Kuidas NASA uus sond Veenuse põrgumaastikul ellu jääb

Kuna see juhtub olema meie naaber, võite ette kujutada, et meil on planeedi Veenus põhjalik arusaam. Aga sa eksid. NASA pole planeeti enam kui 30 aastat külastanud ja selle koha kohta on nii palju, et me vaevalt mõista, alates selle geoloogilisest ajaloost kuni selle pinnal olevate kivimite liikideni, et suur osa sellest keskkond on sisuliselt mõistatus.

Teadlased arvavad, et Veenus oli kunagi nagu Maa, kuid need kaks lahknesid mingil hetkel oma evolutsioonis, muutudes tohutult erinevateks kohtadeks, kus nad praegu on. Teame, et Veenusel on paks atmosfäär, mis hoiab soojust ja teeb sellest Päikesesüsteemi kuumima planeedi. Ja me teame, et selle pind on kaetud mägede, lõhede ja vulkaanidega, kuigi me ei tea, kas need on endiselt aktiivsed.

Üks põhjus, miks Veenuse kohta nii palju teadmata jääb, on see, et selle paks atmosfäär varjab suurema osa maastikust ja on raske läbi pilvekihtide piiluda, et näha, mis selle all on. Teine põhjus on see, et see on jahutavalt ebasõbralik koht. Küpsetustemperatuuri ja paksu happega täidetud atmosfääri vahel pole selle pinnal üle mõne minuti säilinud midagi tehislikku.

Aga kui tahame selle kõrval asuva salapärase planeedi kohta rohkem teada, peame seda külastama. Ja just seda plaanib NASA DAVINCI missioon teha, laskdes sondi läbi atmosfääri, et mõõta näidud, kui see pinnale langeb. Missioon, millest saab üks missioonikolmik järgmisel kümnendil Veenusele, on kavas startida 2029. aastal ja jõuda Veenusele, et 2031. aastal läbi atmosfääri langeda.

Et teada saada, kuidas ehitada sond, mis taluks seda põrgulikku keskkonda, ja mida me võiksime sellest õppida, rääkisime kahega. DAVINCI meeskonna liikmed: Jim Garvin, missiooni juhtivuurija ja Mike Sekerak, süsteemiprojekt insener.

Mis on Veenuse atmosfääriga lahti?

Veenus esindab planeediteaduse piiri, mille kohta on väga vähe teada, arvestades, kui lähedal see meile on. See, mis toimub ülemise pilvekihi all, on eriti intrigeeriv küsimus.

„Atmosfääri iseloomustus pilvede tipust pinnani – see suur, massiivne atmosfäär, mille massist 75% on alumisel 15–20 kilomeetril – on peaaegu uurimata,” ütles Garvin. ütles.

1960. ja 1970. aastatel Veenusele saadetud sondid püüdsid koguda andmeid atmosfääri kohta ja neil oli mõningane edu. Kuid varasemad atmosfääri mõõtmised on olnud ebausaldusväärsed eelmiste sondide füüsiliste probleemide tõttu, nagu ummistunud sisselaskeavad ja piiratud tehnoloogia. See tõi kaasa segased näidud, mille kohta Garvin ütleb: "Mõnel neist pole mõtet."

Eelkõige madalam atmosfäär on paljuski mõistatus. See võib olla ülekriitiline vedelik, mille temperatuur ja rõhk on nii suured, et see loksub ringi nagu vedelik. Samuti on küsimus selles, kuidas planeedi pinnal olevad kivimid suhtlevad atmosfääriga.

Ja atmosfääri ja pinna uurimine võib aidata vastata ühele suurimale küsimusele, mis meil Veenuse kohta on: kas selle pinnal oli kunagi vedelas vees ookeane ja kui jah, siis mis nendega juhtus?

Kaks suurt väljakutset

Veenus ei ole sondi jaoks tervitatav koht: see on kaks korda kuumem kui ahi ja pinnal on suurem rõhk kui kilomeetri sügavusel ookeanil.

"Siinsed tehnilised väljakutsed on päris põnevad," ütles Sekerak. Mis tahes potentsiaalse Veenuse missiooni suurim probleem on kuumus, kuna pinnatemperatuur võib ulatuda 900 kraadi Fahrenheiti (475 kraadi Celsiuse järgi). See on piisavalt kuum, et plii sulatada, ja see hävitab elektroonikat.

See on siiski vaid üks osa keskkonnaprobleemist. "Surve ei jää aga raskuste poolest kaugele maha," ütles Sekerak. Pinna rõhk on umbes 95 baari ehk peaaegu 100 korda suurem kui õhurõhk Maa pind, nii et sellise keskkonna jaoks sondi projekteerimine sarnaneb a ehitamisega allveelaev.

Kui see atmosfääri lastakse, on DAVINCI võidujooksus ajaga, et koguda kogu vajalik teave, enne kui kuumus ja rõhk selle komponendid hävitavad. Et sond oleks võimalikult kaua aktiivne, on see sfääriline ja kaetud paksu titaankestaga, et taluda survet ja isoleerida kuumust. Siis on selle kesta sees rohkem isolatsiooni, mis on valmistatud spetsiaalsetest materjalidest, sealhulgas astrokvartsist, sulatatud kvartsist valmistatud kiududest.

