Metsik plaan tuua koju natuke Veenuse atmosfääri

Kui olete hiljuti kosmoseuudiseid jälginud, olete ilmselt kuulnud Marsi proovide tagasitulekust – NASA ambitsioonikast plaanist koguda Marsi kivimite proove ja tuua need Maale uurimiseks tagasi. See missioon on kavas käivitada hiljem sel kümnendil, kuid nende proovide kogumine ja toomine on aastate pikkune ja äärmiselt kulukas protsess.

Kuid Marss pole ainus külastuskaugusel olev planeet. Miks me ei hüppa oma teise planeedi naabri Veenuse juurde ja ei võta sealt ka proovi?

Just seda pakub Veenuse uurijate rühm. Rääkisime ettepanekute rühma juhiga, et rohkem teada saada.

Vana idee, mille aeg on kätte jõudnud

Teadlased on aastakümneid arutanud Veenusest proovi püüdmise eeliseid, kusjuures missioonikontseptsioone uuriti juba 1980. aastatel. Kuigi Marss on viimastel aastatel enim tähelepanu pälvinud planeet, on planeediteaduse vastu suur huvi kogukonnale Veenuse kohta lisateabe saamiseks – eriti seetõttu, et see võib aidata meil paremini mõista teisi planeete väljaspool meie päikest süsteem.

Nüüd võib see muutuda, kuna NASA käivitab Veenuse kümnend paari missiooniga, mis on seal visiidil, koos Euroopa Kosmoseagentuuri missiooniga, mis kõik on kavandatud järgmisel kümnendil.

Varasemad Veenuse näidismissioonid ei saanud kunagi alguse mitmel põhjusel: keskendumine Marsile on lõppenud Veenus, tehnoloogia puudumine sellise keeruka operatsiooni võimaldamiseks ja selle oluline ebasõbralikkus Veenus. Veenus on kuum, äärmiselt tiheda atmosfääriga, mis loob elektroonikale väga karmi keskkonna.

Püüdes lennata Veenusele, saata sond maapinnale, koguda proovi, viia see proov tagasi orbiidile ja siis oleks selle tagastamine Maale nii ülemäära kulukas kui ka nõuaks märkimisväärset tehnoloogilist tööd arenguid.

Sellepärast on Prantsuse teadlaste rühmal erinev lähenemisviis. Selle asemel, et püüda koguda tükk Veenuse pinnast, peaksime püüdma haarata osa selle atmosfäärist. Venuse Atmospheric Sample Return missioon ehk VATMOS-SR on Pariisi planetaarfüüsika instituudi rühma missioonikontseptsioon, mis püüab oma ideele toetust koguda.

Selle lähenemisviisi suur eelis on selle suhteline lihtsus. Pole vaja midagi pinnale maanduda ega orbiidile naasta. Selle asemel võiks saata ühe kosmoselaeva Maast eemale Veenuse poole, kus see siseneks atmosfääri ja täidaks pudelid umbes nelja liitri gaasiga. Siis jätkaks see reisimist otse Maale tagasi.

Kosmoselaeval poleks instrumente ja see ei võtaks näitu. See oleks lihtsalt inkassoauto. See muudab selle turvalisemaks, lihtsamaks ja odavamaks, selgitas juhtivteadur Guillaume Avice väljaandele Digital Trends.

"Sa lihtsalt sirvida ballistilisel trajektooril atmosfääri," ütles Avice. "Nii et sinna minekuks, proovi võtmiseks ja Maale naasmiseks kulub vaid üks aasta."

Pikaajaline planeerimine

Tänapäeval hõlmavad planeediteaduse missioonid tavaliselt instrumentide (nt Marsi kulgurite) saatmist asukohta ja mõõtmist. See lähenemisviis toetab materjali kogumist ja selle asemel Maale tagasi toomist, kus meil on palju võimekamad ja mitmekesisemad instrumendid uurimiseks.

Ja mõnelt teiselt planeedilt pärit hinnalise prooviga läheb natuke asja juurde. Mitmeliitrine gaasiproov võib teadlasi aastaid tööl hoida.

"Mis on tõesti lahe, on see, et saate palju gaasi ja saate seda mõõta mitte igavesti, vaid pikka aega Maal," selgitas Avice. "Kui järele mõelda, saate sellest proovist natuke säilitada. Võib-olla kümne aasta pärast on meil Maal uus spektromeeter, mis on selle proovi jaoks kasulik.

See tuleviku planeerimine on mõttekas, kui vaatate, kuidas NASA on lähenenud Apollo Kuu-missioonide käigus kogutud Kuu proovidele. Mõningaid proove analüüsiti kohe, kui need Maale tagastati, kuid teisi säilitati selle alusel, et tulevikutehnoloogia võimaldaks neid analüüsida uues sügavuses. Ja see pikaajaline lähenemine on 50-aastase valimiga end ära tasunud avati alles eelmisel aastal ja paljastab teavet Kuu geoloogia ja ajaloo kohta.

