Den vilde plan om at få lidt af Venus-stemningen med hjem

Hvis du har fulgt rumnyheder for nylig, har du sikkert hørt om Mars Sample Return - NASAs ambitiøse plan om at indsamle prøver af Mars-sten og bringe dem tilbage til Jorden til undersøgelse. Den mission er planlagt til at lancere senere i dette årti, men det vil være en årelang og ekstremt dyr proces at indsamle og hente disse prøver.

Men Mars er ikke den eneste planet inden for besøgsafstand. Hvorfor hopper vi ikke over til vores anden planetariske nabo, Venus, og samler også en prøve derfra?

Det er netop, hvad der bliver foreslået af en gruppe Venus-forskere. Vi talte med lederen af ​​forslagsgruppen for at lære mere.

En gammel idé, hvis tid er inde

Forskere har diskuteret fordelene ved at prøve at fange en prøve fra Venus i årtier, med missionskoncepter studeret så langt tilbage som i 1980'erne. Selvom Mars har været den planet, der har fået mest opmærksomhed i de senere år, er der en stærk interesse for planetvidenskaben samfund i at lære mere om Venus - især fordi det kunne hjælpe os med at forstå mere om andre planeter uden for vores sol system.

Nu kan det ændre sig, da NASA starter årti af Venus med et par missioner, der skal besøge der, sammen med en mission fra European Space Agency, alle planlagt til det næste årti.

Tidligere Venus-prøvemissioner kom aldrig i gang af et par grunde: fokus på Mars overstået Venus, manglen på teknologi til at muliggøre en så kompleks operation, og den væsentlige ugæstfrihed af Venus. Venus er varm, med en ekstrem tæt atmosfære, hvilket skaber et meget barskt miljø for elektronik at operere i.

Prøver at flyve til Venus, sende en sonde ned til overfladen, indsamle en prøve, få prøven tilbage i kredsløb, og derefter at returnere det til Jorden ville være både uoverkommeligt dyrt og ville kræve betydelig teknologisk udviklinger.

Derfor har en gruppe franske forskere en anden tilgang. I stedet for at prøve at samle et stykke af Venus' overflade, bør vi prøve at få fat i noget af dens atmosfære. Venus Atmospheric Sample Return-missionen eller VATMOS-SR er et missionskoncept af en gruppe ved Paris Institute of Planetary Physics, som forsøger at få støtte til deres idé.

Den store fordel ved denne fremgangsmåde er dens relative enkelhed. Der er ingen grund til at lande noget på overfladen eller at komme tilbage til kredsløb. I stedet kunne du sende et rumfartøj på en sti væk fra Jorden og mod Venus, hvor det ville komme ind i atmosfæren og fylde flasker med omkring fire liter gas. Så ville den fortsætte med at rejse tilbage til Jorden.

Rumfartøjet ville ikke have nogen instrumenter og tage ingen aflæsninger. Det ville bare være et samlebil. Det gør det sikrere, nemmere og billigere, forklarede hovedforsker Guillaume Avice til Digital Trends.

"Du skimmer bare gennem atmosfæren på en ballistisk bane," sagde Avice. "Så det tager bare et år at tage dertil, at tage din prøve og at komme tilbage til Jorden."

Planlægning på lang sigt

I disse dage involverer planetariske videnskabsmissioner typisk at sende instrumenter (såsom dem på Mars-roverne) til et sted og få dem til at tage målinger. Denne tilgang går ind for at indsamle materiale og bringe det tilbage til Jorden i stedet, hvor vi har meget mere dygtige og varierede instrumenter at undersøge med.

Og med en dyrebar prøve fra en anden planet rækker lidt langt. En prøve på flere liter gas kunne holde videnskabsmænd beskæftiget i årevis.

"Det, der er rigtig fedt, er, at du får en masse gas, og du kan måle det, ikke for evigt, men i lang tid på Jorden," forklarede Avice. "Hvis du tænker over det, kan du bevare en lille smule af den prøve. Måske om et årti vil vi have et nyt spektrometer på Jorden, som vil være nyttigt til denne prøve."

Denne planlægning for fremtiden giver mening, når du ser på, hvordan NASA har nærmet sig måneprøverne indsamlet under Apollo-missionerne til månen. Nogle prøver blev analyseret, så snart de blev returneret til Jorden, men andre blev opbevaret på grundlag af, at fremtidig teknologi ville give dem mulighed for at blive analyseret i ny dybde. Og den langsigtede tilgang har givet pote med en 50-årig prøve åbnede kun sidste år og afsløre information om månens geologi og historie.

