Cómo sobrevivirá la nueva sonda de la NASA al infierno de Venus

Como resulta que es nuestro vecino de al lado, se puede imaginar que tenemos un conocimiento profundo del planeta Venus. Pero estarías equivocado. La NASA no ha visitado el planeta en más de 30 años, y hay tantas cosas sobre el lugar que apenas sabemos entender, desde su historia geológica hasta qué tipo de rocas hay en su superficie, que gran parte de su el medio ambiente es esencialmente un misterio.

Los científicos creen que Venus fue una vez como la tierra, pero los dos divergieron en algún momento de su evolución para convertirse en los lugares muy diferentes que son hoy. Sabemos que Venus tiene una atmósfera espesa que mantiene el calor y lo convierte en el planeta más caliente del sistema solar. Y sabemos que su superficie está cubierta de montañas, fisuras y volcanes, aunque no sabemos si todavía están activos.

Una de las razones por las que aún se desconoce tanto sobre Venus es que su espesa atmósfera oculta la mayor parte de su terreno a la vista y es difícil mirar a través de las capas de nubes para ver lo que hay debajo. Otra razón es que es un lugar escalofriantemente inhóspito. Entre sus temperaturas abrasadoras y su atmósfera espesa y llena de ácido, nada de lo creado por el hombre ha sobrevivido en su superficie durante más de unos pocos minutos.

Pero si queremos saber más sobre este misterioso planeta de al lado, debemos visitarlo. Y eso es exactamente lo que planea hacer la misión DAVINCI de la NASA: lanzar una sonda a través de la atmósfera para tomar lecturas a medida que cae a la superficie. La misión, que será una de un trío de misiones a Venus en la próxima década, está previsto que se lance en 2029 y llegue a Venus para atravesar la atmósfera en 2031.

Para descubrir cómo se construye una sonda para resistir este entorno infernal y qué podríamos aprender de él, hablamos con dos Miembros del equipo DAVINCI: Jim Garvin, investigador principal de la misión, y Mike Sekerak, proyecto de sistemas. ingeniero.

¿Qué pasa con la atmósfera de Venus?

Venus representa una frontera en la ciencia planetaria sobre la que se sabe muy poco, considerando lo relativamente cerca que está de nosotros. Lo que sucede debajo de la capa superior de nubes es una pregunta particularmente intrigante.

“La caracterización de la atmósfera, desde la cima de las nubes hasta la superficie –este gran y masivo La atmósfera, cuyo 75% de masa se encuentra entre los 15 y 20 kilómetros inferiores, está casi inexplorada”, afirmó Garvin. dicho.

Las sondas enviadas a Venus en las décadas de 1960 y 1970 intentaron recopilar datos sobre la atmósfera y tuvieron cierto éxito. Pero las mediciones anteriores de la atmósfera no han sido confiables debido a problemas físicos con sondas anteriores, como entradas obstruidas y la limitada tecnología disponible. Eso llevó a algunas lecturas confusas, de las cuales Garvin dice: "Algunas de ellas no tienen sentido".

La atmósfera inferior en particular es un misterio en muchos sentidos. Podría ser un fluido supercrítico, en el que la temperatura y la presión son tan grandes que chapotea como un líquido. También está la cuestión de cómo interactúan las rocas de la superficie del planeta con la atmósfera.

Y estudiar la atmósfera y la superficie podría ayudar a responder una de las preguntas más importantes que tenemos sobre Venus: ¿Alguna vez tuvo océanos de agua líquida en su superficie y, de ser así, qué pasó con ellos?

Dos grandes desafíos

Venus no es un lugar acogedor para una sonda: hace el doble de calor que un horno y hay más presión en la superficie que bajo un kilómetro de océano.

"Los desafíos técnicos que tenemos aquí son bastante interesantes", dijo Sekerak. El mayor problema para cualquier posible misión a Venus es el calor, ya que las temperaturas de la superficie pueden alcanzar los 900 grados Fahrenheit (475 grados Celsius). Eso es lo suficientemente caliente como para derretir el plomo y causa estragos en la electrónica.

Sin embargo, esa es sólo una parte del desafío ambiental. "Sin embargo, la presión no se queda atrás en términos de dificultades", dijo Sekerak. La presión en la superficie es de unos 95 bares, o casi 100 veces la presión atmosférica en la superficie. superficie de la Tierra, por lo que diseñar una sonda para este tipo de entorno es como construir una submarino.