Sisemus on loodud nii, et komponendid oleksid ka välisküljest termiliselt isoleeritud, et vältida soojuse ülekandumist kestast. Seejärel täidetakse see süsinikdioksiidiga, et kaitsta kõrgepingeelektroonikat sädemete eest ja takistada maagaaside lekkimist stardi ajal.

Üldiselt on sondi, mida meeskond nimetab laskumissfääriks, läbimõõt umbes üks meeter. See vabastatakse orbiidilt langevarjuga, et aeglustada laskumist, kuigi atmosfäär aitab sellega, sest see on nii paks, et see sarnaneb pigem sondi kukkumisega läbi vee kui läbi õhu.

Kokku kulub sondi pinnale jõudmiseks 63 minutit ja selle tunni jooksul kogub see nii palju andmeid kui võimalik, enne kui jõhker keskkond selle paratamatult hävitab.

Proovide võtmine lõpuni

Laskumissfäär kukub läbi atmosfääri ja proovib kogu tee alla, et luua pilt atmosfäärist ülevalt alla.

Sfääri sees on sellised instrumendid nagu spektromeetrid, mis on sarnased marsikulguritel Curiosity ja Püsivus, mis suudab mõõta proovide keemilist koostist, vaadates nende valguse lainepikkusi absorbeerima. Kuid erinevalt Marsi kulguritest, mille proovi kogumine ja hoolikas analüüsimine võib võtta tunde või päevi, peab DAVINCI proovide võtmise ja analüüsi tegema mõne minutiga.

Sfääri erinevates kohtades on sisselaskeventiilid keraamiliste katetega, mis purunevad gaaside neelamiseks. Neid gaase tuleb väga kiiresti analüüsida ja seejärel õhutada, et saaks võtta rohkem proove. See võimaldab sondil saada kõige üksikasjalikuma ülevaate atmosfääri keemiast kõigis selle kihtides.

Sel ajal, kui see juhtub, mõõdavad teised sondi andurid selliseid tegureid nagu temperatuur ja rõhk, et aidata mõista atmosfääri struktuuri. Seejärel saadetakse kõik need andmed tagasi orbiidile enne, kui sond pinnale jõuab.

Sond on ette nähtud proovide võtmiseks atmosfääri, mitte maandumiseks. Kuid kui see pinda puudutab, on võimalus, et see jääb ellu. Paks atmosfäär ja langevari aitavad selle laskumist aeglustada, kuid "see tabab kindlasti kiirust, mis on kosmoselendude riistvara jaoks ideaalne," ütles Sekerak naerdes.

Kui sond siiski maandumise üle elab, võib andmete kogumiseks kuluda kuni 20 minutit, enne kui kuumus kerast läbi imbub ja elektroonika praadib. Ja see on veelgi rohkem lisaandmeid pinnatemperatuuri ja rõhu ning olemasolevate gaaside kohta.

Atmosfääri keemia mõistmine on vaid üks osa DAVINCI eesmärkidest. Teine osa, mis võib avalikkusele kõige põnevam olla, on salapärase Veenuse pinna pildistamine.

Veenus inimese mastaabis

Sond laskub alla "Venuse mägedes, maastikul, mida inimkond pole kunagi varem näinud," ütles Garvin. Ja meeskond soovib selle kogemuse jäädvustada nii visuaalselt kui ka keemiliselt.

Laskumiskeral on ka kaamera, mis teeb pinnast suure kontrastsusega pilte, mida saab seejärel 3D-kaartideks ehitada.

Kuid selleks, et kaamera töötaks metallsfääri seest, on teil vaja akent. Ja klaas ei ole suurepärane materjal intensiivse kõrgsurvekeskkonnaga toimetulemiseks. Seetõttu ei valmistata DAVINCI aken mitte klaasist, vaid safiirist.

"See on sõna otseses mõttes väga-väga suur safiiritükk," ütles Sekerak. "Sest sellel on suurepärased optilised omadused." See on väga tugev, kuid ka väga selge, nii et see ei moonuta sellest tehtud pilte. Kuid paratamatult laseb valgust läbi laskv aken ka rohkem soojust sisse, nii et insenerid lisasid aknakoostu ümber faasimuutusmaterjale. See materjal sulab teatud temperatuuril, et absorbeerida aknast üleliigset soojust.

See võimaldab kaameral laskumise ajal teha selgeid ja teravaid pilte. Neid kasutatakse Veenuse maastiku pildistamiseks kõrgelt ja allapoole kuni pinnani.

"Meie lõplikud pildid on 10-sentimeetrise eraldusvõimega, " ütles Garvin. "See on skaala, mida näete oma elutoast välja vaadates."

Lisaks suure hulga teaduslike andmete pakkumisele loodab Garvin, et sellises mahus piltide jäädvustamine seda teeb Aidake avalikkusel tunda, et nad näevad Veenust tõelise kohana, mitte ainult täpiks, kust jälgida kaugelt.