Hvis vi var i stand til at tage en lignende prøve af Venus-atmosfæren, kunne meget af den også lagres på lang sigt. Og forskere ville drage fordel af selv blot en håndfuld atomer af en gasprøve, så en prøve på flere liter ville være nok til at levere forskningsmateriale til hele Venus-samfundet.

En kommende mission til Venus kaldet Davinci planlægger at foretage lignende målinger af atmosfæren, men i dette tilfælde er der et stykke tid i virkeligheden. Missionen går ud på at tabe en prøvekugle gennem atmosfæren, så prøver skal tages og behandles inden for kun en time.

Dette har forårsaget problemer med tidligere Venus-missioner i tidligere årtier, hvilket resulterede i forvanskede fund sandsynligvis på grund af forkerte kalibreringer eller tilstoppede ventilationsåbninger. Ingeniører gør deres bedste for at forudse eventuelle problemer med prøveudtagning, men det er svært at gøre, når der er så mange ubekendte om det miljø, en mission går ind i.

Hvis en prøve bringes tilbage til Jorden, er der dog masser af tid til at kalibrere instrumenter og dobbelttjekke resultater, hvilket gør resultaterne mere pålidelige.

Der er nogle kompleksiteter ved at tage en prøve ved meget høje hastigheder. Der opstår en proces kaldet fraktionering, som kan opdele en prøve i forskellige dele, når den opsamles så hurtigt, men det burde være muligt at korrigere for det.

Hvordan den atmosfæriske prøvetagningsmission ville fungere

Der er dog gode grunde til, at ingen har prøvet en Venus-prøvereturmission før. For det er ikke nemt.

Den åbenlyse parallel til en Venus-prøvereturmission ville være Mars Sample Return-missionen, en kommende joint venture mellem NASA og den europæiske rumfartsorganisation, som er planlagt til at blive opsendt i slutningen af 2020'erne. Denne plan om at indsamle en prøve fra Mars involverer flere rovere, landere eller helikoptere, er årtier undervejs og har et ballonbudget, der har endda ivrige Mars-entusiaster bekymrede.

Og Venus er endnu mere ugæstfri end Mars med sin tykke atmosfære, skyer af svovlsyre og tryk, der kan sammenlignes med havets dybder. Et forsøg på at returnere en prøve fra overfladen af ​​Venus ville være et "mareridt," sagde Avice, og "sandsynligvis endnu dyrere end på Mars."

Derfor foreslår Avices gruppe at øse en prøve fra planetens atmosfære i stedet for. "Det er super billigt," sagde han relativt set: Gruppen anslår omkostningerne ved en sådan mission til 100 millioner euro (110 millioner dollars) sammenlignet med $8 til $9 milliarder nuværende skøn for Mars Sample Return.

Selv med den relative lethed af en atmosfærisk prøve, vil ikke nogen gammel smule af atmosfæren dog duge. I meget høje højder er atmosfæren ekstremt tynd, og nogle molekyler er adskilt af tyngdekraften. Så for at få en repræsentativ prøve, skal du gå under et niveau kaldet homopausen, under hvilket atmosfæren er tilstrækkeligt godt blandet til at indeholde alle de forskellige molekyler, der er til stede.

På Venus er homopausen omkring 110 km (70 miles) fra overfladen, så missionen skal nå under dette niveau. Men jo dybere du går, jo sværere bliver missionen. "Så målet er at være lige under homopausen, med en vis sikkerhedsmargin," sagde Avice. "Hvis vi går dybere, bliver det meget mere udfordrende og dyrt."

Udfordringerne

Selv bare at komme igennem planetens atmosfære er dog svært. En stor udfordring er spørgsmålet om at holde rumfartøjet sikkert mod den enorme varme, der opbygges på grund af friktion i atmosfæren.

Rumfartøjer, der skal ind i atmosfæren på en planet - uanset om det besøger en anden planet som Mars eller et rumfartøj, der vender tilbage til Jorden gennem vores egen planets atmosfære - har et tykt varmeskjold, der beskytter de sarte komponenter indeni fra det meget høje temperaturer.

