Divoký plán přinést domů trochu atmosféry Venuše

Pokud jste nedávno sledovali vesmírné zprávy, pravděpodobně jste slyšeli o Mars Sample Return – ambiciózním plánu NASA sbírat vzorky marťanských hornin a přivézt je zpět na Zemi ke studiu. Tato mise je naplánována ke spuštění později v tomto desetiletí, ale sběr a získání těchto vzorků bude trvat roky a extrémně nákladný proces.

Ale Mars není jedinou planetou v dosahu návštěvy. Proč nepřeskočíme k naší další planetární sousedce, Venuši, a neodebereme si odtamtud vzorek?

To je právě to, co navrhuje skupina výzkumníků Venuše. Mluvili jsme s vedoucím skupiny návrhů, abychom se dozvěděli více.

Starý nápad, jehož čas přišel

Vědci diskutují o výhodách pokusu získat vzorek z Venuše po celá desetiletí, přičemž koncepty mise byly studovány již v 80. letech 20. století. Přestože Mars byl planetou, které se v posledních letech dostalo největší pozornosti, o planetární vědu je velký zájem komunitě při poznávání více o Venuši – zejména proto, že by nám to mohlo pomoci porozumět více o jiných planetách mimo naši sluneční soustavu Systém.

Nyní by se to mohlo změnit, protože NASA začíná desetiletí Venuše s dvojicí misí, které tam mají navštívit, spolu s misí Evropské vesmírné agentury, všechny naplánované na příští desetiletí.

Předchozí vzorkové mise Venuše se nikdy nedostaly ze země z několika důvodů: zaměření na Mars skončilo Venuše, nedostatek technologie umožňující tak složitou operaci a zásadní nehostinnost Venuše. Venuše je horká, s extrémně hustou atmosférou, což vytváří velmi drsné prostředí pro provoz elektroniky.

Pokusit se letět k Venuši, poslat sondu na povrch, sebrat vzorek, dostat jej zpět na oběžnou dráhu a jeho návrat na Zemi by byl jak neúměrně drahý, tak by vyžadoval značné množství technologií vývoj.

Proto má skupina francouzských výzkumníků jiný přístup. Místo toho, abychom se snažili shromáždit kus povrchu Venuše, měli bychom se pokusit zachytit část její atmosféry. Mise Venus Atmospheric Sample Return neboli VATMOS-SR je koncept mise skupiny z Pařížského institutu planetární fyziky, která se snaží získat podporu pro svůj nápad.

Velkou výhodou tohoto přístupu je jeho relativní jednoduchost. Není potřeba nic přistávat na povrchu nebo se vracet na oběžnou dráhu. Místo toho byste mohli poslat jednu kosmickou loď na cestu pryč od Země a směrem k Venuši, kde by vstoupila do atmosféry a naplnila láhve asi čtyřmi litry plynu. Pak by pokračovalo v cestě zpět na Zemi.

Kosmická loď nebude mít žádné přístroje a nebude mít žádné údaje. Bylo by to jen sběrné vozidlo. Díky tomu je to bezpečnější, jednodušší a levnější, vysvětlil vedoucí výzkumník Guillaume Avice pro Digital Trends.

"Jen prolétnete atmosférou po balistické dráze," řekl Avice. "Takže cesta tam, odebrání vzorku a návrat na Zemi trvá jeden rok."

Plánování na dlouhou dobu

V dnešní době planetární vědecké mise obvykle zahrnují odesílání přístrojů (jako jsou ty na Mars roverech) na místo a jejich provádění měření. Tento přístup obhajuje shromažďování materiálu a jeho přinášení zpět na Zemi, kde máme mnohem schopnější a rozmanitější nástroje ke zkoumání.

A se vzácným vzorkem z jiné planety jde trochu daleko. Vzorek několika litrů plynu by mohl zaměstnat vědce na roky.

"Co je opravdu skvělé, je to, že získáte spoustu plynu a můžete jej měřit, ne navždy, ale po dlouhou dobu na Zemi," vysvětlil Avice. „Když se nad tím zamyslíte, můžete si trochu toho vzorku uchovat. Možná za deset let budeme mít na Zemi nový spektrometr, který bude pro tento vzorek užitečný."

