Πώς ο νέος ανιχνευτής της NASA θα επιβιώσει στο τοπίο της κόλασης της Αφροδίτης

Καθώς τυγχάνει να είναι ο διπλανός μας γείτονας, μπορείτε να φανταστείτε ότι έχουμε μια ενδελεχή κατανόηση του πλανήτη Αφροδίτη. Αλλά θα έκανες λάθος. Η NASA δεν έχει επισκεφτεί τον πλανήτη για περισσότερα από 30 χρόνια, και υπάρχουν τόσα πολλά σχετικά με το μέρος που μόλις και μετά βίας καταλάβετε, από τη γεωλογική του ιστορία μέχρι τα είδη πετρωμάτων στην επιφάνειά του, τόσο μεγάλο μέρος του περιβάλλον είναι ουσιαστικά ένα μυστήριο.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η Αφροδίτη ήταν κάποτε σαν τη Γη, αλλά οι δυο τους διαφοροποιήθηκαν κάποια στιγμή στην εξέλιξή τους για να γίνουν τα πολύ διαφορετικά μέρη που βρίσκονται σήμερα. Γνωρίζουμε ότι η Αφροδίτη έχει μια πυκνή ατμόσφαιρα που διατηρεί τη θερμότητα και την καθιστά τον πιο ζεστό πλανήτη στο ηλιακό σύστημα. Και γνωρίζουμε ότι η επιφάνειά του καλύπτεται από βουνά, ρήγματα και ηφαίστεια, αν και δεν γνωρίζουμε αν αυτά είναι ακόμα ενεργά.

Ένας λόγος που τόσο πολλά παραμένουν άγνωστα για την Αφροδίτη είναι ότι η παχιά ατμόσφαιρά της κρύβει το μεγαλύτερο μέρος του εδάφους της από το οπτικό πεδίο και είναι δύσκολο να κοιτάξετε μέσα από στρώματα νεφών για να δείτε τι υπάρχει από κάτω. Ένας άλλος λόγος είναι ότι είναι ένα ανατριχιαστικά αφιλόξενο μέρος. Μεταξύ των θερμοκρασιών ψησίματος και της πυκνής, γεμάτη με οξύ ατμόσφαιρά του, τίποτα τεχνητό δεν έχει επιζήσει στην επιφάνειά του για περισσότερο από λίγα λεπτά.

Αλλά αν θέλουμε να μάθουμε περισσότερα για αυτόν τον μυστηριώδη πλανήτη της διπλανής πόρτας, πρέπει να τον επισκεφτούμε. Και αυτό ακριβώς σχεδιάζει να κάνει η αποστολή DAVINCI της NASA, ρίχνοντας έναν ανιχνευτή στην ατμόσφαιρα για να πάρει τις μετρήσεις μέχρι κάτω καθώς πέφτει στην επιφάνεια. Η αποστολή, η οποία θα είναι μία από μια τριάδα αποστολών στην Αφροδίτη την επόμενη δεκαετία, έχει προγραμματιστεί να εκτοξευτεί το 2029 και να φτάσει στην Αφροδίτη για την κατακόρυφη πτώση της μέσα από την ατμόσφαιρα το 2031.

Για να μάθετε πώς κατασκευάζετε έναν ανιχνευτή για να αντέχει σε αυτό το κολασμένο περιβάλλον και τι μπορούμε να μάθουμε από αυτό, μιλήσαμε σε δύο μέλη της ομάδας DAVINCI: Jim Garvin, κύριος ερευνητής για την αποστολή, και Mike Sekerak, έργο συστημάτων μηχανικός.

Τι συμβαίνει με την ατμόσφαιρα της Αφροδίτης;

Η Αφροδίτη αντιπροσωπεύει ένα σύνορο στην πλανητική επιστήμη για το οποίο πολύ λίγα είναι γνωστά, λαμβάνοντας υπόψη πόσο σχετικά κοντά μας είναι. Το τι συμβαίνει κάτω από το ανώτερο στρώμα του σύννεφου είναι μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα ερώτηση.

