Как новата сонда на НАСА ще оцелее в адския пейзаж на Венера

Тъй като това е нашият съсед, може да си представите, че имаме задълбочено разбиране за планетата Венера. Но ще сгрешите. НАСА не е посещавала планетата повече от 30 години, а за мястото има толкова много неща, че ние едва разберете, от неговата геоложка история до това какви видове скали има на повърхността му, че голяма част от него среда е по същество мистерия.

Учените смятат, че Венера е била някога като Земята, но двете се разминават в някакъв момент от еволюцията си, за да се превърнат в крайно различни места, които са днес. Знаем, че Венера има плътна атмосфера, която задържа топлината и я прави най-горещата планета в Слънчевата система. И знаем, че повърхността му е покрита с планини, разриви и вулкани, въпреки че не знаем дали те все още са активни.

Една от причините, поради които толкова много остава неизвестно за Венера, е, че гъстата й атмосфера скрива по-голямата част от терена от погледа и е трудно да се надникне през слоевете облаци, за да се види какво има отдолу. Друга причина е, че това е смразяващо негостоприемно място. Между температурите на печене и гъстата му, изпълнена с киселина атмосфера, нищо, създадено от човека, не е оцеляло на повърхността му за повече от няколко минути.

Но ако искаме да научим повече за тази мистериозна планета в съседство, трябва да я посетим. И точно това планира да направи мисията DAVINCI на НАСА, като пусне сонда през атмосферата, за да вземе показания по целия път надолу, докато пада на повърхността. Мисията, която ще бъде една от трио от мисии до Венера през следващото десетилетие, е планирано да бъде изстрелян през 2029 г. и да пристигне на Венера за падането си през атмосферата през 2031 г.

За да разберем как се изгражда сонда, която да издържи на тази адска среда и какво можем да научим от нея, разговаряхме с двама членове на екипа на DAVINCI: Джим Гарвин, главен изследовател на мисията, и Майк Секерак, системен проект инженер.

Какво става с атмосферата на Венера?

Венера представлява граница в планетарната наука, за която се знае много малко, като се има предвид колко сравнително близо е до нас. Какво се случва под горния облачен слой е особено интригуващ въпрос.

„Характеризирането на атмосферата, от върха на облаците до повърхността – толкова голямо, масивно атмосферата, 75% от масата на която е в долните 15 до 20 километра – е почти неизследвана“, Гарвин казах.

Сонди, изпратени до Венера през 60-те и 70-те години на миналия век, се опитаха да съберат данни за атмосферата и имаха известен успех. Но предишните измервания на атмосферата са били ненадеждни поради физически проблеми с предишни сонди като запушени входове и ограничената налична технология. Това доведе до някои разбъркани показания, за които Гарвин казва: „Някои от тях нямат смисъл.“

По-специално долната атмосфера в много отношения е мистерия. Може да е суперкритична течност, в която температурата и налягането са толкова големи, че се плиска като течност. Съществува и въпросът как скалите на повърхността на планетата взаимодействат с атмосферата.

А изучаването на атмосферата и повърхността може да помогне да се отговори на един от най-големите въпроси, които имаме за Венера: имала ли е някога течни водни океани на повърхността си и ако да, какво се е случило с тях?

Две големи предизвикателства

Венера не е гостоприемно място за сонда: тя е два пъти по-гореща от пещ и има по-голям натиск върху повърхността, отколкото под километър океан.

„Техническите предизвикателства, които имаме тук, са доста вълнуващи“, каза Секерак. Най-големият проблем за всяка потенциална мисия до Венера е топлината, тъй като температурите на повърхността могат да достигнат до 900 градуса по Фаренхайт (475 градуса по Целзий). Това е достатъчно горещо, за да разтопи оловото, и причинява хаос на електрониката.

Това обаче е само една част от екологичното предизвикателство. „Натискът обаче не изостава по отношение на трудностите“, каза Секерак. Налягането на повърхността е около 95 бара, или почти 100 пъти по-високо от атмосферното налягане на Земната повърхност, така че проектирането на сонда за този тип среда е нещо като изграждане на a подводница.

Когато бъде пуснат в атмосферата, DAVINCI ще се състезава с времето, за да събере цялата необходима информация, преди топлината и налягането да унищожат компонентите му. За да поддържа сондата активна възможно най-дълго, тя е сферична и покрита с дебела титанова обвивка, за да издържи на натиска и да изолира от топлината. След това има повече изолация вътре в тази обвивка, направена от специални материали, включително астрокварц, вид влакно, направено от стопен кварц.

