Wie die neue NASA-Sonde die Höllenlandschaft der Venus überstehen wird

Da es sich um unseren Nachbarplaneten handelt, könnte man annehmen, dass wir den Planeten Venus genau kennen. Aber du liegst falsch. Die NASA hat den Planeten seit mehr als 30 Jahren nicht mehr besucht, und der Ort hat so viel zu bieten, dass wir ihn kaum kennen Von seiner geologischen Geschichte bis hin zu den Gesteinsarten auf seiner Oberfläche ist vieles davon zu verstehen Umgebung ist im Wesentlichen ein Rätsel.

Wissenschaftler glauben, dass es die Venus war einmal wie die Erde, aber die beiden trennten sich irgendwann in ihrer Entwicklung und wurden zu den völlig unterschiedlichen Orten, die sie heute sind. Wir wissen, dass die Venus eine dichte Atmosphäre hat, die die Wärme speichert und sie zum heißesten Planeten im Sonnensystem macht. Und wir wissen, dass seine Oberfläche mit Bergen, Rissen und Vulkanen bedeckt ist, obwohl wir nicht wissen, ob diese noch aktiv sind.

Ein Grund dafür, dass so viel über die Venus noch unbekannt ist, liegt darin, dass ihre dichte Atmosphäre den größten Teil ihres Geländes vor den Blicken verbirgt und es schwierig ist, durch Wolkenschichten zu blicken, um zu sehen, was sich darunter befindet. Ein weiterer Grund ist, dass es ein erschreckend unwirtlicher Ort ist. Zwischen seinen Backtemperaturen und seiner dicken, säurehaltigen Atmosphäre hat nichts von Menschenhand geschaffenes Material länger als ein paar Minuten auf seiner Oberfläche überlebt.

Aber wenn wir mehr über diesen mysteriösen Planeten nebenan erfahren wollen, müssen wir ihn besuchen. Und genau das hat die DAVINCI-Mission der NASA vor, indem sie eine Sonde durch die Atmosphäre fallen lässt, um die Messungen bis zum Boden zu messen, während sie auf die Oberfläche fällt. Die Mission, die eine davon sein wird ein Trio von Missionen Im nächsten Jahrzehnt soll es zur Venus fliegen, 2029 starten und 2031 die Venus erreichen, um dort durch die Atmosphäre zu stürzen.

Um herauszufinden, wie man eine Sonde baut, die dieser höllischen Umgebung standhält, und was wir daraus lernen könnten, haben wir mit zwei gesprochen Mitglieder des DAVINCI-Teams: Jim Garvin, Hauptermittler der Mission, und Mike Sekerak, Systemprojekt Ingenieur.

Was ist mit der Atmosphäre der Venus los?

Venus stellt einen Meilenstein in der Planetenwissenschaft dar, über den angesichts ihrer relativen Nähe zu uns nur sehr wenig bekannt ist. Eine besonders spannende Frage ist, was unter der oberen Wolkenschicht passiert.

„Die Charakterisierung der Atmosphäre, von der Spitze der Wolken bis zur Oberfläche – so groß, massiv „Die Atmosphäre, deren Masse sich zu 75 % in den unteren 15 bis 20 Kilometern befindet, ist nahezu unerforscht“, sagt Garvin sagte.

Sonden, die in den 1960er und 1970er Jahren zur Venus geschickt wurden, versuchten, Daten über die Atmosphäre zu sammeln, und hatten einige Erfolge. Frühere Messungen der Atmosphäre waren jedoch aufgrund physikalischer Probleme mit früheren Sonden wie verstopften Einlässen und der begrenzten verfügbaren Technologie unzuverlässig. Das führte zu einigen verworrenen Messwerten, von denen Garvin sagt: „Einige davon ergeben keinen Sinn.“

Insbesondere die untere Atmosphäre ist in vielerlei Hinsicht ein Rätsel. Es könnte sich um eine überkritische Flüssigkeit handeln, in der Temperatur und Druck so hoch sind, dass sie wie eine Flüssigkeit herumschwappt. Es stellt sich auch die Frage, wie die Gesteine ​​auf der Planetenoberfläche mit der Atmosphäre interagieren.

Und die Untersuchung der Atmosphäre und Oberfläche könnte helfen, eine der größten Fragen zu beantworten, die wir über die Venus haben: Hatte sie einst Ozeane mit flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche, und wenn ja, was ist mit ihnen passiert?