«Ο χαρακτηρισμός της ατμόσφαιρας, από την κορυφή των νεφών μέχρι την επιφάνεια – τόσο μεγάλος, τεράστιος Η ατμόσφαιρα, το 75% της μάζας της οποίας βρίσκεται στα χαμηλότερα 15 έως 20 χιλιόμετρα - είναι σχεδόν ανεξερεύνητη», δήλωσε ο Garvin είπε.

Ανιχνευτές που στάλθηκαν στην Αφροδίτη τις δεκαετίες του 1960 και του 1970 προσπάθησαν να συγκεντρώσουν δεδομένα για την ατμόσφαιρα και είχαν κάποια επιτυχία. Ωστόσο, οι προηγούμενες μετρήσεις της ατμόσφαιρας ήταν αναξιόπιστες, λόγω φυσικών προβλημάτων με προηγούμενους ανιχνευτές, όπως φραγμένες εισόδους και περιορισμένη διαθέσιμη τεχνολογία. Αυτό οδήγησε σε κάποιες ανακατεμένες αναγνώσεις, για τις οποίες ο Garvin λέει: «Μερικά από αυτά δεν έχουν νόημα».

Ειδικά η χαμηλότερη ατμόσφαιρα είναι από πολλές απόψεις ένα μυστήριο. Θα μπορούσε να είναι ένα υπερκρίσιμο ρευστό, στο οποίο η θερμοκρασία και η πίεση είναι τόσο μεγάλες που κυλούν σαν υγρό. Υπάρχει επίσης το ερώτημα πώς αλληλεπιδρούν τα πετρώματα στην επιφάνεια του πλανήτη με την ατμόσφαιρα.

Και η μελέτη της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας θα μπορούσε να μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε μια από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις που έχουμε για την Αφροδίτη: Είχε κάποτε ωκεανούς σε υγρό νερό στην επιφάνειά της, και αν ναι, τι απέγιναν;

Δύο μεγάλες προκλήσεις

Η Αφροδίτη δεν είναι ένα φιλόξενο μέρος για ανιχνευτή: Είναι δύο φορές πιο ζεστό από έναν φούρνο και υπάρχει περισσότερη πίεση στην επιφάνεια από το να βρίσκεται κάτω από ένα χιλιόμετρο ωκεανού.

«Οι τεχνικές προκλήσεις που έχουμε εδώ είναι αρκετά συναρπαστικές», είπε ο Σέκερακ. Το μεγαλύτερο πρόβλημα για οποιαδήποτε πιθανή αποστολή στην Αφροδίτη είναι η ζέστη, καθώς οι επιφανειακές θερμοκρασίες μπορεί να φτάσουν τους 900 βαθμούς Φαρενάιτ (475 βαθμούς Κελσίου). Είναι αρκετά ζεστό για να λιώσει το μόλυβδο και προκαλεί όλεθρο με τα ηλεκτρονικά.

Ωστόσο, αυτό είναι μόνο ένα μέρος της περιβαλλοντικής πρόκλησης. «Η πίεση, ωστόσο, δεν υστερεί πολύ όσον αφορά τις δυσκολίες», είπε ο Σέκερακ. Η πίεση στην επιφάνεια είναι περίπου 95 bar, ή σχεδόν 100 φορές η ατμοσφαιρική Η επιφάνεια της γης, επομένως η κατασκευή ενός ανιχνευτή για τέτοιου είδους περιβάλλον είναι σαν να χτίζετε α υποβρύχιο.

Όταν πέσει στην ατμόσφαιρα, το DAVINCI θα είναι σε αγώνα αγώνα ενάντια στο χρόνο για να συγκεντρώσει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται πριν η θερμότητα και η πίεση καταστρέψουν τα συστατικά του. Για να διατηρείται ο αισθητήρας ενεργός για όσο το δυνατόν περισσότερο, είναι σφαιρικός και καλυμμένος με ένα παχύ κέλυφος τιτανίου για να αντέχει την πίεση και να μονώνει έναντι της θερμότητας. Στη συνέχεια, υπάρχει περισσότερη μόνωση μέσα σε αυτό το κέλυφος, κατασκευασμένο από ειδικά υλικά, συμπεριλαμβανομένου του αστροχαλαζία, ενός τύπου ίνας που κατασκευάζεται από λιωμένο χαλαζία.