Toto plánování do budoucna dává smysl, když se podíváte na to, jak NASA přistoupila k měsíčním vzorkům odebraným během misí Apollo na Měsíc. Některé vzorky byly analyzovány, jakmile byly vráceny na Zemi, ale jiné byly uloženy na základě toho, že budoucí technologie umožní jejich analýzu do nové hloubky. A tento dlouhodobý přístup se vyplatil, u 50 let starého vzorku otevřel teprve loni a odhalující informace o geologii a historii Měsíce.

Pokud bychom byli schopni vzít podobný vzorek atmosféry Venuše, velká část by mohla být uložena také dlouhodobě. A výzkumníkům by prospěla i jen hrstka atomů vzorku plynu, takže vzorek několika litrů by stačil k poskytnutí výzkumných materiálů pro celou komunitu Venuše.

Nadcházející mise na Venuši zvaná Davinci plánuje provést podobná měření atmosféry, ale v tomto případě je zde kriz v reálném čase. Mise zahrnuje vypuštění koule vzorku atmosférou, takže vzorky musí být odebrány a zpracovány během pouhé jedné hodiny.

To způsobilo problémy s předchozími misemi Venuše v dřívějších dekádách, což vedlo ke zkresleným nálezům pravděpodobně kvůli nesprávné kalibraci nebo ucpaným průduchům. Inženýři se ze všech sil snaží předvídat možné problémy se vzorkováním, ale to je těžké udělat, když je o prostředí, do kterého mise vstupuje, tolik neznámých.

Pokud je však vzorek přiveden zpět na Zemi, zbývá spousta času na kalibraci přístrojů a dvojitou kontrolu výsledků, díky čemuž jsou nálezy spolehlivější.

Odebírání vzorku při velmi vysokých rychlostech je problematické. Dochází k procesu zvanému frakcionace, který může vzorek rozdělit na různé části, když je shromážděn tak rychle, ale mělo by být možné to opravit.

Jak by fungovala mise vzorkování atmosféry

Existují dobré důvody, proč se nikdo předtím nepokusil o návrat vzorku Venuše. Protože to není snadné.

Zjevnou paralelou s návratovou misí vzorku Venuše by byla mise Mars Sample Return, an připravovaný společný podnik mezi NASA a Evropskou vesmírnou agenturou, který má být spuštěn na konci roku 20. léta 20. Tento plán shromáždit vzorek z Marsu zahrnuje několik roverů, landerů nebo helikoptér, připravuje se desítky let a má nafouknutý rozpočet, který znepokojuje i zapálené nadšence pro Mars.

A Venuše je se svou hustou atmosférou, oblaky kyseliny sírové a tlakem srovnatelným s hlubinami oceánu ještě nehostinnější než Mars. Pokus vrátit vzorek z povrchu Venuše by byl „noční můra“, řekl Avice, a „pravděpodobně ještě dražší než na Marsu“.

To je důvod, proč Aviceova skupina navrhuje místo toho sebrat vzorek z atmosféry planety. "Je to super levné," řekl relativně vzato: Skupina odhaduje náklady na takovou misi na 100 milionů eur (110 milionů dolarů) ve srovnání s Současné odhady 8 až 9 miliard dolarů pro Mars Sample Return.

I s relativní lehkostí atmosférického vzorku se však žádný starý kousek atmosféry nepovede. Ve velmi vysokých nadmořských výškách je atmosféra extrémně řídká a některé molekuly jsou odděleny gravitací. Takže abyste získali reprezentativní vzorek, musíte jít pod úroveň zvanou homopauza, pod kterou je atmosféra dostatečně dobře promíchaná, aby obsahovala všechny různé přítomné molekuly.

Na Venuši je homopauza asi 110 km (70 mil) od povrchu, takže mise musí dosáhnout pod tuto úroveň. Ale čím hlouběji jdete, tím těžší se mise stává. "Cílem je tedy být těsně pod homopauzou s určitou bezpečnostní rezervou," řekl Avice. "Pokud půjdeme hlouběji, bude to mnohem náročnější a dražší."

Výzvy

I jen dostat se přes atmosféru planety je však obtížné. Jedním z velkých problémů je otázka, jak udržet kosmickou loď v bezpečí před obrovským teplem, které se hromadí v důsledku tření v atmosféře.

Kosmická loď, která vstoupí do atmosféry planety – ať už jde o návštěvu jiné planety, jako je Mars, nebo návrat kosmické lodi k Zemi přes atmosféru naší planety – mají silný tepelný štít, který chrání choulostivé součásti uvnitř před velmi vysokými teplotami teploty.

