Η λεπτή τέχνη του αερόφρενου: Το κλειδί για την εξερεύνηση της Αφροδίτης

Η δεκαετία της Αφροδίτης πλησιάζει. Με τρεις επικείμενες αποστολές Venus προγραμματισμένο από τη NASA και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA), βρισκόμαστε στο κατώφλι να μάθουμε περισσότερα για τον γειτονικό μας πλανήτη από ποτέ.

Αλλά δεν θα μάθουμε μόνο για την πλανητική επιστήμη. Αυτή τη φορά θα μάθουμε επίσης πώς να ελέγχουμε ένα διαστημόπλοιο σε μια εξωγήινη ατμόσφαιρα, χάρη σε δύο αποστολές - την ESA EnVision και το VERITAS της NASA — οι οποίες πρόκειται να χρησιμοποιήσουν μια νέα τεχνική που ονομάζεται αεροπέδηση για να φέρουν το διαστημόπλοιό τους στη σωστή τροχιά για να κάνουν την επιστήμη τους.

Μιλήσαμε με μηχανικούς και επιστήμονες από την αποστολή EnVision για να μάθουμε πώς σχεδιάζουν να το πετύχουν — και τι μπορεί να μάθουν από αυτό.

Επιβράδυνση χρησιμοποιώντας την ατμόσφαιρα

Κανονικά, θα επιβραδύνατε ένα διαστημόπλοιο με τον ίδιο τρόπο που το επιταχύνετε: με την καύση καυσίμου. Η χημική πρόωση είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να παράγεις πολλή δύναμη πολύ γρήγορα και είναι αυτό που χρειάζεσαι τόσο για την εκτόξευση από την αρχή όσο και για την είσοδο σε τροχιά στον προορισμό σου.

Ωστόσο, το καύσιμο είναι επίσης πολύ βαρύ. Και το βάρος είναι χρήμα όταν πρόκειται για εκτοξεύσεις πυραύλων. Όσο περισσότερα καύσιμα μεταφέρει ένα διαστημικό σκάφος, τόσο πιο ακριβό θα είναι η εκτόξευση και τόσο λιγότερα περιθώρια για επιστημονικά όργανα.

Έτσι, τις τελευταίες δεκαετίες, οι διαστημικοί μηχανικοί έχουν αναπτύξει έναν πιο αποτελεσματικό τρόπο για να επιβραδύνουν ένα διαστημόπλοιο. Αντί να καίει καύσιμα, αυτή η νέα μέθοδος εκμεταλλεύεται την ατμόσφαιρα που υπάρχει στις περισσότερες τοποθεσίες που θα θέλαμε να επισκεφτούμε. Το διαστημόπλοιο πλησιάζει τα ανώτερα άκρα της ατμόσφαιρας και βυθίζεται, όπου η τριβή θα το επιβραδύνει κατά ένα μικρό ποσοστό. Στη συνέχεια, το διαστημόπλοιο τραβάει προς τα πάνω πριν ξαναβουτήξει, επιβραδύνοντας σταδιακά σε πολλαπλές βυθίσεις και χαμηλώνοντας την τροχιά του με την πάροδο του χρόνου.

Αυτή η μέθοδος, που ονομάζεται αεροπέδηση, έχει χρησιμοποιηθεί από διαστημόπλοια στον Άρη και έχει πειραματιστεί ακόμη και για διαστημόπλοια που επιστρέφουν στη Γη. Αλλά τώρα οι ομάδες αποστολής θέλουν να χρησιμοποιήσουν την τεχνική και για δύο από τις επερχόμενες αποστολές Venus.

Μερικά προηγούμενα διαστημόπλοια Venus όπως το Magellan και το Venus Express έχουν χρησιμοποιήσει αεροπέδηση στο τέλος του τις αποστολές τους, όταν ολοκληρώθηκε η κύρια επιστημονική τους εργασία και οι ομάδες ήθελαν να πειραματιστούν με το τεχνική. Αλλά το EnVision και το VERITAS θα είναι το πρώτο διαστημόπλοιο που θα χρησιμοποιήσει αεροπέδηση στην αρχή των αποστολών τους για να μπει στη σωστή τροχιά.