"Tahame tuua Veenusele inimese nägemise ja sensoorse taju," ütles ta. "Hakkame Veenust inimese skaalal tajuma."

Testimine tundmatu jaoks

Veenuse missiooni tõeline keeruline osa ei seisne isegi meile teadaolevate väljakutsetega, nagu temperatuur ja rõhk, tegelemine. See püüab ette näha, millised väljakutsed võivad tekkida keskkonnast, mille kohta meil on nii vähe teavet.

Seetõttu on testimisel ja ettevalmistamisel suur osa sellest, mida DAVINCI meeskond teeb järgmise seitsme aasta jooksul, valmistudes 2029. aastaks kavandatud turuletoomiseks.

"Teeme halvimal juhul testimist," selgitas Sekerak. "Seega testime, milline võib olla halvim keskkond."

Näiteks teavad teadlased, et Veenuse pilvedes on väävelhappe tilgad – ja väävelhape sööb materjale läbi. See on eriti murettekitav Kevlari kaelapaela pärast, mis kinnitab laskumissfääri langevarju külge. Et testida, kas kaelapael talub happelist keskkonda, ei pea insenerid seda lihtsalt mõne tilga happes, vaid katavad kogu pinna happes, seejärel testige kaelapaela tõmbetugevust, veendumaks, et see suudab piisavalt kaua vastu pidada, et viia sond läbi atmosfääri isegi halvimal võimalikul juhul juhtum.

Mis puutub riistvara testimisesse Maast erinevas keskkonnas, siis peate olema loominguline. Et näha, kui kaua kulub metallkera soojenemiseks, viis meeskond selle metallivalutehasesse. "Nende ülesanne on metalli sulatada," ütles Sekerak. "Ja me panime sinna sisse oma mõõteriistad, et harjutada kuumenemist ja mõõta soojusvoogu."

Idee on ehitada igasse kriitilisse süsteemi piisavalt varu, et võimaldada mistahes tundmatuid, mida planeet võib sfääri paisata. Garvin selgitas: "Oleme sellesse panustanud… palju insenerimõtteid ja riskide vähendamist."

See mõjutab isegi andmete kogumise viisi. "Kui meil on Veenusel hea päev, saame tõenäoliselt tagasi 500 laskumispilti," ütles ta. "Kui meil on inimkonnale teadaolevalt absoluutselt halvim päev, saame tõenäoliselt 35 tagasi. Kuid 35 on palju rohkem, kui me seda tüüpi kaardistamiseks vajame. Muidugi tähendab rohkem pilte rohkem teavet ja see on eelistatav, kuna see võimaldab rohkem teadust. Kuid isegi kõige halvemate tingimuste korral saavad nad hindamatut teavet.

Alati midagi uut õppida

Veenuse külastamine on tohutu väljakutse isegi suurte kosmosemissioonide ambitsioonikate standardite järgi. Kuid potentsiaalne tasu selle osas, mida saame õppida, on tohutu.

Veenuse tundmaõppimine on juba iseenesest põnev. Kuid see on oluline ka meie eksoplaneetide mõistmiseks. Kuna sellised missioonid nagu James Webbi kosmoseteleskoop avastavad ja uurivad uusi planeete väljaspool meie päikesesüsteemi, vajame võrdluspunkti kiviste planeetide jaoks, nagu Maa, Marss ja Veenus.

Meil on üsna kindel arusaam Maa ja Marsi olulistest omadustest ning Veenuse andmete lisamisega saame kaugetest planeetidest palju paremini aru.

"Veenusest saab suurte, kiviste, atmosfääri kandvate planeetide kalibreerimispunkt mida me näeme ja mõistame Webbi ja suurte teleskoopidega, mis ulatuvad kaugemale,” Garvin ütles.

Ja loomulikult on kõige inimlikumad instinktid õppida ja uurida ning reisida uutesse kohtadesse. "See on üks põhjusi, miks mulle meeldib nendel kosmoseuuringute missioonidel töötada – me läheme kohta, millest me veel palju ei tea," ütles Sekerak.

Oleme Maa ja Marsi keskkondade jaoks ehitamise kohta palju õppinud ning nüüd saame osa neist teadmistest kasutada ja neid mujal rakendada. Selle keskkonna jaoks ehitamine venitab meie tehnoloogiat ja selle sondiga külastamine võib hakata mõningaid selle saladusi lahti harutama. Nagu Sekerak ütles, on uut kosmosekeskkonda külastades "alati midagi uut, mida saate õppida."

Toimetajate soovitused

• Hullu plaani sees kühveldada ja tuua koju natuke Veenuse atmosfääri
• Kuidas vaadata NASA eramissiooni saabumist kosmosejaama
• Kuidas NASA 1978. aasta astronautiklass muutis kosmoseuuringute palet
• Kuidas vaadata, kuidas NASA tutvustab oma järgmise põlvkonna skafandrit
• Veenus, Jupiter ja Ceres on NASA märtsikuu taevavaatlusnõuannetes