Hvordan NASAs nye sonde vil overleve Venus helvede

Da det tilfældigvis er vores nabo, kan du forestille dig, at vi har en grundig forståelse af planeten Venus. Men du tager fejl. NASA har ikke besøgt planeten i mere end 30 år, og der er så meget ved stedet, at vi knap nok forstå, fra dens geologiske historie til hvilke slags klipper der er på overfladen, at meget af dens miljø er i bund og grund et mysterium.

Forskere tror, ​​at Venus var engang som Jorden, men de to divergerede på et tidspunkt i deres udvikling til at blive de vidt forskellige steder, de er i dag. Vi ved, at Venus har en tyk atmosfære, der holder på varmen og gør den til den varmeste planet i solsystemet. Og vi ved, at dens overflade er dækket af bjerge, sprækker og vulkaner, selvom vi ikke ved, om disse stadig er aktive.

En grund til, at så meget forbliver ukendt om Venus, er, at dens tykke atmosfære skjuler det meste af sit terræn, og det er svært at kigge gennem lag af skyer for at se, hvad der er nedenunder. En anden grund er, at det er et rystende ugæstfrit sted. Mellem dens bagetemperaturer og dens tykke, syrefyldte atmosfære har intet menneskeskabt overlevet på overfladen i mere end et par minutter.

Men hvis vi vil vide mere om denne mystiske planet ved siden af, er vi nødt til at besøge den. Og det er lige, hvad NASAs DAVINCI-mission planlægger at gøre, ved at slippe en sonde gennem atmosfæren for at tage aflæsninger helt ned, når den falder til overfladen. Missionen, som bliver en af en trio af missioner til Venus i det næste årti, er planlagt til at lancere i 2029 og ankomme til Venus for dens styrtdykke gennem atmosfæren i 2031.

For at finde ud af, hvordan du bygger en sonde til at modstå dette helvedes miljø, og hvad vi kan lære af det, talte vi med to medlemmer af DAVINCI-teamet: Jim Garvin, hovedefterforsker for missionen, og Mike Sekerak, systemprojekt ingeniør.

Hvad er der med Venus' atmosfære?

Venus repræsenterer en grænse inden for planetarisk videnskab, som man ved meget lidt om, i betragtning af hvor relativt tæt den er for os. Hvad der sker under det øvre skylag er et særligt spændende spørgsmål.

"Karakteriseringen af ​​atmosfæren, fra toppen af ​​skyerne til overfladen - denne store, massive atmosfære, hvor 75 % af massen er i de nederste 15 til 20 kilometer – er næsten uudforsket,” Garvin sagde.

Sonder sendt til Venus i 1960'erne og 1970'erne forsøgte at indsamle data om atmosfæren og havde en vis succes. Men tidligere målinger af atmosfæren har været upålidelige på grund af fysiske problemer med tidligere sonder som tilstoppede indløb og den begrænsede teknologi, der er tilgængelig. Det førte til nogle krypterede læsninger, hvoraf Garvin siger: "Nogle af dem giver ikke mening."

Især den lavere atmosfære er på mange måder et mysterium. Det kunne være en superkritisk væske, hvor temperaturen og trykket er så stort, at det skvulper rundt som en væske. Der er også spørgsmålet om, hvordan klipperne på planetens overflade interagerer med atmosfæren.

Og at studere atmosfæren og overfladen kunne hjælpe med at besvare et af de største spørgsmål, vi har om Venus: Havde den engang flydende vandhave på overfladen, og hvis ja, hvad skete der med dem?

To store udfordringer

Venus er ikke et indbydende sted for en sonde: Det er dobbelt så varmt som en ovn, og der er mere tryk på overfladen end at være under en kilometer hav.

"De tekniske udfordringer, vi har her, er ret spændende," sagde Sekerak. Det største problem for enhver potentiel mission til Venus er varmen, da overfladetemperaturerne kan være så høje som 900 grader Fahrenheit (475 grader Celsius). Det er varmt nok til at smelte bly, og det forårsager kaos med elektronik.

Det er dog kun en del af miljøudfordringen. "Presset er dog ikke langt bagud med hensyn til vanskeligheder," sagde Sekerak. Trykket ved overfladen er omkring 95 bar, eller næsten 100 gange det atmosfæriske tryk på Jordens overflade, så at konstruere en sonde til denne slags miljø er lidt som at bygge en undervandsbåd.

Når det tabes i atmosfæren, vil DAVINCI være i et kapløb med tiden for at indsamle al den information, den har brug for, før varmen og trykket ødelægger dets komponenter. For at holde sonden aktiv så længe som muligt er den kugleformet og dækket af en tyk titaniumskal for at modstå trykket og isolere mod varmen. Så er der mere isolering inde i denne skal, lavet af specielle materialer, herunder astroquartz, en type fiber lavet af smeltet kvarts.