Kui suudaksime võtta Veenuse atmosfäärist sarnase proovi, saaks suure osa sellest ka pikaajaliselt säilitada. Ja teadlastele oleks kasulik isegi vaid käputäis gaasiproovi aatomeid, nii et mitmeliitrisest proovist piisaks kogu Veenuse kogukonna uurimismaterjalide pakkumiseks.

Tulevane missioon Veenusele nimega Davinci kavatseb teha sarnaseid atmosfääri mõõtmisi, kuid sel juhul on tegemist reaalse ajahädaga. Missioon hõlmab proovisfääri kukutamist läbi atmosfääri, nii et proovid tuleb võtta ja töödelda vaid ühe tunni jooksul.

See on põhjustanud probleeme varasemate Veenuse missioonidega varasematel aastakümnetel, mille tulemuseks olid moonutatud leiud, mis on tõenäoliselt tingitud valest kalibreerimisest või ummistunud ventilatsiooniavadest. Insenerid annavad endast parima, et ennetada proovide võtmisega seotud võimalikke probleeme, kuid seda on raske teha, kui missiooni siseneva keskkonna kohta on nii palju teadmatust.

Kui proov tuuakse aga Maale tagasi, jääb piisavalt aega instrumentide kalibreerimiseks ja tulemuste topeltkontrollimiseks, mis muudab leiud usaldusväärsemaks.

Väga suurel kiirusel proovi võtmisel on mõningaid keerukusi. Toimub protsess, mida nimetatakse fraktsioneerimiseks, mis võib proovi nii kiiresti kogumisel jagada erinevateks osadeks, kuid seda peaks olema võimalik parandada.

Kuidas atmosfääriproovide võtmise missioon töötaks

Siiski on mõjuvaid põhjuseid, miks keegi pole varem Venuse näidise tagasisaatmismissiooni proovinud. Sest see ei ole lihtne.

Ilmselge paralleel Veenuse proovide tagastamise missiooniga oleks Marsi proovide tagastamise missioon, an NASA ja Euroopa Kosmoseagentuuri peatne ühisettevõte, mis peaks startima hilisõhtul 2020ndad. See Marsilt proovi kogumise plaan hõlmab mitut kulgurit, maandurit või helikopterit, seda tehakse aastakümneid ja selle eelarve on õhupalline, mis puudutab isegi tulihingelisi Marsi entusiaste.

Ja Veenus on oma paksu atmosfääri, väävelhappepilvede ja ookeanisügavustega võrreldava rõhuga veelgi külalislahkem kui Marss. Katse Veenuse pinnalt proovi tagastada oleks "õudusunenägu", ütles Avice, ja "tõenäoliselt isegi kallim kui Marsil".

Sellepärast teeb Avice'i rühm ettepaneku võtta selle asemel proov planeedi atmosfäärist. "See on üliodav," ütles ta suhteliselt rääkides: rühm hindab sellise missiooni maksumuseks 100 miljonit eurot (110 miljonit dollarit) võrreldes Praeguste hinnangute kohaselt 8–9 miljardit dollarit Marsi proovi tagastamise jaoks.

Isegi atmosfääriproovi suhtelise lihtsusega ei sobi ükski vana atmosfääri tükk. Väga suurtel kõrgustel on atmosfäär äärmiselt õhuke ja osa molekule eraldab gravitatsioon. Nii et esindusliku proovi saamiseks peate minema alla taseme, mida nimetatakse homopausiks, millest allpool on atmosfäär piisavalt hästi segunenud, et sisaldada kõiki erinevaid molekule.

Veenusel on homopaus pinnast umbes 110 km (70 miili) kaugusel, seega peab missioon jõudma sellest tasemest madalamale. Kuid mida sügavamale lähete, seda raskemaks missioon muutub. "Nii et eesmärk on olla veidi allpool homopausi, teatud ohutusvaruga," ütles Avice. "Kui me läheme sügavamale, muutub see palju keerulisemaks ja kallimaks."

Väljakutsed

Kuid isegi lihtsalt planeedi atmosfäärist läbi pääsemine on keeruline. Üheks suureks väljakutseks on kosmoseaparaadi kaitsmine tohutu kuumuse eest, mis tekib atmosfääri hõõrdumise tõttu.

Kosmoselaevad, mis sisenevad mõne planeedi atmosfääri – olgu selleks siis mõne teise planeedi, näiteks Marsi, külastamine või naasev kosmoseaparaat Maale läbi meie planeedi atmosfääri – neil on paks kuumakilp, mis kaitseb sees olevaid õrnu komponente väga kõrge temperatuurid.