Μαραθώνιος 15 μηνών 

Όταν το EnVision φτάσει στην Αφροδίτη, θα βρίσκεται σε τροχιά σε υψόμετρο 150.000 μιλίων. Και πρέπει να φτάσει μέχρι τα 300 μίλια πάνω από την επιφάνεια για να πάρει τις μετρήσεις που θέλει η ομάδα. Για να γίνει αυτό, θα βυθιστεί στην ατμόσφαιρα χιλιάδες φορές σε μια περίοδο μεταξύ 15 μηνών και δύο ετών, μετακινώντας σταδιακά στη σωστή τροχιά.

Αυτό απαιτεί σχολαστικό σχεδιασμό, αλλά απαιτεί επίσης λεπτομερή γνώση των ατμοσφαιρικών συνθηκών για να προβλέψει πώς οι ελιγμοί θα επηρεάσουν το διαστημόπλοιο. Οι μεγαλύτεροι παράγοντες που επηρεάζουν την αεροπέδηση θα είναι η θερμοκρασία, η πυκνότητα και οι ταχύτητες του ανέμου, τα οποία ποικίλλουν σημαντικά σε διαφορετικά μέρη της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης.

Αυτό κάνει την αεροπέδηση στην Αφροδίτη πολύ πιο περίπλοκη από την αεροπέδηση στον Άρη, για παράδειγμα. Η Αφροδίτη έχει πολύ μεγαλύτερη βαρύτητα από τον Άρη, πράγμα που σημαίνει ότι το διαστημικό σκάφος θα έχει πολύ υψηλότερες ταχύτητες όταν διέρχεται από την ατμόσφαιρα. Γι' αυτό η διαδικασία θα διαρκέσει τόσο πολύ.

Το σκληρό περιβάλλον της Αφροδίτης

Μια άλλη πρόκληση είναι ότι η Αφροδίτη είναι α βαθιά αφιλόξενο μέρος, και αυτό επεκτείνεται και στην ατμόσφαιρά του. Η Αφροδίτη είναι πιο κοντά στον ήλιο από τη Γη, επομένως λαμβάνει σημαντική θερμότητα και ηλιακή ακτινοβολία που χρειάζεται το διαστημόπλοιο για να μπορεί να αντέξει. Και καθώς το διαστημόπλοιο πέφτει στην ατμόσφαιρα για αεροπέδηση, η τριβή το κάνει να επιβραδύνει — αλλά αυτό προκαλεί επίσης θέρμανση.

Οι ακριβείς θερμοκρασίες που θα αντιμετωπίσει το διαστημόπλοιο θα εξαρτηθούν από τις τελικές αποφάσεις σχεδιασμού, αλλά θα είναι στο περιοχή «ίσως 200 ή 300 βαθμούς Κελσίου για την υψηλότερη θερμοκρασία», Adrian Tighe, επιστήμονας υλικών για το EnVision, είπε. Υπάρχει επίσης η υπεριώδης ακτινοβολία από τον ήλιο που θα πρέπει να χειριστεί το διαστημόπλοιο. «Είναι ένα πολύ σκληρό περιβάλλον για τα υλικά».

Ωστόσο, η μεγαλύτερη απειλή για το διαστημόπλοιο κατά την αεροπέδηση δεν είναι η θερμότητα ή η ακτινοβολία. Αντίθετα, είναι ένα συστατικό της ανώτερης ατμόσφαιρας, το ατομικό οξυγόνο. Σε αντίθεση με τα περισσότερα μόρια οξυγόνου στη Γη, τα οποία αποτελούνται από δύο άτομα οξυγόνου, το ατομικό οξυγόνο έχει διασπαστεί από την ακτινοβολία από τον ήλιο και έτσι έχει μόνο ένα άτομο οξυγόνου. Αυτό σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά αντιδραστικό, επομένως μπορεί να καταβροχθίσει τα υλικά και να τα διαβρώσει.

