臨的一些最大的科學問題」。 「外面有人嗎？如果是這樣，生命的分佈範圍可能有多廣？
