Дивият план да пренесе у дома частица от атмосферата на Венера

Ако наскоро сте следили космически новини, вероятно сте чували за Mars Sample Return – амбициозния план на НАСА да събере проби от марсиански скали и да ги върне на Земята за изследване. Тази мисия е планирана да стартира по-късно това десетилетие, но ще бъде дълъг и изключително скъп процес за събиране и извличане на тези проби.

Но Марс не е единствената планета на разстояние за посещение. Защо не отскочим до другия ни планетарен съсед Венера и не вземем проба и оттам?

Това е точно това, което се предлага от група изследователи на Венера. Говорихме с ръководителя на групата за предложения, за да научим повече.

Стара идея, чието време е дошло

Учените обсъждат предимствата на опитите за извличане на проба от Венера от десетилетия, като концепциите за мисията са проучени още през 80-те години на миналия век. Въпреки че Марс е планетата, която получи най-голямо внимание през последните години, има силен интерес към планетарната наука общност в научаването на повече за Венера - особено защото може да ни помогне да разберем повече за други планети извън нашето слънце система.

Сега това може да се промени, тъй като НАСА стартира декада на Венера с две мисии, планирани да посетят там, заедно с мисия на Европейската космическа агенция, всички планирани за следващото десетилетие.

Предишни примерни мисии на Венера никога не са стартирали поради няколко причини: фокусът върху Марс приключи Венера, липсата на технология, която да позволи такава сложна операция, и същественото негостоприемство на Венера. Венера е гореща, с изключително плътна атмосфера, създаваща много сурова среда за работа на електрониката.

Опитвате се да летите до Венера, да изпратите сонда на повърхността, да вземете проба, да върнете тази проба обратно в орбита и тогава връщането му на Земята би било едновременно непосилно скъпо и би изисквало значителни технологични разходи разработки.

Ето защо група френски изследователи имат различен подход. Вместо да се опитваме да съберем парче от повърхността на Венера, трябва да се опитаме да вземем част от нейната атмосфера. Мисията за връщане на атмосферни проби на Венера или VATMOS-SR е концепция за мисия от група от Парижкия институт по планетарна физика, които се опитват да съберат подкрепа за своята идея.

Голямото предимство на този подход е неговата относителна простота. Няма нужда да приземявате нищо на повърхността или да се връщате в орбита. Вместо това можете да изпратите един космически кораб по пътека далеч от Земята и към Венера, където той ще навлезе в атмосферата и ще напълни бутилки с около четири литра газ. След това ще продължи да пътува обратно към Земята.

Космическият кораб нямаше да има инструменти и да не взема показания. Това би било просто превозно средство за събиране. Това го прави по-безопасно, по-лесно и по-евтино, обясни водещият изследовател Гийом Авис пред Digital Trends.

„Просто преминавате през атмосферата по балистична траектория“, каза Ейвис. „Така че отнема само една година, за да отидете там, да вземете пробата си и да се върнете на Земята.“

Планиране в дългосрочен план

В наши дни планетарните научни мисии обикновено включват изпращане на инструменти (като тези на марсоходите) до дадено място и те да извършват измервания. Този подход препоръчва събирането на материал и връщането му обратно на Земята, където имаме много по-способни и разнообразни инструменти, с които да изследваме.

А със скъпоценен образец от друга планета малкото е много важно. Проба от няколко литра газ може да занимава учените с години.

„Наистина страхотно е, че получавате много газ и можете да го измервате, не завинаги, а за дълго време на Земята“, обясни Ейвис. „Ако се замислите, можете да запазите малко от тази проба. Може би след десетилетие ще имаме нов спектрометър на Земята, който ще бъде полезен за тази проба.

Това планиране за бъдещето има смисъл, когато погледнете как НАСА подходи към лунните проби, събрани по време на мисиите на Аполо до Луната. Някои проби бяха анализирани веднага след като бяха върнати на Земята, но други бяха съхранени на базата, че бъдещата технология ще позволи да бъдат анализирани в нова дълбочина. И този дългосрочен подход се изплати с 50-годишна проба отвори врати едва миналата година и разкриване на информация за геологията и историята на Луната.

