Jak nová sonda NASA přežije pekelnou krajinu Venuše

Protože jde shodou okolností o našeho souseda, můžete si představit, že planetě Venuši dokonale rozumíme. Ale to byste se mýlili. NASA nenavštívila planetu více než 30 let a je toho o místě tolik, že jsme sotva pochopit, od jeho geologické historie až po to, jaké druhy hornin jsou na jeho povrchu prostředí je v podstatě záhada.

Vědci si myslí, že Venuše byla kdysi jako Země, ale ti dva se v určitém bodě svého vývoje rozcházeli, aby se stali naprosto odlišnými místy, kterými jsou dnes. Víme, že Venuše má hustou atmosféru, která udržuje teplo a dělá z ní nejžhavější planetu sluneční soustavy. A víme, že jeho povrch je pokryt horami, trhlinami a sopkami, i když nevíme, zda jsou stále aktivní.

Jedním z důvodů, proč toho o Venuši zůstává tolik neznámého, je to, že její hustá atmosféra skrývá většinu jejího terénu před zraky a je těžké nahlédnout skrz vrstvy mraků, abyste viděli, co je pod ní. Dalším důvodem je, že je to mrazivě nehostinné místo. Mezi teplotami pečení a hustou atmosférou plnou kyselin nepřežilo na jeho povrchu déle než pár minut nic umělého.

Chceme-li se ale o této tajemné planetě v sousedství dozvědět více, musíme ji navštívit. A to je přesně to, co má v plánu mise NASA DAVINCI udělat, tím, že propustí sondu atmosférou, aby naměřila údaje až dolů, když padá na povrch. Mise, která bude jednou z trojici misí k Venuši v příštím desetiletí, je naplánován start v roce 2029 a přílet k Venuši k jejímu propadu atmosférou v roce 2031.

Abychom zjistili, jak postavit sondu, aby obstála v tomto pekelném prostředí, a co bychom se z toho mohli naučit, mluvili jsme se dvěma členové týmu DAVINCI: Jim Garvin, hlavní vyšetřovatel mise, a Mike Sekerak, systémový projekt inženýr.

Co se děje s atmosférou Venuše?

Venuše představuje hranici v planetární vědě, o které je známo jen velmi málo, vezmeme-li v úvahu, jak je od nás relativně blízko. Co se děje pod horní vrstvou mraků, je obzvláště zajímavá otázka.

„Charakteristika atmosféry, od vrcholu mraků po povrch – tato velká, masivní Atmosféra, jejíž 75 % hmoty je ve spodních 15 až 20 kilometrech – je téměř neprozkoumaná,“ Garvin řekl.

Sondy vyslané na Venuši v 60. a 70. letech se pokusily shromáždit data o atmosféře a měly určitý úspěch. Předchozí měření atmosféry však byla nespolehlivá kvůli fyzikálním problémům s předchozími sondami, jako jsou ucpané vstupy a omezená dostupná technologie. To vedlo k některým zakódovaným čtením, o kterých Garvin říká: "Některé z nich nedávají smysl."

Zejména nižší atmosféra je v mnoha ohledech záhadou. Mohla by to být nadkritická tekutina, ve které je teplota a tlak tak velké, že se kolem ní jako kapalina. Je zde také otázka, jak horniny na povrchu planety interagují s atmosférou.

A studium atmosféry a povrchu by mohlo pomoci odpovědět na jednu z největších otázek, které si o Venuši klademe: Měla kdysi na svém povrchu tekuté vodní oceány, a pokud ano, co se s nimi stalo?

Dvě velké výzvy

Venuše není pro sondu přívětivým místem: Je dvakrát tak horká jako trouba a na povrchu je větší tlak než pod kilometrem oceánu.

"Technické výzvy, které zde máme, jsou docela vzrušující," řekl Sekerak. Největším problémem jakékoli potenciální mise na Venuši je teplo, protože povrchové teploty mohou dosahovat až 900 stupňů Fahrenheita (475 stupňů Celsia). To je dost horké na to, aby roztavilo olovo, a to způsobí zmatek s elektronikou.

To je však jen jedna část ekologické výzvy. "Tlak však není pozadu, pokud jde o potíže," řekl Sekerak. Tlak na povrchu je kolem 95 barů, tedy téměř 100krát vyšší než atmosférický tlak zemský povrch, takže sestrojení sondy pro tento druh prostředí je něco jako stavba a ponorka.

Když spadne do atmosféry, DAVINCI bude závodit s časem, aby shromáždil všechny potřebné informace, než teplo a tlak zničí jeho součásti. Aby sonda zůstala aktivní co nejdéle, je kulovitá a pokrytá silným titanovým pláštěm, aby odolala tlaku a izolovala proti teplu. Pak je uvnitř této skořepiny více izolace, vyrobené ze speciálních materiálů včetně astrokřemene, což je typ vlákna vyrobeného z taveného křemene.