Το εσωτερικό έχει σχεδιαστεί για να διατηρεί τα εξαρτήματα θερμικά απομονωμένα και από το εξωτερικό, για να αποτρέπει τη μεταφορά θερμότητας από το κέλυφος. Στη συνέχεια γεμίζεται με αέριο διοξείδιο του άνθρακα για να προστατεύσει τα ηλεκτρονικά υψηλής τάσης από σπινθήρες και να σταματήσει τυχόν διαρροή αερίων της Γης κατά την εκτόξευση.

Συνολικά, ο καθετήρας, τον οποίο η ομάδα ονομάζει σφαίρα καθόδου, έχει διάμετρο περίπου ένα μέτρο. Θα απελευθερωθεί από ένα τροχιακό με ένα αλεξίπτωτο για να επιβραδύνει την κάθοδό του, αν και η ατμόσφαιρα βοηθά με αυτό, επειδή είναι τόσο παχύ που μοιάζει περισσότερο με την πτώση του καθετήρα μέσα από νερό παρά μέσω αέρα.

Συνολικά, θα χρειαστούν 63 λεπτά για να φτάσει ο ανιχνευτής στην επιφάνεια και σε αυτή τη μία ώρα θα συγκεντρώσει όσα περισσότερα δεδομένα μπορεί προτού καταστραφεί αναπόφευκτα από το βάναυσο περιβάλλον.

Δειγματοληψία μέχρι κάτω

Η σφαίρα καθόδου θα πέφτει μέσα από την ατμόσφαιρα και θα κάνει δειγματοληψία μέχρι κάτω, για να δημιουργήσει μια εικόνα της ατμόσφαιρας από την κορυφή προς τα κάτω.

Μέσα στη σφαίρα θα υπάρχουν όργανα όπως φασματόμετρα, παρόμοια με τα όργανα στα ρόβερ του Άρη Curiosity και Επιμονή, η οποία μπορεί να μετρήσει τη χημική σύνθεση των δειγμάτων κοιτάζοντας τα μήκη κύματος του φωτός που απορροφώ. Αλλά σε αντίθεση με τα ρόβερ του Άρη, που μπορεί να χρειαστούν ώρες ή μέρες για να συλλέξουν και να αναλύσουν προσεκτικά ένα δείγμα, το DAVINCI θα πρέπει να κάνει τη δειγματοληψία και την ανάλυσή του μέσα σε λίγα λεπτά.

Υπάρχουν βαλβίδες εισαγωγής σε διάφορα σημεία πάνω από τη σφαίρα, με κεραμικά καλύμματα που σπάνε για να καταπιούν αέρια. Αυτά τα αέρια πρέπει να αναλυθούν εξαιρετικά γρήγορα και στη συνέχεια να εξαερωθούν ώστε να μπορούν να ληφθούν περισσότερα δείγματα. Αυτό θα επιτρέψει στον ανιχνευτή να έχει την πιο λεπτομερή ματιά στη χημεία της ατμόσφαιρας σε όλα τα στρώματά του.

Ενώ συμβαίνει αυτό, άλλοι αισθητήρες στον ανιχνευτή θα μετρούν παράγοντες όπως η θερμοκρασία και η πίεση, για να βοηθήσουν στην κατανόηση της δομής της ατμόσφαιρας. Στη συνέχεια, όλα αυτά τα δεδομένα θα σταλούν πίσω στο τροχιακό πριν ο ανιχνευτής χτυπήσει στην επιφάνεια.