At levere en rover til Mars, for eksempel, involverer at pakke roveren ind i et varmeskjold og derefter forsegle det hele - rover og varmeskjold sammen, sammen med thrustere og andre rumfartøjsdele - ind i næsekonen på en raket til opsendelse. En gang i rummet bliver rumfartøjet indsat og rejser til Mars, hvorefter varmeskjoldet beskytter roveren, når den passerer gennem atmosfæren for at lande.

Til en atmosfærisk prøvemission skal du dog have et varmeskjold til at fungere to gange - både under prøvetagningen på Venus og igen, når prøven returneres til Jorden. Det er ikke klart, om den nuværende varmeskjoldteknologi ville være op til opgaven med at beskytte et rumfartøj gennem to sådanne eksponeringer.

At få et varmeskjold til at virke to gange er "noget, som vi ikke rigtig ved, hvordan man gør," sagde Avice. Og det kan kræve mange års udvikling at fungere, hvis det overhovedet er muligt.

Hvad skal man gøre med prøven, når den er tilbage på jorden

En anden udfordring er overraskende. Du tror måske, at det er svært at indsamle en prøve, og at analysere den, når den er tilbage på Jorden, ville være let. Men det viser sig, at arbejdet med gasprøver er sværere, end du måske forestiller dig.

Venus-atmosfæren er fuld af stoffer, der let fordamper, kaldet flygtige stoffer. Disse omfatter ædelgasser og forbindelser, herunder nitrogen, brint, kulstof og svovl. At studere disse er nøglen til at forstå Venus' atmosfære, men de er ikke nemme at transportere eller studere.

For korrekt at fange et flygtigt stof i en prøveflaske, har du brug for en meget god ventil - både så ingen af ​​de prøven undslipper, og så ingen af ​​gasserne fra andre miljøer som Jordens atmosfære siver ind. Dette var et problem for Hayabusa2-missionen, som formåede at returnere en prøve fra en asteroide, men oplevede det en udsivning af jordens atmosfære sandsynligvis forårsaget af chokket fra faldskærmsudsættelsen under dens tilbagevenden til Jorden.

Selvom prøven kommer tilbage til Jorden helt uberørt, uden nogen som helst lækager, skal du stadig bevæge dig hurtigt for at overføre prøven fra dens flaske til en mere sikker beholder. Selv de tætteste ventiler vil lække lidt over måneder, så du har brug for et system med flere beholdere, som kan opfange alt, der lækker fra prøven og bevare så meget af det som muligt muligt.

Forskere udvikler sig vakuumsystemer til at udvinde og analysere gasser, herunder dem brugt til Hayabusa2-prøven, men dette er stadig et nyt teknologiområde, der skal udvikles for at en atmosfærisk prøvereturmission kan være fuldt ud effektiv.

Fremtiden for planetarisk videnskab: in situ vs. prøve retur

Den atmosfæriske prøvetagningsmission er stadig fast i konceptstadiet, og gruppen håber at få den samlet op i den næste runde af forslag til European Space Agency eller måske NASA.

Det er en ambitiøs plan, men det er ikke et så besynderligt koncept, som det ville have været for et par år siden. "For årtier siden var prøveafkast bare en drøm og ikke rigtig alvorlig," sagde Avice, men nu med tidligere missioner som Hayabusa2 og kommende missioner som Mars Sample Return, er det ved at blive en reel mulighed.

Og der er potentiale til at vise, at prøve returnering kan udføres relativt hurtigt og billigt på grund af de baner, der er mulige mellem Jorden og Venus, og fordi et rumfartøj ikke behøvede at sænke farten, komme op til overfladen og komme tilbage til kredsløb, før det vender tilbage til Jorden.

Missionen kunne potentielt være en hurtig pisk frem og tilbage, og returnere en prøve inden for et år.

"Det, der er rigtig fedt, er, at vi ville få en Venus-atmosfæreprøve, før vi får prøver fra Mars," sagde Avice. "Så det ville være den første prøve fra en anden planet."

Redaktørens anbefalinger

• Her er grunden til, at videnskabsmænd tror, ​​at livet kan have trivdes på 'helvedesplaneten' Venus
• Inde i Vera C. Rubin Observatory, hjemsted for verdens største digitalkamera
• Rocket Lab planlægger at sende den første private mission til Venus
• MIT-forskere detaljerer planer for private missioner for at søge efter liv på Venus
• NASA-video viser dig, hvordan det er at dykke gennem Venus' atmosfære