Αυτά είναι άσχημα νέα για το διαστημικό σκάφος, το οποίο πρέπει να επιβιώσει στη φάση αεροφρεναρίσματος που διαρκεί μήνες και στη συνέχεια να μπορέσει να προχωρήσει στην επιστημονική του αποστολή. Και το διαστημόπλοιο θα βομβαρδιστεί κυριολεκτικά από αυτά τα σωματίδια, καθώς θα κινείται με υψηλή ταχύτητα περίπου πέντε μιλίων το δευτερόλεπτο. «Είναι ένας συνδυασμός μιας χημικής αντίδρασης και της ταχύτητας πρόσκρουσης» που θα προκαλέσει το πρόβλημα, εξήγησε ο Tighe, με τα σωματίδια να χτυπούν το διαστημόπλοιο «σαν σφαίρα με ταχύτητα».

Εύρεση υλικών ανθεκτικών στην Αφροδίτη

Το ατομικό οξυγόνο μπορεί να οξειδώσει μέταλλα, αλλά είναι ακόμα χειρότερο για τα πολυμερή. Αυτά τα υλικά που μοιάζουν με πλαστικό, κατασκευασμένα από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, αντιδρούν με το ατομικό οξυγόνο για να σχηματίσουν ενώσεις όπως το διοξείδιο του άνθρακα που εξατμίζονται και έτσι το υλικό χάνεται στο διάστημα. Το ατομικό οξυγόνο μπορεί επίσης να αντιδράσει με χρώματα, όπως λευκά χρώματα που χρειάζονται για να αντανακλούν τη θερμότητα μακριά και που μπορεί να γίνει καφέ και να γίνει λιγότερο αποτελεσματικό, καθώς και με μονωτικό υλικό που ονομάζεται πολυστρωματικό μόνωση.

Η μεγαλύτερη ανησυχία είναι τα ηλιακά πάνελ του διαστημικού σκάφους, επειδή είναι τόσο εκτεθειμένα. Οι ηλιακές κυψέλες καλύπτονται από γυαλί, το οποίο είναι ανθεκτικό στο ατομικό οξυγόνο, αλλά τοποθετούνται σε ένα υπόστρωμα συνήθως κατασκευασμένο από ανθρακονήματα, το οποίο είναι ευαίσθητο στη διάβρωση. Ένα άλλο ευαίσθητο συστατικό είναι το λεπτό φύλλο που χρησιμοποιείται ως μόνωση μεταξύ της κυψέλης και του πίνακα, που ονομάζεται kapton. Και υπάρχει ένα λεπτό φύλλο που συνδέει τις διαφορετικές κυψέλες, το οποίο μερικές φορές είναι κατασκευασμένο από ασήμι — και αυτό είναι επίσης ευαίσθητο. Έτσι, οι μηχανικοί εργάζονται είτε για την επιλογή διαφορετικών υλικών είτε για την εύρεση τρόπων προστασίας των υλικών από την έκθεση στο ατομικό οξυγόνο.

Αν και το ατομικό οξυγόνο δεν βρίσκεται πολύ στην επιφάνεια της Γης, έχουμε κάποια κατανόηση για το πώς να το αντιμετωπίσουμε καθώς βρίσκεται στην τροχιά της Γης. Οι δορυφόροι έχουν σχεδιαστεί για να αντέχουν σε μια ορισμένη πυκνότητα ατομικού οξυγόνου, επομένως οι μηχανικοί χρησιμοποιούν παρόμοιες αρχές για να σχεδιάσουν το διαστημόπλοιο EnVision για να το κάνουν ανθεκτικό. Αλλά το περιβάλλον της Γης δεν περιλαμβάνει τόσο υψηλές θερμοκρασίες, επομένως ο συνδυασμός ατομικού οξυγόνου και υψηλών θερμοκρασιών είναι μια νέα πρόκληση.