Cuando sea arrojado a la atmósfera, DAVINCI estará en una carrera contra el tiempo para recopilar toda la información que necesita antes de que el calor y la presión destruyan sus componentes. Para mantener la sonda activa el mayor tiempo posible, es esférica y está cubierta por una gruesa carcasa de titanio para resistir la presión y aislarla del calor. Luego hay más aislamiento dentro de esta carcasa, hecha de materiales especiales como el astrocuarzo, un tipo de fibra hecha de cuarzo fundido.

El interior también está diseñado para mantener los componentes aislados térmicamente del exterior, para evitar que el calor se transfiera desde la carcasa. Luego se llena con dióxido de carbono para proteger los componentes electrónicos de alto voltaje de chispas y evitar que se filtren gases terrestres durante el lanzamiento.

En general, la sonda, que el equipo llama esfera de descenso, tiene aproximadamente un metro de diámetro. Será lanzado desde un orbitador con un paracaídas para frenar su descenso, aunque la atmósfera ayuda con esto porque es tan espeso que es más como dejar caer la sonda a través del agua que a través del aire.

En total, la sonda tardará 63 minutos en llegar a la superficie, y en esa hora recopilará tantos datos como sea posible antes de ser inevitablemente destruida por el brutal entorno.

Muestreo hasta el final

La esfera de descenso descenderá a través de la atmósfera y tomará muestras hasta el final para crear una imagen de la atmósfera desde arriba hasta abajo.

Dentro de la esfera habrá instrumentos como espectrómetros, similares a los instrumentos de los rovers de Marte Curiosity y Perseverance, que puede medir la composición química de muestras observando las longitudes de onda de la luz que contienen. absorber. Pero a diferencia de los vehículos exploradores de Marte, que pueden tardar horas o días en recolectar y analizar cuidadosamente una muestra, DAVINCI tendrá que realizar su muestreo y análisis en cuestión de minutos.

Hay válvulas de entrada en varios puntos sobre la esfera, con tapas cerámicas que se rompen para ingerir gases. Estos gases deben analizarse extremadamente rápido y luego ventilarse para poder tomar más muestras. Esto permitirá a la sonda obtener una visión más detallada hasta ahora de la química de la atmósfera en todas sus capas.

Mientras esto sucede, otros sensores de la sonda medirán factores como la temperatura y la presión, para ayudar a comprender la estructura de la atmósfera. Luego, todos estos datos se enviarán de vuelta al orbitador antes de que la sonda llegue a la superficie.

La sonda sólo está diseñada para tomar muestras de la atmósfera y no para aterrizar. Pero cuando aterrice en la superficie, existe la posibilidad de que sobreviva. La atmósfera espesa y el paracaídas ayudarán a frenar su descenso, pero "definitivamente golpeará a una velocidad que es, uhh, menos que ideal para el hardware de los vuelos espaciales", dijo Sekerak riendo.

Sin embargo, si la sonda sobrevive al aterrizaje, podrían pasar hasta 20 minutos recopilando datos antes de que el calor absorba la esfera y fríe los componentes electrónicos. Y estos serán aún más datos adicionales sobre la temperatura y presión de la superficie, así como sobre los gases presentes.

Comprender la química de la atmósfera es sólo una parte de los objetivos de DAVINCI. La otra parte, que podría resultar más emocionante para el público, es tomar fotografías de la misteriosa superficie de Venus.

Venus a escala humana

La sonda descenderá "en las montañas de Venus, en un tipo de terreno que la humanidad nunca antes había visto", dijo Garvin. Y el equipo quiere registrar esta experiencia tanto visual como químicamente.

La esfera de descenso también tendrá una cámara que tomará imágenes de alto contraste de la superficie, que luego se podrán construir en mapas 3D.

Sin embargo, para que una cámara funcione desde el interior de una esfera metálica, se necesita una ventana. Y el vidrio no es un buen material para lidiar con ambientes de alta presión intensa. Por eso la ventana de DAVINCI no será de cristal sino de zafiro.

"Es literalmente una pieza de zafiro muy, muy grande", dijo Sekerak. "Porque tiene grandes propiedades ópticas". Es muy fuerte pero también muy claro, por lo que no distorsionará las imágenes tomadas a través de él. Pero inevitablemente, una ventana que deja entrar luz también dejará entrar más calor, por lo que los ingenieros agregaron materiales de cambio de fase alrededor del conjunto de la ventana. Este material se funde a una temperatura específica para absorber el exceso de calor de la ventana.

Esto permitirá que la cámara tome imágenes claras y nítidas durante su descenso. Estos se utilizarán para fotografiar el terreno de Venus, desde lo alto y hasta la superficie misma.