Näiteks kulguri Marsile toimetamine hõlmab kulguri mähkimist kuumakilbi sisse ja seejärel kogu asja pitseerimist - kulgur ja kuumakilp koos tõukurite ja muude kosmoseaparaadi osadega – raketi ninakoonusse väljalaskmiseks. Kosmosesse jõudnud kosmoseaparaat võetakse kasutusele ja liigub Marsile, seejärel kaitseb kuumakilp kulgurit, kui see läbib atmosfääri maandumiseks.

Atmosfääriproovi missiooniks vajate aga ühte kuumakaitset, mis töötaks kaks korda – nii Veenuse proovivõtu ajal kui ka uuesti proovi Maale tagastamisel. Ei ole selge, kas praegune kuumakaitsetehnoloogia suudab kosmoselaeva kahe sellise kokkupuute kaudu kaitsta.

Kuumakaitse kaks korda tööle panemine on "miski, mida me tegelikult ei tea, kuidas seda teha", ütles Avice. Ja see võib nõuda aastatepikkust arendustööd, kui see on isegi võimalik.

Mida teha prooviga, kui see on Maale tagasi jõudnud

Teine väljakutse on üllatav. Võib arvata, et proovi kogumine on raske asi ja selle analüüsimine, kui see on tagasi Maa peal, oleks lihtne. Kuid selgub, et gaasiproovidega töötamine on raskem, kui võite arvata.

Veenuse atmosfäär on täis kergesti aurustuvaid aineid, mida nimetatakse lenduvateks aineteks. Nende hulka kuuluvad väärisgaasid ja ühendid, sealhulgas lämmastik, vesinik, süsinik ja väävel. Nende uurimine on Veenuse atmosfääri mõistmise võti, kuid neid pole lihtne transportida ega uurida.

Lenduva aine proovipudelisse õigeks püüdmiseks vajate väga head ventiili – mõlemat, et ükski proov pääseb välja ja nii et ükski muust keskkonnast, näiteks Maa atmosfäärist, pärit gaas ei leki sisse. See oli probleem Hayabusa2 missioonil, millel õnnestus asteroidilt proov tagastada, kuid see koges Maa atmosfääri lekkimine tõenäoliselt põhjustatud langevarju maale naasmise ajal toimunud šokist.

Isegi kui proov muudab selle Maale tagasi täiesti puutumatuna, ilma igasuguste leketeta, peate ikkagi kiiresti liikuma, et proov pudelist turvalisemasse anumasse viia. Isegi kõige tihedamad ventiilid lekivad kuude jooksul veidi, nii et teil on vaja mitut süsteemi mahutid, mis suudavad kinni püüda kõike, mis proovist lekib, ja säilitada nii palju proovist võimalik.

Teadlased arenevad vaakumsüsteemid gaaside eraldamiseks ja analüüsimiseks, sealhulgas need kasutatakse Hayabusa2 proovi jaoks, kuid see on siiski uus tehnoloogiavaldkond, mida tuleb arendada, et atmosfääriproovide tagastamise missioon oleks täielikult tõhus.

Planeediteaduse tulevik: in situ vs. näidis tagastamine

Atmosfääriproovide võtmise missioon on endiselt kindlalt kontseptsiooni staadiumis ja rühm loodab saada selle Euroopa Kosmoseagentuuri või võib-olla NASA järgmises ettepanekute voorus.

See on ambitsioonikas plaan, kuid see pole nii võõras kontseptsioon, kui see oleks olnud paar aastat tagasi. "Aastakümneid tagasi oli proovide tagastamine vaid unistus ega olnud tõsine," ütles Avice, kuid nüüd koos eelmisega missioonidel nagu Hayabusa2 ja eelseisvatel missioonidel nagu Mars Sample Return, on see muutumas reaalseks võimaluseks.

Ja võimalike trajektooride tõttu on võimalik näidata, et proovide tagastamine on võimalik suhteliselt kiiresti ja odavalt Maa ja Veenuse vahel ning kuna kosmoseaparaat ei peaks enne kohale naasmist kiirust aeglustama, pinnale jõudma ega tagasi orbiidile jõudma Maa.

Missioon võib potentsiaalselt olla kiire edasi-tagasi piitsutamine, proovide tagastamine aasta jooksul.

"Mis on tõesti lahe, on see, et me saame Veenuse atmosfääri proovi enne, kui saame proovid Marsilt," ütles Avice. "See oleks esimene proov teiselt planeedilt."

Toimetajate soovitused

• Siin on põhjus, miks teadlased arvavad, et elu võis "põrguplaneedil" Veenusel õitseda
• Vera C sees. Rubini observatoorium, maailma suurima digikaamera kodu
• Rocket Lab kavatseb saata esimese eramissiooni Venusesse
• MIT-i teadlased kirjeldavad üksikasjalikult eramissioonide plaane, et otsida Veenusel elu
• NASA video näitab teile, mis tunne on sukelduda läbi Veenuse atmosfääri