Interiér je navržen tak, aby komponenty byly tepelně izolované i od exteriéru, aby se zabránilo přenosu tepla z pláště. Poté se naplní plynným oxidem uhličitým, aby chránil vysokonapěťovou elektroniku před jiskřením a zabránil úniku zemních plynů během startu.

Celkově má ​​sonda, kterou tým nazývá sestupová koule, asi jeden metr v průměru. Bude vypuštěn z orbiteru pomocí padáku, aby se zpomalil jeho sestup, i když mu pomáhá atmosféra s tím, protože je tak tlustá, že je to spíš jako pouštění sondy vodou než vzduchem.

Celkově bude sondě trvat 63 minut, než se dostane na povrch, a za tu jednu hodinu nasbírá tolik dat, kolik jen může, než bude nevyhnutelně zničena brutálním prostředím.

Vzorkování úplně dolů

Sestupná koule bude klesat atmosférou a vzorkovat celou cestu dolů, aby se vytvořil obraz atmosféry od shora dolů.

Uvnitř koule budou přístroje jako spektrometry, podobné přístrojům na marsovských roverech Curiosity a Vytrvalost, která dokáže měřit chemické složení vzorků pohledem na vlnové délky světla, které mají absorbovat. Ale na rozdíl od marsových roverů, kterým může sběr a pečlivá analýza vzorku trvat hodiny nebo dny, DAVINCI bude muset provést odběr vzorků a analýzu během několika minut.

Na různých místech koule jsou vstupní ventily s keramickými kryty, které se odlomí, aby nasávaly plyny. Tyto plyny je nutné extrémně rychle analyzovat a poté odvětrat, aby bylo možné odebrat více vzorků. To umožní sondě získat dosud nejpodrobnější pohled na chemii atmosféry ve všech jejích vrstvách.

Zatímco se to děje, další senzory v sondě budou měřit faktory, jako je teplota a tlak, aby pomohly pochopit strukturu atmosféry. Poté budou všechna tato data odeslána zpět na orbiter, než sonda dopadne na povrch.

Sonda je navržena pouze k odběru vzorků do atmosféry, nikoli k přistání. Ale když se dotkne povrchu, existuje možnost, že přežije. Hustá atmosféra a padák pomohou zpomalit jeho sestup, ale „určitě zasáhne rychlostí, která je, ehm, méně než ideální pro hardware pro kosmické lety,“ řekl Sekerak se smíchem.

Pokud však sonda přežije přistání, může trvat až 20 minut shromažďování dat, než teplo prosákne koulí a smaže elektroniku. A to budou ještě další bonusové údaje o povrchové teplotě a tlaku a také o přítomných plynech.

Pochopení chemie atmosféry je pouze jednou částí DAVINCIho cílů. Druhá část, která může být pro veřejnost nejvíce vzrušující, je fotografování tajemného povrchu Venuše.

Venuše v lidském měřítku

Sonda bude sestupovat „v horách Venuše, v terénu, který lidstvo nikdy předtím nevidělo,“ řekl Garvin. A tým chce tento zážitek zaznamenat vizuálně i chemicky.

Sestupová koule bude mít také kameru, která bude snímat vysoce kontrastní snímky povrchu, které pak lze zabudovat do 3D map.

Aby však kamera fungovala zevnitř kovové koule, potřebujete okno. A sklo není skvělý materiál pro práci v prostředí s intenzivním vysokým tlakem. To je důvod, proč DAVINCIho okno nebude vyrobeno ze skla, ale ze safíru.

"Je to doslova velmi, velmi velký kus safíru," řekl Sekerak. "Protože má skvělé optické vlastnosti." Je velmi silný, ale také velmi jasný, takže nezkresluje snímky pořízené přes něj. Ale nevyhnutelně okno, které propouští světlo, také propustí více tepla, takže inženýři přidali materiály pro změnu fáze kolem sestavy okna. Tento materiál taje při určité teplotě, aby absorboval přebytečné teplo z okna.

To umožní kameře pořizovat jasné a ostré snímky při sestupu. Ty budou použity k fotografování terénu Venuše, od výšky až po samotný povrch.

"Naše konečné obrázky budou mít rozlišení 10 centimetrů," řekl Garvin. "To je měřítko, které byste viděli přes svůj obývací pokoj."

Garvin kromě toho, že nabízí množství vědeckých dat, doufá, že pořízení snímků v tomto měřítku bude pomoci veřejnosti, aby měla pocit, že vidí Venuši jako skutečné místo, nejen jako tečku, ze které lze pozorovat daleko.