Ако успеем да вземем подобна проба от атмосферата на Венера, голяма част от нея може да бъде съхранена и в дългосрочен план. И изследователите биха се възползвали дори само от шепа атоми от газова проба, така че проба от няколко литра би била достатъчна, за да осигури изследователски материали за цялата общност на Венера.

Предстояща мисия до Венера, наречена Davinci, планира да направи подобни измервания на атмосферата, но в този случай има криза в реално време. Мисията включва пускане на сферична проба през атмосферата, така че пробите трябва да бъдат взети и обработени само за един час.

Това е причинило проблеми с предишни мисии на Венера през по-ранните десетилетия, което е довело до изкривени констатации, вероятно поради неправилно калибриране или запушени отвори. Инженерите правят всичко възможно, за да предвидят всякакви възможни проблеми с вземането на проби, но това е трудно да се направи, когато има толкова много неизвестни за околната среда, в която навлиза мисията.

Ако обаче проба бъде върната на Земята, има достатъчно време за калибриране на инструментите и двойна проверка на резултатите, което прави констатациите по-надеждни.

Има някои сложности при вземането на проба при много високи скорости. Възниква процес, наречен фракциониране, който може да раздели пробата на различни части, когато се събира толкова бързо, но трябва да е възможно да се коригира това.

Как ще работи мисията за вземане на атмосферни проби

Все пак има основателни причини никой да не е опитвал мисия за връщане на проби от Венера. Защото не е лесно.

Очевидният паралел на мисията за връщане на проби на Венера би била мисията за връщане на проби на Марс, an предстоящо съвместно предприятие между НАСА и Европейската космическа агенция, което е планирано да стартира в края на краищата 2020 г. Този план за събиране на проба от Марс включва множество роувъри, спускаеми апарати или хеликоптери, разработва се от десетилетия и има нарастващ бюджет, който тревожи дори пламенните ентусиасти на Марс.

А Венера е още по-негостоприемна от Марс, със своята плътна атмосфера, облаци от сярна киселина и налягане, сравнимо с дълбините на океана. Опитът да се върне проба от повърхността на Венера би бил „кошмар“, каза Ейвис, и „вероятно дори по-скъп, отколкото на Марс“.

Ето защо групата на Avice предлага вместо това да се вземе проба от атмосферата на планетата. „Супер евтино е“, каза той, относително казано: Групата оценява цената на такава мисия на 100 милиона евро (110 милиона долара) в сравнение с $8 до $9 милиарда текущи оценки за връщане на проби от Марс.

Дори и с относителната лекота на атмосферна проба обаче, нито една стара част от атмосферата няма да свърши работа. На много голяма надморска височина атмосферата е изключително тънка и някои молекули се отделят от гравитацията. Така че, за да получите представителна проба, трябва да отидете под ниво, наречено хомопауза, под което атмосферата е достатъчно добре смесена, за да съдържа всички налични различни молекули.

На Венера хомопаузата е на около 110 км (70 мили) от повърхността, така че мисията трябва да достигне под това ниво. Но колкото по-дълбоко отивате, толкова по-трудна става мисията. „Така че целта е да бъде точно под хомопаузата, с известна граница на безопасност“, каза Ейвис. „Ако отидем по-дълбоко, става много по-предизвикателно и скъпо.“

Предизвикателствата

Дори само преминаването през атмосферата на планетата обаче е трудно. Едно голямо предизвикателство е въпросът за предпазването на космическия кораб от огромната топлина, която се натрупва поради триенето в атмосферата.

Космически кораби, които ще навлязат в атмосферата на планета - независимо дали това е посещение на друга планета като Марс или космически кораб, който се връща към Земята през атмосферата на нашата собствена планета – имат дебел топлинен щит, който предпазва деликатните компоненти вътре от много високи температури.