Ο καθετήρας έχει σχεδιαστεί μόνο για δειγματοληψία στην ατμόσφαιρα και όχι για προσγείωση. Αλλά όταν αγγίξει στην επιφάνεια, υπάρχει πιθανότητα να επιβιώσει. Η πυκνή ατμόσφαιρα και το αλεξίπτωτο θα βοηθήσουν στην επιβράδυνση της κάθοδός του, αλλά «σίγουρα θα χτυπήσει με ταχύτητα που είναι, ωχ, λιγότερο από ιδανική για εξοπλισμό διαστημικών πτήσεων», είπε ο Σέκερακ γελώντας.

Ωστόσο, εάν ο ανιχνευτής επιβιώσει από την προσγείωση, μπορεί να διαρκέσει έως και 20 λεπτά συλλογής δεδομένων προτού η θερμότητα διαπεράσει τη σφαίρα και τηγανίσει τα ηλεκτρονικά. Και αυτό θα είναι ακόμη περισσότερα μπόνους δεδομένα για τη θερμοκρασία και την πίεση της επιφάνειας, καθώς και τα αέρια που υπάρχουν.

Η κατανόηση της χημείας της ατμόσφαιρας είναι μόνο ένα μέρος των στόχων του DAVINCI. Το άλλο μέρος, που μπορεί να είναι πιο συναρπαστικό για το κοινό, είναι η λήψη φωτογραφιών από τη μυστηριώδη επιφάνεια της Αφροδίτης.

Αφροδίτη σε ανθρώπινη κλίμακα

Ο ανιχνευτής θα κατέβει «στα βουνά της Αφροδίτης, σε ένα είδος εδάφους που δεν έχει ξαναδεί η ανθρωπότητα», είπε ο Garvin. Και η ομάδα θέλει να καταγράψει αυτή την εμπειρία οπτικά αλλά και χημικά.

Η σφαίρα καθόδου θα έχει επίσης μια κάμερα που θα τραβάει εικόνες υψηλής αντίθεσης της επιφάνειας, οι οποίες στη συνέχεια μπορούν να ενσωματωθούν σε τρισδιάστατους χάρτες.

Ωστόσο, για να λειτουργεί μια κάμερα μέσα από μια μεταλλική σφαίρα, χρειάζεστε ένα παράθυρο. Και το γυαλί δεν είναι ένα εξαιρετικό υλικό για την αντιμετώπιση περιβαλλόντων με έντονη υψηλή πίεση. Γι' αυτό το παράθυρο του DAVINCI δεν θα είναι από γυαλί αλλά από ζαφείρι.

«Είναι κυριολεκτικά ένα πολύ, πολύ μεγάλο κομμάτι ζαφείρι», είπε ο Σέκερακ. "Επειδή έχει εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες." Είναι πολύ ισχυρό αλλά και πολύ καθαρό, επομένως δεν παραμορφώνει τις εικόνες που λαμβάνονται μέσα από αυτό. Αλλά αναπόφευκτα, ένα παράθυρο που αφήνει φως θα αφήσει επίσης περισσότερη θερμότητα, έτσι οι μηχανικοί πρόσθεσαν υλικά αλλαγής φάσης γύρω από το συγκρότημα παραθύρου. Αυτό το υλικό λιώνει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για να απορροφήσει την περίσσεια θερμότητας από το παράθυρο.

Αυτό θα επιτρέψει στην κάμερα να τραβήξει καθαρές, ευκρινείς εικόνες κατά την κάθοδό της. Αυτά θα χρησιμοποιηθούν για τη φωτογράφηση του εδάφους της Αφροδίτης, από ψηλά και μέχρι κάτω στην ίδια την επιφάνεια.

«Οι τελικές μας εικόνες θα έχουν ανάλυση 10 εκατοστών», είπε ο Garvin. «Αυτή είναι η ζυγαριά που θα έβλεπες να κοιτάζεις στο σαλόνι σου».