Вътрешността е проектирана така, че да поддържа компонентите термично изолирани и от външната страна, за да предотврати прехвърлянето на топлина от корпуса. След това се пълни с газ въглероден диоксид, за да предпази електрониката с високо напрежение от искри и да спре изтичането на земни газове по време на изстрелването.

Като цяло сондата, която екипът нарича сфера за спускане, е с диаметър около един метър. Той ще бъде пуснат от орбитален апарат с парашут, за да забави спускането му, въпреки че атмосферата помага с това, защото е толкова дебело, че е по-скоро като пускане на сондата във вода, отколкото във въздух.

Общо ще отнеме 63 минути на сондата да достигне повърхността и за този един час тя ще събере възможно най-много данни, преди да бъде неизбежно унищожена от бруталната среда.

Вземане на проби докрай

Спускаемата сфера ще пада през атмосферата и ще взема проби по целия път надолу, за да изгради картина на атмосферата от върха до дъното.

Вътре в сферата ще има инструменти като спектрометри, подобни на инструментите на марсоходите Curiosity и Perseverance, който може да измерва химичния състав на пробите, като гледа дължините на вълните на светлината, които те абсорбирам. Но за разлика от марсоходите, които могат да отнемат часове или дни, за да съберат и внимателно анализират проба, DAVINCI ще трябва да направи вземането на проби и анализа си за няколко минути.

В различни точки на сферата има входни клапани с керамични капаци, които се счупват, за да поемат газове. Тези газове трябва да бъдат анализирани изключително бързо, след което да бъдат вентилирани, за да могат да се вземат повече проби. Това ще позволи на сондата да получи най-подробния поглед върху химията на атмосферата във всички нейни слоеве.

Докато това се случва, други сензори в сондата ще измерват фактори като температура и налягане, за да помогнат да се разбере структурата на атмосферата. След това всички тези данни ще бъдат изпратени обратно на орбиталния апарат, преди сондата да удари повърхността.

Сондата е предназначена само за вземане на проби от атмосферата, а не за кацане. Но когато се докосне до повърхността, има вероятност да оцелее. Плътната атмосфера и парашутът ще помогнат за забавяне на спускането му, но „той определено ще удари със скорост, която е, ъъъъ, по-малко от идеалната за оборудване за космически полети“, каза Секерак със смях.

Ако обаче сондата оцелее след кацането, събирането на данни може да продължи до 20 минути, преди топлината да проникне през сферата и да изпържи електрониката. И това ще бъдат още повече допълнителни данни за повърхностната температура и налягане, както и за наличните газове.

Разбирането на химията на атмосферата е само една част от целите на DAVINCI. Другата част, която може да бъде най-вълнуваща за обществеността, е правенето на снимки на мистериозната повърхност на Венера.

Венера в човешки мащаб

Сондата ще слезе „в планините на Венера, в терен, който никога досега не е бил виждан от човечеството“, каза Гарвин. И екипът иска да запише това преживяване както визуално, така и химически.

Сферата за спускане също ще има камера, която ще заснема висококонтрастни изображения на повърхността, които след това могат да бъдат вградени в 3D карти.

За да може една камера да работи от вътрешността на метална сфера обаче, ви е необходим прозорец. А стъклото не е чудесен материал за работа в среди с интензивно високо налягане. Ето защо прозорецът на DAVINCI ще бъде направен не от стъкло, а от сапфир.

„Това буквално е много, много голямо парче сапфир“, каза Секерак. „Защото има страхотни оптични свойства.“ Той е много силен, но и много ясен, така че няма да изкриви изображенията, заснети чрез него. Но неизбежно прозорец, който пропуска светлина, ще пропуска и повече топлина, така че инженерите добавиха материали за промяна на фазата около прозореца. Този материал се топи при определена температура, за да абсорбира излишната топлина от прозореца.

Това ще позволи на камерата да прави ясни, резки изображения по време на спускането си. Те ще бъдат използвани за снимане на терена на Венера, от високо и чак до самата повърхност.

„Нашите окончателни изображения ще имат 10-сантиметрова резолюция“, каза Гарвин. „Това е мащабът, който бихте видели, гледайки през хола си.“

Освен че предлага изобилие от научни данни, Гарвин се надява, че заснемането на изображения в този мащаб ще го направи помогнете на обществеността да почувства, че може да види Венера като истинско място, а не просто точка, от която да се наблюдава отдалече.