"Nuestras imágenes finales tendrán una resolución de 10 centímetros", dijo Garvin. "Esa es la escala que verías mirando al otro lado de tu sala de estar".

Además de ofrecer una gran cantidad de datos científicos, Garvin espera que la captura de imágenes a esta escala ayude ayudar al público a sentir que puede ver a Venus como un lugar real, no simplemente como un punto que se observa desde lejos.

"Queremos llevar la visión humana y nuestra percepción sensorial a Venus", dijo. "Comenzaremos a sentir a Venus a escala humana".

Prueba de lo desconocido

La parte realmente complicada de una misión a Venus ni siquiera es abordar los desafíos que conocemos, como la temperatura y la presión. Se trata de anticipar los desafíos que podrían surgir en un entorno sobre el que tenemos tan poca información.

Es por eso que las pruebas y la preparación serán una gran parte de lo que haga el equipo DAVINCI durante los próximos siete años, en preparación para un lanzamiento programado para 2029.

"Hacemos pruebas en el peor de los casos", explicó Sekerak. "Así que probamos cuál podría ser el peor entorno".

Por ejemplo, los investigadores saben que las nubes de Venus contienen gotas de ácido sulfúrico, y el ácido sulfúrico devora los materiales. Es una preocupación particular el cordón de Kevlar que sujetará la esfera de descenso al paracaídas. Entonces, para probar si el cordón puede resistir el ambiente ácido, los ingenieros no solo lo suspenden en unas pocas gotas de ácido, sino que cubren toda la superficie. en ácido, luego pruebe la fuerza de tracción del cordón para asegurarse de que pueda sobrevivir el tiempo suficiente para llevar la sonda a través de la atmósfera incluso en las peores condiciones posibles. caso.

En cuanto a cómo probar el hardware en entornos tan diferentes a la Tierra, hay que ser creativo. Para ver cuánto tiempo tardaría la esfera de metal en calentarse, el equipo la llevó a una fundición de metales. "Su trabajo es fundir metal", dijo Sekerak. "Y colocamos nuestra instrumentación allí para practicar cómo calentarlo, para medir ese flujo de calor".

La idea es crear un margen suficiente en cada sistema crítico para permitir cualquier incógnita que el planeta pueda arrojar a la esfera. Garvin explicó: "Hemos incorporado... mucho pensamiento de ingeniería y reducción de riesgos en la forma en que hacemos esto".

Esto afecta incluso a la forma en que se recopilarán los datos. "Si tenemos un buen día en Venus, probablemente obtendremos 500 imágenes de descenso", dijo. “Si tenemos el peor día conocido por la humanidad, probablemente recuperaremos 35. Pero 35 es mucho más de lo que necesitamos para hacer este tipo de mapeo”. Por supuesto, más imágenes significan más información, y eso es preferible porque permite más ciencia. Pero incluso en las peores condiciones, encontrarán información invaluable.

Siempre hay algo nuevo que aprender.

Visitar Venus es un desafío enorme, incluso para los ambiciosos estándares de las grandes misiones espaciales. Pero el beneficio potencial en términos de lo que podemos aprender es enorme.

Aprender sobre Venus será fascinante por sí mismo. Pero también es importante para nuestra comprensión de los exoplanetas. A medida que misiones como el Telescopio Espacial James Webb descubran e investiguen nuevos planetas fuera de nuestro sistema solar, necesitaremos un punto de referencia para planetas rocosos como la Tierra, Marte y Venus.

Tenemos una comprensión bastante sólida de las características esenciales de la Tierra y Marte, y al agregar datos de Venus, seremos capaces de comprender mucho mejor los planetas distantes.

“Venus se convertirá en un punto de calibración para los tipos de planetas grandes, rocosos y portadores de atmósfera. que podremos ver y comprender con Webb y los grandes telescopios que vienen más allá”, Garvin dicho.

Y, por supuesto, existe el instinto más humano: aprender, explorar y viajar a nuevos lugares. "Esta es una de las razones por las que me encanta trabajar en estas misiones de exploración espacial: vamos a un lugar del que no sabemos mucho", dijo Sekerak.

Hemos aprendido mucho sobre la construcción para los entornos de la Tierra y Marte, y ahora podemos tomar parte de ese conocimiento y aplicarlo en algún lugar diferente. Construir para ese entorno exigirá nuestra tecnología, y visitarla con una sonda puede comenzar a desentrañar algunos de sus misterios. Como dijo Sekerak, cuando se visita un nuevo entorno espacial, “siempre hay algo nuevo que puedes aprender”.

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