«Έπρεπε λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε τα πιο στιβαρά υλικά», είπε ο Tighe, του οποίου η ομάδα ήταν απασχολημένη με τις δοκιμές υλικών όπως μόνωση, βαφή και ηλιακή ενέργεια εξαρτήματα πάνελ για να βρείτε αυτά που θα είναι σε θέση να αντέξουν 15 μήνες αυτού του σκληρού περιβάλλοντος πριν καν ξεκινήσει η κύρια αποστολή του.

Επιστημονικά δεδομένα δωρεάν

Η κύρια αποστολή του EnVision δεν θα ξεκινήσει έως ότου οι ελιγμοί αεροπέδησης έχουν φέρει το διαστημόπλοιο στην τελική του τροχιά μεταξύ 130 και 340 μιλίων. Αλλά οι επιστήμονες δεν αφήνουν ποτέ να τους περάσει η ευκαιρία για μάθηση, έτσι μια ερευνητική ομάδα εργάζεται πάνω σε αυτά που θα μπορούσαν να μάθουν για την Αφροδίτη και κατά τη φάση της αεροπέδησης.

Οι επιστήμονες της ατμόσφαιρας είναι ενθουσιασμένοι με τη δυνατότητα να έχουν μια από κοντά άποψη της ανώτερης ατμόσφαιρας του πλανήτη, η οποία σπάνια μελετάται. Η μελέτη της ανώτερης ατμόσφαιρας είναι δύσκολη, σύμφωνα με την επιστήμονα του EnVision, Gabriella Gilli Instituto de Astrofísica de Andalucía στην Ισπανία, επειδή είναι τόσο λεπτό σε σύγκριση με το πυκνό χαμηλότερο ατμόσφαιρα. «Είναι δύσκολο να μετρήσεις με όργανα τηλεπισκόπησης. Δεν έχουμε αρκετή ακρίβεια για όργανα να μετρήσουν μια τόσο μικρή πυκνότητα», εξήγησε η Gilli.

Γι' αυτό ο ελιγμός αεροπέδησης προσφέρει μια τόσο μοναδική επιστημονική ευκαιρία. Λαμβάνοντας μετρήσεις παραγόντων όπως η πυκνότητα και η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια των ελιγμών, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της ανώτερης περιοχής της ατμόσφαιρας.

«Θέλουμε πραγματικά να μάθουμε ποια είναι η κατάσταση της ατμόσφαιρας σε κάθε μέρος του πλανήτη», είπε η Gilli. Αλλά επί του παρόντος, τα περιορισμένα δεδομένα που έχουμε από την Αφροδίτη περιορίζονται σε εξαιρετικά εντοπισμένες παρατηρήσεις. Υπάρχουν επίσης τεράστιες διαφορές μεταξύ του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρεται η ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της ημέρας σε σχέση με τη νύχτα, κάτι που μόλις αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε.

Εάν οι επιστήμονες μπορούν να λάβουν δεδομένα για την ανώτερη ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, μπορούν να τα συγκρίνουν με δεδομένα από άλλες αποστολές όπως ο DaVinci να προσπαθήσει να συνδυάσει ό, τι συμβαίνει στην ατμόσφαιρα ως σύνολο, και όχι σε ένα μόνο τοποθεσία.

Προσαρμογή στις συνθήκες

Ωστόσο, οι παρατηρήσεις που συλλέχθηκαν κατά τη φάση της αεροπέδησης δεν θα έχουν μόνο επιστημονικό ενδιαφέρον. Θα τροφοδοτηθούν επίσης στην ομάδα του διαστημικού σκάφους, η οποία μπορεί να προσαρμόσει τον τρόπο με τον οποίο γίνονται οι ελιγμοί προγραμματίζεται εάν, ας πούμε, αποδειχθεί ότι η πυκνότητα σε ένα μέρος της ατμόσφαιρας είναι διαφορετική από αυτή που ήταν αναμενόμενος.

«Η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης είναι εξαιρετικά μεταβλητή», εξήγησε η Gilli, πράγμα που σημαίνει ότι η θερμοκρασία και η πυκνότητά της αλλάζουν με πολύπλοκους τρόπους. «Και η μεταβλητότητα είναι ακόμη μεγαλύτερη στο ανώτερο μέρος της ατμόσφαιρας».