Zwei große Herausforderungen

Die Venus ist kein einladender Ort für eine Sonde: Sie ist doppelt so heiß wie ein Ofen und auf der Oberfläche herrscht mehr Druck als unter einem Kilometer Ozean.

„Die technischen Herausforderungen, die wir hier haben, sind ziemlich aufregend“, sagte Sekerak. Das größte Problem bei einer möglichen Mission zur Venus ist die Hitze, da die Oberflächentemperaturen bis zu 475 Grad Celsius betragen können. Das ist heiß genug, um Blei zu schmelzen, und es richtet verheerende Schäden an der Elektronik an.

Das ist jedoch nur ein Teil der Umweltherausforderung. „Der Druck ist jedoch in Bezug auf die Schwierigkeiten nicht weit dahinter“, sagte Sekerak. Der Druck an der Oberfläche beträgt etwa 95 Bar, also fast das Hundertfache des atmosphärischen Drucks Die Erdoberfläche, also ist die Entwicklung einer Sonde für diese Art von Umgebung so etwas wie der Bau einer U-Boot.

Wenn es in die Atmosphäre geworfen wird, befindet sich DAVINCI in einem Wettlauf mit der Zeit, um alle benötigten Informationen zu sammeln, bevor Hitze und Druck seine Komponenten zerstören. Damit die Sonde möglichst lange aktiv bleibt, ist sie kugelförmig und mit einer dicken Titanhülle überzogen, um dem Druck standzuhalten und gegen die Hitze zu isolieren. Darüber hinaus gibt es in dieser Hülle noch mehr Isolierung, die aus speziellen Materialien besteht, darunter Astroquarz, eine Art Faser aus Quarzglas.

Der Innenraum ist so konzipiert, dass die Komponenten auch thermisch von der Außenseite isoliert bleiben, um eine Wärmeübertragung von der Hülle zu verhindern. Anschließend wird es mit Kohlendioxidgas gefüllt, um die Hochspannungselektronik vor Funkenbildung zu schützen und zu verhindern, dass während des Starts Erdgase eindringen.

Insgesamt hat die Sonde, die das Team als Abstiegskugel bezeichnet, einen Durchmesser von etwa einem Meter. Es wird mit einem Fallschirm aus einem Orbiter entlassen, um seinen Sinkflug zu verlangsamen, obwohl die Atmosphäre hilft Dies liegt daran, dass es so dick ist, dass es eher so ist, als würde man die Sonde durch Wasser als durch Luft fallen lassen.

Insgesamt wird es 63 Minuten dauern, bis die Sonde die Oberfläche erreicht, und in dieser einen Stunde wird sie so viele Daten wie möglich sammeln, bevor sie unweigerlich durch die brutale Umgebung zerstört wird.

Sampling ganz nach unten

Die Abstiegskugel wird durch die Atmosphäre fallen und den gesamten Weg nach unten abtasten, um ein Bild der Atmosphäre von oben bis unten zu erstellen.

Im Inneren der Kugel werden sich Instrumente wie Spektrometer befinden, ähnlich den Instrumenten auf den Marsrovern Curiosity und Ausdauer, die die chemische Zusammensetzung von Proben messen kann, indem sie die Wellenlängen des Lichts betrachtet, in dem sie vorkommen absorbieren. Aber im Gegensatz zu den Mars-Rovern, die Stunden oder Tage brauchen können, um eine Probe zu sammeln und sorgfältig zu analysieren, muss DAVINCI die Probenahme und Analyse in wenigen Minuten durchführen.

An verschiedenen Stellen der Kugel befinden sich Einlassventile mit Keramikabdeckungen, die abbrechen, um Gase aufzunehmen. Diese Gase müssen extrem schnell analysiert und dann abgelassen werden, damit mehr Proben entnommen werden können. Dies wird es der Sonde ermöglichen, den bisher detailliertesten Einblick in die Chemie der Atmosphäre in allen ihren Schichten zu erhalten.

Während dies geschieht, werden andere Sensoren in der Sonde Faktoren wie Temperatur und Druck messen, um dabei zu helfen, die Struktur der Atmosphäre zu verstehen. Anschließend werden alle diese Daten an den Orbiter zurückgesendet, bevor die Sonde die Oberfläche erreicht.