„Искаме да донесем човешкото зрение и нашето сетивно възприятие на Венера“, каза той. „Ще започнем да усещаме Венера в човешки мащаб.“

Тестване за неизвестното

Истинската сложна част от мисията до Венера дори не се справя с предизвикателствата, за които знаем, като температурата и налягането. Опитва се да предвиди какви предизвикателства могат да възникнат от среда, за която имаме толкова малко информация.

Ето защо тестването и подготовката ще бъдат голяма част от това, което екипът на DAVINCI прави през следващите седем години, в подготовка за стартиране, планирано за 2029 г.

„Правим тестове за най-лошия случай“, обясни Секерак. „Така че ние тестваме каква е възможно най-лошата среда.“

Например, изследователите знаят, че в облаците на Венера има капки сярна киселина – а сярната киселина прояжда материалите. Това е особена грижа за кевлареното въже, което ще прикрепи сферата за спускане към парашута. Така че, за да тестват дали ремъкът може да издържи на киселинната среда, инженерите не просто го суспендират в няколко капки киселина – те покриват цялата повърхност в киселина, след това тествайте силата на издърпване на ремъка, за да се уверите, че може да оцелее достатъчно дълго, за да пренесе сондата през атмосферата дори и в най-лошия възможен случай.

Що се отнася до начина, по който тествате хардуера в среда, която е толкова различна от Земята, трябва да сте креативни. За да видят колко време ще отнеме на металната сфера да се нагрее, екипът я занесе в леярна за метали. „Тяхната работа е да стопяват метал“, каза Секерак. „И ние поставихме нашето оборудване вътре, за да се упражняваме да го нагряваме, за да измерим този топлинен поток.“

Идеята е да се вгради достатъчно резерв във всяка критична система, за да се позволят всякакви неизвестни, които планетата може да хвърли в сферата. Гарвин обясни: „Вложихме... много инженерна мисъл и намаляване на риска в начина, по който правим това.“

Това дори засяга начина, по който данните ще бъдат събрани. „Ако имаме добър ден на Венера, вероятно ще получим обратно 500 изображения на слизане“, каза той. „Ако имаме най-лошия ден, познат на човечеството, вероятно ще си върнем 35. Но 35 е много повече от необходимото, за да направим този вид картографиране. Разбира се, повече изображения означава повече информация и това е за предпочитане, тъй като позволява повече наука. Но дори и при най-лошите условия, те ще намерят безценна информация.

Винаги нещо ново за научаване

Посещението на Венера е огромно предизвикателство дори за амбициозните стандарти на големите космически мисии. Но потенциалната печалба по отношение на това, което можем да научим, е огромна.

Научаването за Венера ще бъде завладяващо само по себе си. Но също така е важно за нашето разбиране за екзопланетите. Докато мисии като космическия телескоп Джеймс Уеб откриват и изследват нови планети извън нашата слънчева система, ще се нуждаем от отправна точка за скалисти планети като Земята, Марс и Венера.

Имаме доста солидно разбиране за основните характеристики на Земята и Марс и като добавим данни от Венера, ще можем да разберем много по-добре далечните планети.

„Венера ще се превърне в точка за калибриране за видовете големи, скалисти планети, носещи атмосфера че ще можем да видим и разберем с Уеб и големите телескопи, които идват отвъд“, Гарвин казах.

И разбира се, има онзи най-човешки инстинкт, за учене и изследване и за пътуване до нови места. „Това е една от причините, поради които обичам да работя по тези мисии за изследване на космоса – отиваме на място, за което не знаем много“, каза Секерак.

Научихме много за изграждането на околната среда на Земята и Марс и сега можем да вземем част от тези знания и да ги приложим на друго място. Изграждането за тази среда ще разшири нашата технология и посещението й със сонда може да започне да разкрива някои от нейните мистерии. Както каза Секерак, когато посещавате нова космическа среда, „винаги има нещо ново, което можете да научите“.

Препоръки на редакторите

• Вътре в лудия план да вземете и да пренесете у дома частица от атмосферата на Венера
• Как да гледате как частната мисия на НАСА пристига на космическата станция
• Как класът на астронавтите на НАСА от 1978 г. промени лицето на изследването на космоса
• Как да гледате как НАСА разкрива своя скафандър от следващо поколение
• Венера, Юпитер и Церера присъстват в съветите на НАСА за наблюдение на небето за март