Interiøret er designet til også at holde komponenter termisk isoleret fra ydersiden, for at forhindre varme i at blive overført fra skallen. Den fyldes derefter med kuldioxidgas for at beskytte højspændingselektronikken mod gnister og for at forhindre jordgas i at lække ind under opsendelsen.

Samlet set er sonden, som holdet kalder nedstigningssfæren, omkring en meter på tværs. Det vil blive frigivet fra en orbiter med en faldskærm for at bremse dens nedstigning, selvom atmosfæren hjælper med dette, fordi det er så tykt, at det er mere som at tabe sonden gennem vand end gennem luft.

I alt vil det tage 63 minutter for sonden at nå overfladen, og på den ene time vil den samle så meget data, som den overhovedet kan, før den uundgåeligt bliver ødelagt af det brutale miljø.

Sampling hele vejen ned

Nedstigningssfæren vil falde gennem atmosfæren og prøve hele vejen ned for at opbygge et billede af atmosfæren fra toppen til bunden.

Inde i kuglen vil der være instrumenter som spektrometre, der ligner instrumenterne på Mars-roverne Curiosity og Vedholdenhed, som kan måle den kemiske sammensætning af prøver ved at se på lysets bølgelængder absorbere. Men i modsætning til Mars-roverne, som kan tage timer eller dage at indsamle og omhyggeligt analysere en prøve, bliver DAVINCI nødt til at udføre sin prøveudtagning og analyse i løbet af få minutter.

Der er indløbsventiler på forskellige punkter over kuglen, med keramiske dæksler, der knækker af for at indtage gasser. Disse gasser skal analyseres ekstremt hurtigt og derefter udluftes, så der kan tages flere prøver. Dette vil gøre det muligt for sonden at få det mest detaljerede kig endnu på atmosfærens kemi gennem alle dens lag.

Mens dette sker, vil andre sensorer i sonden måle faktorer som temperatur og tryk for at hjælpe med at forstå atmosfærens struktur. Så vil alle disse data blive sendt tilbage til orbiteren, før sonden rammer overfladen.

Sonden er kun designet til at prøve til atmosfæren og ikke til at lande. Men når det lander på overfladen, er der en mulighed for, at det vil overleve. Den tykke atmosfære og faldskærm vil hjælpe med at bremse nedstigningen, men "den vil helt sikkert ramme med en hastighed, der er, øhh, mindre end ideel til rumflyvningshardware," sagde Sekerak med et grin.

Hvis sonden dog overlever landingen, kan det dog vare op til 20 minutter med indsamling af data, før varmen trænger gennem kuglen og friter elektronikken. Og det vil være endnu flere bonusdata om overfladetemperaturen og -trykket samt de tilstedeværende gasser.

At forstå atmosfærens kemi er kun en del af DAVINCIs mål. Den anden del, som måske er mest spændende for offentligheden, er at tage billeder af den mystiske venusiske overflade.

Venus i menneskelig skala

Sonden vil komme ned "i Venus-bjergene, i en slags terræn, der aldrig er set af menneskeheden før," sagde Garvin. Og holdet ønsker at registrere denne oplevelse visuelt såvel som kemisk.

Nedstigningssfæren vil også have et kamera, der vil tage billeder med høj kontrast af overfladen, som derefter kan bygges op til 3D-kort.

For at et kamera kan fungere inde fra en metalkugle, skal du dog have et vindue. Og glas er ikke et godt materiale til at håndtere miljøer med intenst højtryk. Derfor bliver DAVINCIs vindue ikke lavet af glas, men af ​​safir.

"Det er bogstaveligt talt et meget, meget stort stykke safir," sagde Sekerak. "Fordi det har fantastiske optiske egenskaber." Det er meget stærkt, men også meget tydeligt, så det forvrænger ikke billeder taget igennem det. Men uundgåeligt vil et vindue, der lukker ind, også lukke mere varme ind, så ingeniørerne tilføjede faseskiftematerialer rundt om vinduessamlingen. Dette materiale smelter ved en bestemt temperatur for at absorbere overskydende varme fra vinduet.

Dette giver kameraet mulighed for at tage klare, skarpe billeder under nedstigningen. Disse skal bruges til at fotografere terrænet på Venus, fra højt oppe og helt ned til selve overfladen.

"Vores endelige billeder vil have en opløsning på 10 centimeter," sagde Garvin. "Det er den skala, du vil se ud over din stue."