Die Sonde ist nur für Probenentnahmen in der Atmosphäre und nicht für die Landung konzipiert. Aber wenn es auf der Oberfläche landet, besteht die Möglichkeit, dass es überlebt. Die dichte Atmosphäre und der Fallschirm werden dazu beitragen, den Sinkflug zu verlangsamen, aber „er wird definitiv mit einer Geschwindigkeit einschlagen, die für Raumfahrtausrüstung nicht ideal ist“, sagte Sekerak lachend.

Wenn die Sonde die Landung jedoch überlebt, kann die Datenerfassung bis zu 20 Minuten dauern, bevor die Hitze durch die Kugel dringt und die Elektronik kaputt macht. Und das sind noch mehr Bonusdaten zur Oberflächentemperatur und zum Oberflächendruck sowie zu den vorhandenen Gasen.

Das Verständnis der Chemie der Atmosphäre ist nur ein Teil der Ziele von DAVINCI. Der andere Teil, der für die Öffentlichkeit vielleicht am aufregendsten ist, ist das Fotografieren der mysteriösen Venusoberfläche.

Venus im menschlichen Maßstab

Die Sonde werde „in den Bergen der Venus landen, in einer Art Gelände, das die Menschheit noch nie zuvor gesehen hat“, sagte Garvin. Und dieses Erlebnis möchte das Team sowohl visuell als auch chemisch festhalten.

Die Abstiegskugel wird außerdem über eine Kamera verfügen, die kontrastreiche Bilder der Oberfläche aufnimmt, die dann zu 3D-Karten verarbeitet werden können.

Damit eine Kamera jedoch im Inneren einer Metallkugel arbeiten kann, ist ein Fenster erforderlich. Und Glas ist kein gutes Material für den Umgang mit Umgebungen mit extrem hohem Druck. Deshalb wird das Fenster von DAVINCI nicht aus Glas, sondern aus Saphir bestehen.

„Es ist buchstäblich ein sehr, sehr großes Stück Saphir“, sagte Sekerak. „Weil es tolle optische Eigenschaften hat.“ Es ist sehr stark, aber auch sehr klar, sodass die damit aufgenommenen Bilder nicht verzerrt werden. Aber zwangsläufig lässt ein Fenster, das Licht hereinlässt, auch mehr Wärme herein, weshalb die Ingenieure Phasenwechselmaterialien um die Fensterbaugruppe herum angebracht haben. Dieses Material schmilzt bei einer bestimmten Temperatur, um die überschüssige Wärme vom Fenster aufzunehmen.

Dadurch kann die Kamera während des Abstiegs klare und scharfe Bilder aufnehmen. Diese werden verwendet, um das Gelände der Venus von der Höhe bis zur Oberfläche selbst zu fotografieren.

„Unsere endgültigen Bilder werden eine Auflösung von 10 Zentimetern haben“, sagte Garvin. „Das ist der Maßstab, den Sie im Wohnzimmer sehen würden.“

Garvin hofft, dass die Aufnahme von Bildern in diesem Maßstab nicht nur eine Fülle wissenschaftlicher Daten liefern wird, sondern auch eine Fülle wissenschaftlicher Daten liefern wird Geben Sie der Öffentlichkeit das Gefühl, die Venus als einen realen Ort sehen zu können und nicht nur als einen Punkt, von dem aus man sie beobachten kann in der Ferne.

„Wir wollen das menschliche Sehen und unsere Sinneswahrnehmung auf die Venus bringen“, sagte er. „Wir werden anfangen, Venus auf menschlicher Ebene zu spüren.“

Testen auf das Unbekannte

Der wirklich knifflige Teil einer Mission zur Venus besteht nicht einmal darin, sich mit den uns bekannten Herausforderungen wie der Temperatur und dem Druck auseinanderzusetzen. Es geht darum, vorauszusehen, welche Herausforderungen sich aus einem Umfeld ergeben könnten, über das wir so wenig Informationen haben.

Aus diesem Grund werden Tests und Vorbereitung in den nächsten sieben Jahren einen großen Teil der Arbeit des DAVINCI-Teams ausmachen, um den für 2029 geplanten Start vorzubereiten.

„Wir führen Worst-Case-Tests durch“, erklärte Sekerak. „Also testen wir, was die schlechteste Umgebung sein könnte.“

Forscher wissen beispielsweise, dass die Wolken der Venus Schwefelsäuretropfen enthalten – und Schwefelsäure frisst sich durch Materialien. Besonders besorgniserregend ist das Kevlar-Lanyard, mit dem die Abstiegskugel am Fallschirm befestigt wird. Um zu testen, ob das Lanyard der sauren Umgebung standhält, tauchen die Ingenieure es nicht einfach in ein paar Tropfen Säure, sondern beschichten die gesamte Oberfläche In Säure testen Sie dann die Zugkraft des Lanyards, um sicherzustellen, dass es lange genug übersteht, um die Sonde auch im schlimmsten Fall durch die Atmosphäre zu tragen Fall.