Εκτός από την προσφορά πληθώρας επιστημονικών δεδομένων, ο Garvin ελπίζει ότι η λήψη εικόνων σε αυτή την κλίμακα θα βοηθήστε το κοινό να νιώσει ότι μπορεί να δει την Αφροδίτη ως ένα πραγματικό μέρος, όχι απλώς μια κουκκίδα από την οποία πρέπει να παρατηρηθεί μακρυά.

«Θέλουμε να φέρουμε την ανθρώπινη όραση και την αισθητηριακή μας αντίληψη στην Αφροδίτη», είπε. «Θα αρχίσουμε να αισθανόμαστε την Αφροδίτη σε ανθρώπινη κλίμακα».

Δοκιμές για το άγνωστο

Το πραγματικό δύσκολο μέρος μιας αποστολής στην Αφροδίτη δεν είναι καν να αντιμετωπίσουμε τις προκλήσεις που γνωρίζουμε, όπως η θερμοκρασία και η πίεση. Προσπαθεί να προβλέψει ποιες προκλήσεις μπορεί να προκύψουν από ένα περιβάλλον για το οποίο έχουμε τόσο λίγες πληροφορίες.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δοκιμές και η προετοιμασία θα είναι ένα μεγάλο μέρος αυτού που κάνει η ομάδα DAVINCI για τα επόμενα επτά χρόνια, στο πλαίσιο της προετοιμασίας για ένα λανσάρισμα που έχει προγραμματιστεί για το 2029.

«Κάνουμε δοκιμές στη χειρότερη περίπτωση», εξήγησε ο Σέκερακ. «Έτσι δοκιμάζουμε ποιο θα μπορούσε να είναι το χειρότερο περιβάλλον».

Για παράδειγμα, οι ερευνητές γνωρίζουν ότι τα σύννεφα της Αφροδίτης έχουν σταγόνες θειικού οξέος μέσα τους – και το θειικό οξύ τρώει μέσα από υλικά. Είναι μια ιδιαίτερη ανησυχία για το κορδόνι Kevlar που θα συνδέσει τη σφαίρα καθόδου στο αλεξίπτωτο. Έτσι, για να ελέγξουν εάν το κορδόνι μπορεί να αντέξει το όξινο περιβάλλον, οι μηχανικοί δεν το αιωρούν μόνο σε μερικές σταγόνες οξέος - επικαλύπτουν ολόκληρη την επιφάνεια σε οξύ, στη συνέχεια δοκιμάστε την δύναμη έλξης του κορδονιού για να βεβαιωθείτε ότι μπορεί να επιβιώσει αρκετά για να περάσει τον ανιχνευτή μέσα από την ατμόσφαιρα ακόμα και στη χειρότερη δυνατή υπόθεση.

Όσο για το πώς δοκιμάζετε το υλικό σε περιβάλλοντα, σε αντίθεση με το Earth, πρέπει να γίνετε δημιουργικοί. Για να δει πόσο χρόνο θα χρειαζόταν για να ζεσταθεί η μεταλλική σφαίρα, η ομάδα την πήγε σε ένα χυτήριο μετάλλων. «Η δουλειά τους είναι να λιώνουν μέταλλο», είπε ο Σέκερακ. «Και βάζουμε τα όργανά μας εκεί μέσα για να εξασκηθούμε να το ζεσταίνουμε, για να μετρήσουμε αυτή τη ροή θερμότητας».

Η ιδέα είναι να δημιουργηθεί αρκετό περιθώριο σε κάθε κρίσιμο σύστημα για να επιτρέψει ό, τι άγνωστο μπορεί να ρίξει ο πλανήτης στη σφαίρα. Ο Garvin εξήγησε: «Έχουμε δημιουργήσει... πολλή σκέψη μηχανικής και μείωση του κινδύνου στο πώς το κάνουμε αυτό».