Doručení roveru na Mars například zahrnuje zabalení roveru do tepelného štítu a následné utěsnění celé věci – rover a tepelný štít společně s tryskami a dalšími částmi kosmických lodí – do přední části rakety ke startu. Jakmile je kosmická loď ve vesmíru, je rozmístěna a cestuje k Marsu, poté tepelný štít chrání rover, když prochází atmosférou na přistání.

Pro misi s atmosférickým vzorkem byste však potřebovali jeden tepelný štít, aby fungoval dvakrát – jak během vzorkování na Venuši, tak znovu při návratu vzorku na Zemi. Není jasné, zda by současná technologie tepelného štítu dokázala ochránit kosmickou loď prostřednictvím dvou takových expozic.

Aby tepelný štít fungoval dvakrát, je „něco, co ve skutečnosti nevíme, jak udělat,“ řekl Avice. A může to vyžadovat roky vývoje, aby fungovalo, pokud je to vůbec možné.

Co dělat se vzorkem, až se vrátí na Zemi

Další výzva je překvapivá. Možná si myslíte, že shromáždit vzorek je nejtěžší a analyzovat jej, jakmile bude zpět na Zemi, by bylo snadné. Ukazuje se ale, že práce se vzorky plynu je těžší, než si dokážete představit.

Atmosféra Venuše je plná látek, které se snadno vypařují, nazývané těkavé látky. Patří mezi ně vzácné plyny a sloučeniny včetně dusíku, vodíku, uhlíku a síry. Jejich studium je klíčem k pochopení atmosféry Venuše, ale není snadné je přenášet nebo studovat.

Chcete-li správně zachytit těkavou látku v lahvičce na vzorky, potřebujete velmi dobrý ventil – oba tak, aby žádný z nich nebyl vzorek unikne, a tak neunikne žádný z plynů z jiných prostředí, jako je zemská atmosféra. To byl problém pro misi Hayabusa2, která dokázala vrátit vzorek z asteroidu, ale zažila únik zemské atmosféry pravděpodobně způsobeno otřesem rozmístění padáku během jeho návratu na Zemi.

I když se vzorek dostane zpět na Zemi zcela nedotčený, bez jakýchkoli úniků, stále se musíte rychle pohybovat, abyste přenesli vzorek z lahvičky do bezpečnější nádoby. I ty nejtěsnější ventily během měsíců trochu prosakují, takže potřebujete systém více nádoby, které dokážou zachytit vše, co ze vzorku unikne, a uchovat z toho co nejvíce možný.

Výzkumníci se vyvíjejí vakuové systémy pro extrakci a analýzu plynůvčetně těch použitý pro vzorek Hayabusa2, ale stále se jedná o novou oblast technologie, kterou je třeba vyvinout, aby mise s návratem vzorku do atmosféry byla plně účinná.

Budoucnost planetární vědy: in situ vs. vzorový návrat

Mise pro odběr vzorků atmosféry je stále pevně ve fázi konceptu a skupina doufá, že se jí podaří získat v příštím kole návrhů pro Evropskou kosmickou agenturu nebo možná pro NASA.

Je to ambiciózní plán, ale není to tak výstřední koncept, jako by to bylo před několika lety. "Před desítkami let byl návrat vzorku pouhým snem a ne tak vážným," řekl Avice, ale nyní s předchozím mise jako Hayabusa2 a nadcházející mise jako Mars Sample Return se stává reálnou možností.

A je zde potenciál ukázat, že návrat vzorku lze provést relativně rychle a levně, kvůli možným trajektoriím mezi Zemí a Venuší a protože kosmická loď by nemusela zpomalit, dostat se na povrch a vrátit se na oběžnou dráhu, než se vrátí na Země.

Mise by potenciálně mohla být rychlým švihem tam a zpět a vrátit vzorek do jednoho roku.

"Co je opravdu skvělé, je, že bychom získali vzorek atmosféry Venuše dříve, než získáme vzorky z Marsu," řekl Avice. "Takže to by byl první vzorek z jiné planety."

Doporučení redakce

• Zde je důvod, proč si vědci myslí, že život na „pekelné planetě“ Venuši mohl prosperovat
• Uvnitř Vera C. Observatoř Rubin, domov největšího digitálního fotoaparátu na světě
• Rocket Lab plánuje vyslat na Venuši první soukromou misi
• Výzkumníci MIT podrobně popisují plány soukromých misí k hledání života na Venuši
• Video NASA vám ukazuje, jaké to je ponořit se atmosférou Venuše