Was die Art und Weise angeht, wie man Hardware in Umgebungen testet, die sich so sehr von der Erde unterscheiden, muss man kreativ werden. Um zu sehen, wie lange es dauern würde, bis sich die Metallkugel erwärmt, brachte das Team sie zu einer Metallgießerei. „Ihre Aufgabe ist es, Metall einzuschmelzen“, sagte Sekerak. „Und wir haben dort unsere Instrumente untergebracht, um das Erhitzen zu üben und den Wärmefluss zu messen.“

Die Idee besteht darin, in jedem kritischen System genügend Spielraum zu schaffen, um alle Unbekannten zu berücksichtigen, die der Planet auf die Sphäre werfen könnte. Garvin erklärte: „Wir haben … viel technisches Denken und Risikominimierung in die Art und Weise eingebaut, wie wir dies tun.“

Dies wirkt sich sogar auf die Art und Weise der Datenerhebung aus. „Wenn wir einen guten Tag auf der Venus haben, werden wir wahrscheinlich 500 Abstiegsbilder zurückbekommen“, sagte er. „Wenn wir den absolut schlimmsten Tag erleben, den die Menschheit je erlebt hat, werden wir wahrscheinlich 35 zurückbekommen. Aber 35 sind weit mehr, als wir für diese Art der Kartierung benötigen.“ Mehr Bilder bedeuten natürlich mehr Informationen, und das ist vorzuziehen, da es mehr Wissenschaft ermöglicht. Aber selbst unter den schlechtesten Bedingungen werden sie unschätzbar wertvolle Informationen erhalten.

Immer etwas Neues zu lernen

Der Besuch der Venus ist selbst nach den ehrgeizigen Maßstäben großer Weltraummissionen eine enorme Herausforderung. Aber der potenzielle Nutzen aus dem, was wir lernen können, ist enorm.

Es wird schon für sich genommen faszinierend sein, etwas über die Venus zu erfahren. Aber es ist auch wichtig für unser Verständnis von Exoplaneten. Da Missionen wie das James Webb-Weltraumteleskop neue Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdecken und untersuchen, benötigen wir einen Referenzpunkt für Gesteinsplaneten wie Erde, Mars und Venus.

Wir haben ein ziemlich solides Verständnis der wesentlichen Eigenschaften von Erde und Mars und durch die Hinzunahme von Daten von der Venus werden wir in der Lage sein, entfernte Planeten viel besser zu verstehen.

„Die Venus wird zum Kalibrierungspunkt für die Art großer, felsiger Planeten mit Atmosphäre „Das werden wir mit Webb und den großen Teleskopen, die darüber hinausgehen, sehen und verstehen können“, sagt Garvin sagte.

Und natürlich gibt es den menschlichsten Instinkt, zu lernen und zu erkunden und an neue Orte zu reisen. „Das ist einer der Gründe, warum ich es liebe, an diesen Weltraumforschungsmissionen zu arbeiten – wir gehen an Orte, von denen wir nicht viel wissen“, sagte Sekerak.

Wir haben viel über das Bauen für die Umgebungen Erde und Mars gelernt, und jetzt können wir einen Teil dieses Wissens nutzen und es an einem anderen Ort anwenden. Der Bau für diese Umgebung wird unsere Technologie auf die Probe stellen, und wenn man sie mit einer Sonde besucht, kann man damit beginnen, einige ihrer Geheimnisse zu lüften. Wie Sekerak sagte: „Wenn man eine neue Weltraumumgebung besucht, gibt es immer etwas Neues, das man lernen kann.“

Empfehlungen der Redaktion

• Darin steckt der verrückte Plan, ein bisschen von der Venus-Atmosphäre einzufangen und nach Hause zu bringen
• So können Sie beobachten, wie die private NASA-Mission auf der Raumstation ankommt
• Wie die NASA-Astronautenklasse von 1978 das Gesicht der Weltraumforschung veränderte
• So können Sie der NASA bei der Enthüllung ihres Raumanzugs der nächsten Generation zusehen
• Venus, Jupiter und Ceres sind in den Himmelsbeobachtungstipps der NASA für März enthalten