Các ống lấy mẫu được nạp vào xe tự hành Perseverance. Các ống này sẽ được phóng lên từ Trái đất vào tháng 7 năm 2020, có thể trở thành thiết bị đầu tiên hoàn thành chuyến đi một vòng đến sao Hỏa và quay trở lại vào năm 2031.

Nhiệm vụ nhằm tìm kiếm các dấu hiệu về điều kiện sống trên sao Hỏa trong quá khứ cổ đại, đồng thời cũng sẽ tìm kiếm bằng chứng các cấu trúc sinh học của vi sinh vật trong quá khứ và trong nước. Nhiệm vụ triển khai vào ngày 30 tháng 7 năm 2020 trên một tên lửa đẩy Atlas V-541[7] được phóng đi và Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực quản lý sứ mệnh này. Nhiệm vụ này là một phần của Chương trình Thám hiểm Sao Hỏa của NASA.[10][11][12][5] Science Definition Team đã đề xuất máy bay mang theo sẽ thu thập và đóng gói 31 mẫu lõi đá và đất bề mặt rồi mang về Trái đất phân tích.[13] Vào năm 2015, họ đã mở rộng điều này, lên kế hoạch thu thập nhiều mẫu hơn nữa và phân phối các ống thành các ống nhỏ hơn để lấy mẫu trên bề mặt sao Hỏa.[14]

Vào tháng 9 năm 2013, NASA đã đưa ra Thông báo về Cơ hội cho các nhà nghiên cứu để đề xuất và phát triển các công cụ cần thiết, bao gồm cả Hệ thống bộ nhớ đệm mẫu (Sample Caching System).[15][16] Các công cụ khoa học dùng cho nhiệm vụ đã được chọn lựa vào tháng 7 năm 2014 sau một cuộc thi mở dựa trên các mục tiêu khoa học được đặt ra một năm trước đó.[17][18] Việc hoạt động khoa học được thực hiện bởi các công cụ của xe tự hành sẽ phục vụ việc phân tích chi tiết và lấy các mẫu vật đất đá mang về Trái đất.[19] Chủ tịch Science Definition Team cho biết NASA không cho rằng sự sống đã từng tồn tại trên Sao Hỏa, nhưng với những phát hiện gần đây của Curiosity thì sự sống trên Sao Hỏa trong quá khứ dường như có thể đã xảy ra.[19]

Xe Perseverance tại JPL gần Pasadena, California

Perseverance sẽ khám phá một địa điểm có thể đã được sử dụng. Nó sẽ tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống trong quá khứ, dành một bộ lưu trữ có thể mang về các mẫu đất và lõi đá có vẻ hấp dẫn nhất, đồng thời chứng minh hiệu quả công nghệ cần thiết cho quá trình thám hiểm sao Hỏa của con người và robot trong tương lai. Một yêu cầu nhiệm vụ quan trọng là nó phải giúp chuẩn bị cho NASA các nhiệm vụ lấy mẫu ở sao Hỏa và các nỗ lực thực hiện sứ mệnh của phi hành đoàn.[4][5][6] Chiếc xe tự hành sẽ thực hiện các phép đo và sử dụng thực nghiệm công nghệ để giúp các nhà thiết kế chuyến thám hiểm của con người trong tương lai hiểu được bất kỳ mối nguy hiểm nào do bụi sao Hỏa gây ra và giúp thử nghiệm công nghệ tạo ra một lượng nhỏ oxy tinh khiết từ carbon dioxide trong khí quyển sao Hỏa.[20]

Công nghệ hạ cánh chính xác được cải tiến nhằm nâng cao khả năng cho các sứ mệnh robot và cũng sẽ rất quan trọng đối với hoạt động khám phá bề mặt của con người.[21] Dựa trên thông tin ban đầu vào từ Science Definition Team, NASA đã xác định các mục tiêu cuối cùng cho chuyến bay năm 2020. Những điều đó đã trở thành cơ sở để trưng cầu các đề xuất cung cấp công cụ cho xe tự hành vào mùa xuân năm 2014.[20] Nhiệm vụ cũng sẽ cố gắng tìm kiếm nước dưới bề mặt sao Hỏa, cải thiện kỹ thuật hạ cánh và mô tả thời tiết, bụi và các điều kiện môi trường tiềm năng khác có thể ảnh hưởng đến các phi hành gia trong tương lai sống và làm việc trên sao Hỏa.[22]

Yêu cầu nhiệm vụ quan trọng đối với chiếc xe tự hành này là nó phải giúp chuẩn bị cho NASA cho chiến dịch lấy mẫu sao Hỏa (MSR),[23][24][25] cần thiết trước khi bất kỳ nhiệm vụ nào được tổ chức thực hiện.[4][5][6] Những nhiệm vụ như thế sẽ đòi hỏi ba phương tiện bổ sung: một tàu quỹ đạo, một máy dò tìm nạp và một phương tiện phóng lên sao Hỏa hai giai đoạn, chạy bằng nhiên liệu rắn (MAV).[26][27] Khoảng 20 đến 30 mẫu đã khoan sẽ được thu thập và lưu trữ vào bộ chứa bên trong xe Perseverance[28] và sẽ được mang khỏi bề mặt sao Hỏa để NASA có thể đưa về với ESA.[25][28] Một "máy dò tìm nạp" sẽ truy xuất các bộ chứa mẫu và đưa chúng đến một phương tiện đi lên sao Hỏa hai giai đoạn, chạy bằng nhiên liệu rắn (MAV). Vào tháng 7 năm 2018, NASA đã ký hợp đồng với Airbus để sản xuất một phương tiện nghiên cứu gọi là "máy bay tìm nạp".[29] MAV sẽ phóng từ Sao Hỏa và đi vào quỹ đạo 500 km đến điểm hẹn với Tàu quỹ đạo Sao Hỏa Tiếp theo (Next Mars Orbiter) hoặc Tàu quỹ đạo Quay trở lại Trái đất (Earth Return Orbiter).[25] Vật chứa mẫu sẽ được chuyển đến một phương tiện bay về Trái đất (EEV) và sẽ đưa chúng đến Trái đất, đi vào bầu khí quyển dưới một chiếc dù, mẫu đã lấy để phân tích đặt trong các khoang thí nghiệm an toàn được thiết kế đặc biệt.[24][25]