Udover at tilbyde et væld af videnskabelige data, håber Garvin, at optagelse af billeder i denne skala vil hjælpe offentligheden til at føle, at de kan se Venus som et rigtigt sted, ikke blot en prik, der skal observeres fra langt væk.

"Vi ønsker at bringe menneskesyn og vores sanseopfattelse til Venus," sagde han. "Vi vil begynde at fornemme Venus på menneskelig skala."

Test for det ukendte

Den virkelig vanskelige del af en mission til Venus er ikke engang at håndtere de udfordringer, vi kender til, såsom temperaturen og trykket. Det forsøger at forudse, hvilke udfordringer der kan opstå fra et miljø, som vi har så lidt information om.

Derfor vil test og forberedelse være en stor del af, hvad DAVINCI-teamet gør i de næste syv år, som forberedelse til en lancering planlagt til 2029.

"Vi laver worst-case test," forklarede Sekerak. "Så vi tester, hvad det værste miljø overhovedet kunne være."

For eksempel ved forskere, at Venus skyer har dråber af svovlsyre i sig - og svovlsyre æder sig igennem materialer. Det er en særlig bekymring for Kevlar-snoren, der vil fastgøre nedstigningssfæren til faldskærmen. Så for at teste, om snoren kan modstå det sure miljø, suspenderer ingeniørerne den ikke bare i et par dråber syre - de dækker hele overfladen i syre, test derefter snorens trækstyrke for at sikre, at den kan overleve længe nok til at tage sonden gennem atmosfæren selv i det værst mulige sag.

Med hensyn til hvordan du tester hardware i miljøer så ulig Jorden, skal du være kreativ. For at se, hvor lang tid det ville tage for metalkuglen at varme op, tog holdet den til et metalstøberi. "Deres job er at smelte metal om," sagde Sekerak. "Og vi sætter vores instrumentering derinde for at øve os i at få det varmt, for at måle den varmestrøm."

Ideen er at indbygge tilstrækkelig margin i ethvert kritisk system til at tillade de ubekendte, som planeten måtte kaste mod kuglen. Garvin forklarede: "Vi har indbygget... en masse tekniske tanker og risikoreduktion i, hvordan vi gør dette."

Dette påvirker endda den måde, data indsamles på. "Hvis vi har en god dag på Venus, vil vi sandsynligvis få 500 nedstigningsbilleder tilbage," sagde han. »Hvis vi har den absolut værste dag, menneskeheden kender, får vi nok 35 tilbage. Men 35 er meget mere, end vi behøver for at lave denne form for kortlægning." Selvfølgelig betyder flere billeder mere information, og det er at foretrække, da det muliggør mere videnskab. Men selv under de værste forhold vil de finde ud af uvurderlig information.

Altid noget nyt at lære

At besøge Venus er en enorm udfordring, selv efter de ambitiøse standarder for store rummissioner. Men den potentielle gevinst i forhold til, hvad vi kan lære, er enorm.

At lære om Venus vil være fascinerende for sin egen skyld. Men det er også vigtigt for vores forståelse af exoplaneter. Når missioner som James Webb-rumteleskopet opdager og undersøger nye planeter uden for vores solsystem, har vi brug for et referencepunkt for klippeplaneter som Jorden, Mars og Venus.

Vi har en ret solid forståelse af de væsentlige egenskaber ved Jorden og Mars, og ved at tilføje data fra Venus vil vi være i stand til at forstå fjerne planeter langt bedre.

"Venus vil blive et kalibreringspunkt for den slags store, stenede, atmosfærebærende planeter som vi vil være i stand til at se og forstå med Webb og de store teleskoper, som kommer ud over,” Garvin sagde.

Og selvfølgelig er der det mest menneskelige af instinkter, at lære og udforske og at rejse til nye steder. "Dette er en af ​​grundene til, at jeg elsker at arbejde på disse rumudforskningsmissioner - vi skal et sted hen, som vi ikke ved ret meget om," sagde Sekerak.

Vi har lært meget om at bygge til miljøerne på Jorden og Mars, og nu kan vi tage noget af den viden og anvende den til et andet sted. At bygge til det miljø vil strække vores teknologi, og at besøge den med en sonde kan begynde at opklare nogle af dens mysterier. Som Sekerak sagde, når du besøger et nyt rummiljø, "er der altid noget nyt, du kan lære."

Redaktørens anbefalinger

• Inde i den skøre plan om at øse op og få lidt af Venus-stemningen med hjem
• Sådan ser du NASAs private mission ankomme til rumstationen
• Hvordan NASAs astronautklasse fra 1978 ændrede rumudforskningens ansigt
• Sådan ser du NASA afsløre sin næste generations rumdragt
• Venus, Jupiter og Ceres er med i NASAs skywatching-tips til marts