Доставянето на марсоход на Марс, например, включва опаковане на марсохода в топлинен щит и след това запечатване на цялото нещо - марсоход и топлинен щит заедно, заедно с тласкащи устройства и други части на космическия кораб - в носовия конус на ракета за изстрелване. Веднъж в космоса, космическият кораб се разгръща и пътува до Марс, след което топлинният щит защитава марсохода, докато преминава през атмосферата, за да кацне.

За мисия за атмосферна проба обаче ще ви е необходим един топлинен щит, който да работи два пъти - и по време на вземането на проби на Венера, и отново при връщане на пробата на Земята. Не е ясно дали настоящата технология за топлинен щит ще се справи със задачата да защити космически кораб чрез две такива експозиции.

Да накараме топлинен щит да работи два пъти е „нещо, което всъщност не знаем как да направим“, каза Avice. И може да изисква години на развитие, за да работи, ако изобщо е възможно.

Какво да правим с пробата, след като се върне на Земята

Друго предизвикателство е изненадващо. Може би си мислите, че събирането на проба е трудната част и анализирането й, след като се върне на Земята, би било лесно. Но се оказва, че работата с газови проби е по-трудна, отколкото можете да си представите.

Атмосферата на Венера е пълна с вещества, които лесно се изпаряват, наречени летливи. Те включват благородни газове и съединения, включително азот, водород, въглерод и сяра. Изучаването им е от ключово значение за разбирането на атмосферата на Венера, но те не са лесни за транспортиране или изучаване.

За правилното улавяне на летливо вещество в бутилка за проба се нуждаете от много добър клапан — и двете, така че нито един от пробата изтича и така че нито един от газовете от други среди като земната атмосфера да не изтича. Това беше проблем за мисията Hayabusa2, която успя да върне проба от астероид, но имаше опит изтичане на земна атмосфера вероятно причинено от шока от разгръщането на парашута по време на завръщането му на Земята.

Дори ако пробата се върне на Земята напълно девствена, без каквито и да било течове, пак трябва да се движите бързо, за да прехвърлите пробата от нейната бутилка в по-сигурен контейнер. Дори и най-стегнатите клапани ще изтекат малко след месеци, така че имате нужда от система от множество контейнери, които могат да уловят всичко, което изтече от пробата, и да запазят колкото се може повече от него възможен.

Изследователите се развиват вакуумни системи за извличане и анализ на газове, включително тези използвани за пробата Hayabusa2, но това все още е нова област на технологията, която трябва да бъде разработена, за да бъде напълно ефективна мисията за връщане на атмосферни проби.

Бъдещето на планетарната наука: in situ vs. проба връщане

Мисията за вземане на атмосферни проби все още е в етап на концепция и групата се надява да я вземе в следващия кръг от предложения за Европейската космическа агенция или може би за НАСА.

Това е амбициозен план, но не е толкова необичайна концепция, колкото би била преди няколко години. „Преди десетилетия връщането на проби беше само мечта и не беше наистина сериозно“, каза Ейвис, но сега с предишното мисии като Hayabusa2 и предстоящи мисии като Mars Sample Return, това се превръща в реална възможност.

И има потенциал да се покаже, че връщането на проби може да се извърши сравнително бързо и евтино, поради траекториите, които са възможни между Земята и Венера и защото космически кораб няма да трябва да забавя, да стига до повърхността и да се връща обратно в орбита, преди да се върне в Земята.

Мисията потенциално може да бъде бърз камшик напред-назад, връщайки проба в рамките на една година.

„Наистина страхотно е, че ще получим проба от атмосферата на Венера, преди да получим проби от Марс“, каза Ейвис. „Така че това ще бъде първата проба от друга планета.“

Препоръки на редакторите

• Ето защо учените смятат, че животът може да е процъфтявал на „адската планета“ Венера
• Вътре в Vera C. Обсерваторията Рубин, домът на най-голямата цифрова камера в света
• Rocket Lab планира да изпрати първата частна мисия до Венера
• Изследователи от MIT детайлизират планове за частни мисии за търсене на живот на Венера
• Видео на НАСА ви показва какво е да се потопите в атмосферата на Венера