造个太空潜艇，去木卫二冰面下的海洋看一看

钻机穿透木卫二冰面进入海洋，释放科考潜艇的假想图。图片来源：NASA 喷气推进实验室(JPL)

过去20年，天体科学最重大的发现，包括在土星的最大卫星泰坦（土卫六）上发现液态甲烷构成的海洋，以及在多颗气态巨行星的冰面之下发现海洋。这些发现意味着，这些海洋中可能有生命存在。

不幸的是，探测这些海洋极其困难。首先，只有非常复杂和昂贵的星际探测器，例如“朱诺”号和“卡西尼”号才能到达那里。其次，着陆过程更加困难。2005年，欧洲空间局的“惠更斯”号着陆器成功登陆泰坦卫星，但是落在了干燥的地面而不是海洋中。人类还得寻找其他方法。

一个最新的构想是，将潜艇送到那些海洋中进行探测。之后的两年内，NASA将投资50万美元，研究能够在泰坦卫星的海洋中进行探测的潜艇。但是还有更加大胆的设想，设计能够直达冰下海洋的，针对木星的卫星木卫二、甘美尼德星和土卫二的探测器。但是这样的设想是否已经超过了我们的技术能力？

甲烷海洋中的液体

克拉肯湖（Kraken Mare）是泰坦（土卫六）上面积最大的海洋，面积40万平方公里，超过地球最大咸水湖——里海。里面不是水，而是甲烷，乙烷和氮。

卡西尼探测器的成像雷达穿透泰坦不透明大气拍摄的克拉肯湖北部区域，图中的陆地被称为马亚达半岛。图片来源：NASA喷气推进实验室(JPL)

在泰坦甲烷湖中的潜艇该怎么设计？它的外形应当类似于地球海洋中的潜艇，但长度应该达到宽度的10倍，这样可以减小阻力，并在内部空间容纳各种探测设备。该潜艇深入水下工作，但必须定期上浮到海面，把采集到的数据发回地球。

能源是必须考虑的问题。在遥远的外行星，太阳能电池板难以提供足够的电力。工程师设计了多种方案，包括小型核反应堆和燃料电池，但这些能源都太重。然而，钚元素衰变电池是个合适的选择。

克拉肯湖的周边深度约为30-40米，但是它的最深处估计为150米。越往深处下潜，潜艇受到的压力越大。液态甲烷的密度是水的一半，此外，泰坦上的重力也只有地球的七分之一，跟月球重力差不多。因此即使潜艇在150米深的海底，受到的压力也不会有多大。

但是最大的挑战来自于工程：潜艇要能装在火箭上，熬过从地球到泰坦的7年旅程，还要能安全穿过泰坦的大气层。类似于X-37空间飞行器的运载工具应该能够顺利穿过泰坦的碳氢化合物大气层，然后在克拉肯湖中释放潜艇。

还有温度控制问题：克拉肯湖的温度是零下180摄氏度左右，但是钚衰变电池产生的废热很多，必须及时散热。

更大的挑战：冰面下的海洋

科学研究已经证明，木卫二几十千米厚的冰壳下，很可能存在液态咸水海洋。事实上，这种冰下海洋不仅存在于木星和土星的卫星上，甚至包括天王星和海王星的卫星。水是地球生物的生命之源，因此可以合理推测，这些外星海洋也可能存在生命。这是为什么行星科学家如此想探测这些冰下海洋，使用探地雷达进行遥感探测，或者直接把潜艇送入冰下海洋。

去木卫二逛宇宙水族馆！图片来源：NASA喷气推进实验室(JPL)

一种被称为“融冰钻头”的技术能够将潜艇送入冰下海洋。该钻头熔化周围的冰，借助重力，不断下行。但是融冰需要很多能量。一座发电站可以提供足够的功率，让融冰钻头在短时间内穿透冰层，但是人类不可能把一座电站送到欧罗巴（木卫二）。而以宇宙飞船可以携带的最大功率电源计算，穿透欧罗巴冰层要8年时间。

一种设想是利用小型核反应堆，可以提供足够功率在6周内打通冰壳。但是，目前没有能小到装入钻头中的核反应堆。一种替代方案是把反应堆留在冰面上，通过光纤给钻头供电。

当穿透冰壳后，潜艇被释放到海洋中。它通过声波把数据发送回留在原地的钻头（鲸鱼也是这样通信的），钻头把数据发送回冰面上的通信设备，再发回地球。

令人惊奇的是，这套方案已经在南极进行过测试。但是在使用中发现了2个问题,一是当冰融化时，冰中的沉积物会被释放出来，堆积在钻头的前方，这可能影响探头的工作。其次，为了不把地球上的微生物带到外星冰下海洋，钻头和潜艇都要进行极其严格的消毒。

综上，外星海洋探测的技术难度很大。但是NASA已经着手进行研究，并建立了预期于2040年左右发射的探测任务时间表。在对泰坦甲烷湖进行探测后，也许真的有一天，人类能够去冰下海洋探测那里可能存在的生命。

编辑：离子心

参考：Lancaster University

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