"Chceme na Venuši přinést lidské vidění a naše smyslové vnímání," řekl. "Začneme vnímat Venuši v lidském měřítku."

Testování pro neznámé

Skutečná záludná část mise na Venuši se ani nezabývá problémy, o kterých víme, jako je teplota a tlak. Snaží se předvídat, jaké výzvy mohou vyvstat z prostředí, o kterém máme tak málo informací.

To je důvod, proč bude testování a příprava velkou součástí toho, co tým DAVINCI dělá v příštích sedmi letech, v rámci přípravy na spuštění plánované na rok 2029.

"Provádíme testy v nejhorším případě," vysvětlil Sekerak. "Takže testujeme, jaké by mohlo být nejhorší prostředí."

Vědci například vědí, že oblaka Venuše mají v sobě kapky kyseliny sírové – a kyselina sírová prožírá materiály. Jde zejména o kevlarové lano, které připevní sestupovou kouli k padáku. Aby otestovali, zda lano odolá kyselému prostředí, inženýři ho nejen suspendovali v několika kapkách kyseliny, ale pokryli celý povrch. v kyselině a poté otestujte sílu tahu lana, abyste se ujistili, že může přežít dostatečně dlouho na to, aby sondu proletěla atmosférou i v tom nejhorším možném pouzdro.

Pokud jde o to, jak testujete hardware v prostředích tak odlišných od Země, musíte být kreativní. Aby tým zjistil, jak dlouho bude trvat, než se kovová koule zahřeje, vzal ji do slévárny kovů. "Jejich úkolem je roztavit kov," řekl Sekerak. "A umístili jsme tam naše přístroje, abychom to procvičili zahřátí, abychom změřili tok tepla."

Myšlenkou je zabudovat do každého kritického systému dostatečnou rezervu, která by umožnila jakékoli neznámé, které by planeta mohla vrhnout na kouli. Garvin vysvětlil: "Do toho, jak to děláme, jsme zabudovali... hodně inženýrských myšlenek a snížení rizik."

To dokonce ovlivňuje způsob, jakým budou data shromažďována. "Pokud budeme mít na Venuši dobrý den, pravděpodobně získáme zpět 500 snímků sestupu," řekl. „Pokud zažijeme absolutně nejhorší den, který lidstvo zná, pravděpodobně dostaneme 35 zpět. Ale 35 je mnohem víc, než potřebujeme k takovému mapování." Více obrázků samozřejmě znamená více informací, a to je lepší, protože to umožňuje více vědy. Ale i v těch nejhorších podmínkách zjistí neocenitelné informace.

Vždy se něco nového naučit

Návštěva Venuše je obrovskou výzvou, a to i podle ambiciózních standardů velkých vesmírných misí. Ale potenciální přínos z hlediska toho, co se můžeme naučit, je obrovský.

Poznávání Venuše bude samo o sobě fascinující. Ale je to také důležité pro naše pochopení exoplanet. Zatímco mise, jako je vesmírný teleskop Jamese Webba, objevují a zkoumají nové planety mimo naši sluneční soustavu, budeme potřebovat referenční bod pro kamenné planety, jako je Země, Mars a Venuše.

Docela dobře rozumíme základním charakteristikám Země a Marsu a přidáním dat z Venuše budeme schopni daleko lépe porozumět vzdáleným planetám.

"Venuše se stane kalibračním bodem pro druhy velkých, kamenných planet s atmosférou." které budeme schopni vidět a pochopit s Webbem a velkými dalekohledy, které jsou dál,“ Garvin řekl.

A samozřejmě je tu většina lidských instinktů, učit se a prozkoumávat a cestovat na nová místa. "Toto je jeden z důvodů, proč miluji práci na těchto vesmírných průzkumných misích - jedeme někam, o kterých toho moc nevíme," řekl Sekerak.

Naučili jsme se hodně o stavbě pro prostředí Země a Marsu a nyní můžeme některé z těchto znalostí využít a aplikovat je někde jinde. Budování pro toto prostředí protáhne naši technologii a návštěva sondy může začít odhalovat některá její tajemství. Jak řekl Sekerak, při návštěvě nového vesmírného prostředí „je vždy něco nového, co se můžete naučit“.

Doporučení redakce

• Uvnitř bláznivého plánu nabrat a přinést domů trochu atmosféry Venuše
• Jak sledovat, jak soukromá mise NASA dorazí na vesmírnou stanici
• Jak třída astronautů NASA z roku 1978 změnila tvář vesmírného průzkumu
• Jak sledovat, jak NASA odhalila svůj skafandr nové generace
• Venuše, Jupiter a Ceres jsou součástí březnových tipů NASA pro pozorování oblohy