Αυτό σημαίνει ότι οι περιορισμένες προβλέψεις που έχουμε για το τι να περιμένουμε μπορεί να χρειαστούν σημαντική προσαρμογή μόλις το διαστημόπλοιο φτάσει στην Αφροδίτη. Η μοντελοποίηση των συνθηκών που θα συναντήσει το διαστημικό σκάφος θα είναι «μια συνεχής εργασία σε εξέλιξη μέχρι την εκτόξευση», σύμφωνα με τον Thomas Voirin, διευθυντή Μελέτης EnVision.

Και ακόμη και μετά την εκτόξευση, η προσαρμογή των ελιγμών αεροπέδησης είναι μια επαναληπτική διαδικασία. Η ομάδα της αποστολής έχει μοντέλα για το τι μπορούν να περιμένουν να βρουν, αλλά «σίγουρα, η πραγματικότητα θα είναι διαφορετική», είπε ο Voirin. Η όλη διαδικασία έχει σχεδιαστεί με μεγάλα περιθώρια, ώστε να επιτρέπει διάφορες πιθανές αποκλίσεις από τις προβλέψεις.

Λεπτή φάση

Η εκτόξευση οποιασδήποτε διαπλανητικής αποστολής είναι δύσκολη, αλλά η αεροπέδηση στην Αφροδίτη είναι μια ιδιαίτερη πρόκληση. Από τη γρήγορη περιστροφή τμημάτων της ατμόσφαιρας μέχρι τις επιπτώσεις της ηλιακής δραστηριότητας, με γρήγορους ανέμους και υψηλή μεταβλητότητα, υπάρχουν πολλοί παράγοντες που θα πρέπει να αντιμετωπίσουν διαστημόπλοια όπως το EnVision με.

«Αυτή είναι μια πολύ δύσκολη φάση. Μια πολύ λεπτή φάση», είπε η Gilli.

Αλλά αν λειτουργήσει, θα μπορούσε να επιδείξει έναν νέο και πιο προσιτό τρόπο για να μπουν τα διαστημόπλοια στις τροχιές τους — και αυτό σημαίνει ότι οι αποστολές μπορούν να είναι πιο φιλόδοξες στους επιστημονικούς τους στόχους χωρίς να είναι περισσότερες ακριβός.

Η διαδικασία είναι μακρά και θα απαιτήσει υπομονή από τους ερευνητές και το κοινό, αλλά έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τον τρόπο που κάνουμε την πλανητική επιστήμη στην Αφροδίτη.

«Φαίνεται πολύ περίπλοκο το πράγμα. Σκέφτεσαι, καλά, γιατί να το κάνεις αυτό; Γιατί να ξοδέψετε δύο χρόνια περιμένοντας έναν αρκετά επικίνδυνο ελιγμό; Είναι επειδή επιτρέπει πραγματικά την αποστολή», είπε ο Tighe. Και υπάρχει και κάτι εγγενώς ικανοποιητικό σε αυτό. «Είναι απλά προσεγμένο, χρησιμοποιώντας την ίδια την ατμόσφαιρα για να μπορέσεις να μπεις στην τροχιά. Είναι ένας τακτικός τρόπος να το κάνεις».

Συστάσεις των συντακτών

• Να γιατί οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ζωή μπορεί να έχει ευδοκιμήσει στον «πλανήτη της κόλασης» Αφροδίτη
• Δείτε το φεγγάρι και τον Δία να χαλαρώνουν στα highlights του Μαΐου
• Πώς η τάξη αστροναυτών της NASA του 1978 άλλαξε το πρόσωπο της εξερεύνησης του διαστήματος
• Η ηφαιστειακή δραστηριότητα της Αφροδίτης την έχει αφήσει με ένα στριμωγμένο εξωτερικό κέλυφος
• Δύο διαστημόπλοια συνεργάστηκαν για να μάθουν για το μαγνητικό πεδίο της Αφροδίτης