Αυτό επηρεάζει ακόμη και τον τρόπο συλλογής των δεδομένων. «Αν έχουμε μια καλή μέρα στην Αφροδίτη, πιθανότατα θα λάβουμε πίσω 500 εικόνες κατάβασης», είπε. «Αν έχουμε την απόλυτη χειρότερη μέρα που γνωρίζει η ανθρωπότητα, πιθανότατα θα πάρουμε τα 35 πίσω. Αλλά το 35 είναι πολύ περισσότερο από αυτό που χρειαζόμαστε για να κάνουμε αυτό το είδος χαρτογράφησης». Φυσικά, περισσότερες εικόνες σημαίνουν περισσότερες πληροφορίες, και αυτό είναι προτιμότερο, καθώς επιτρέπει περισσότερη επιστήμη. Αλλά ακόμα και με τις χειρότερες συνθήκες, θα μάθουν ανεκτίμητες πληροφορίες.

Πάντα κάτι νέο να μάθεις

Η επίσκεψη στην Αφροδίτη είναι μια τεράστια πρόκληση, ακόμη και με τα φιλόδοξα πρότυπα των μεγάλων διαστημικών αποστολών. Αλλά η πιθανή ανταμοιβή όσον αφορά το τι μπορούμε να μάθουμε είναι τεράστια.

Η εκμάθηση για την Αφροδίτη θα είναι συναρπαστική για χάρη της. Αλλά είναι επίσης σημαντικό για την κατανόησή μας για τους εξωπλανήτες. Καθώς αποστολές όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb ανακαλύπτουν και διερευνούν νέους πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος, θα χρειαστούμε ένα σημείο αναφοράς για βραχώδεις πλανήτες όπως η Γη, ο Άρης και η Αφροδίτη.

Έχουμε μια αρκετά σταθερή κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών της Γης και του Άρη και προσθέτοντας δεδομένα από την Αφροδίτη, θα είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε πολύ καλύτερα τους μακρινούς πλανήτες.

«Η Αφροδίτη θα γίνει σημείο βαθμονόμησης, για τα είδη των μεγάλων, βραχωδών πλανητών που φέρουν ατμόσφαιρα ότι θα μπορέσουμε να δούμε και να κατανοήσουμε με τον Webb και τα μεγάλα τηλεσκόπια που έρχονται πέρα ​​από αυτό», είπε ο Garvin είπε.

Και φυσικά, υπάρχει αυτό το πιο ανθρώπινο ένστικτο, να μάθει και να εξερευνήσει και να ταξιδέψει σε νέα μέρη. «Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους μου αρέσει να εργάζομαι σε αυτές τις αποστολές εξερεύνησης του διαστήματος – πηγαίνουμε κάπου για το οποίο δεν γνωρίζουμε πολλά», είπε ο Σέκερακ.

Μάθαμε πολλά για την κατασκευή για τα περιβάλλοντα της Γης και του Άρη, και τώρα μπορούμε να πάρουμε μέρος αυτής της γνώσης και να την εφαρμόσουμε σε κάπου διαφορετικό. Η οικοδόμηση για αυτό το περιβάλλον θα επεκτείνει την τεχνολογία μας και η επίσκεψή της με έναν ανιχνευτή μπορεί να αρχίσει να αποκαλύπτει μερικά από τα μυστήρια της. Όπως είπε ο Sekerak, όταν επισκέπτεστε ένα νέο διαστημικό περιβάλλον, «υπάρχει πάντα κάτι νέο που μπορείτε να μάθετε».

Συστάσεις των συντακτών

• Μέσα στο τρελό σχέδιο να συλλέξουμε και να φέρουμε στο σπίτι λίγη από την ατμόσφαιρα της Αφροδίτης
• Πώς να παρακολουθήσετε την ιδιωτική αποστολή της NASA να φτάνει στον διαστημικό σταθμό
• Πώς η τάξη αστροναυτών της NASA του 1978 άλλαξε το πρόσωπο της εξερεύνησης του διαστήματος
• Πώς να παρακολουθήσετε τη NASA να αποκαλύπτει τη διαστημική στολή της επόμενης γενιάς
• Η Αφροδίτη, ο Δίας και η Δήμητρα περιλαμβάνονται στις συμβουλές της NASA για την παρακολούθηση του ουρανού για τον Μάρτιο