Kuinka NASAn uusi luotain selviää Venuksen helvetimaisemasta

Koska se sattuu olemaan naapurimme, voit kuvitella, että meillä on perusteellinen käsitys Venuksesta. Mutta olisit väärässä. NASA ei ole käynyt planeetalla yli 30 vuoteen, ja paikasta on niin paljon, että tuskin ymmärtää sen geologisesta historiasta siihen, millaisia ​​kiviä sen pinnalla on, että suuri osa siitä ympäristö on pohjimmiltaan mysteeri.

Tiedemiehet uskovat, että Venus oli kerran kuin Maa, mutta ne kaksi erosivat jossain vaiheessa evoluutiotaan tullakseen täysin erilaisiksi paikoiksi, joita he ovat nykyään. Tiedämme, että Venuksella on paksu ilmakehä, joka pitää lämpöä ja tekee siitä aurinkokunnan kuumimman planeetan. Ja tiedämme, että sen pinta on vuorten, repeämien ja tulivuorten peitossa, vaikka emme tiedä ovatko ne edelleen aktiivisia.

Yksi syy siihen, miksi Venuksesta on niin paljon tuntematonta, on se, että sen paksu ilmapiiri piilottaa suurimman osan maastosta näkyviltä, ​​ja on vaikeaa kurkistaa pilvikerrosten läpi nähdäkseen, mitä alla on. Toinen syy on, että se on kylmän epävieraanvarainen paikka. Sen paistolämpötilojen ja paksun, hapolla täytetyn ilmakehän välillä sen pinnalla ei ole säilynyt mitään ihmisen tekemää muutamaa minuuttia pidempään.

Mutta jos haluamme tietää enemmän tästä salaperäisestä naapuriplaneettasta, meidän on vierailtava sillä. Ja juuri niin NASAn DAVINCI-tehtävä aikoo tehdä pudottamalla luotain ilmakehän läpi mittaamaan lukemat kokonaan alas, kun se putoaa pintaan. Tehtävä, joka on yksi kolmikko lähetystyötä Venukseen seuraavan vuosikymmenen aikana, on määrä laukeaa vuonna 2029 ja saapua Venukseen pudottaakseen ilmakehän vuonna 2031.

Selvittääksemme, kuinka rakennat luotain kestämään tätä helvetistä ympäristöä ja mitä voimme oppia siitä, puhuimme kahdelle DAVINCI-tiimin jäsenet: Jim Garvin, operaation päätutkija, ja Mike Sekerak, järjestelmäprojekti insinööri.

Mitä Venuksen ilmapiirissä on?

Venus edustaa planeettatieteen rajaa, josta tiedetään hyvin vähän, kun otetaan huomioon, kuinka lähellä se on meille. Mitä ylemmän pilvikerroksen alla tapahtuu, on erityisen kiehtova kysymys.

”Ilmakehän luonnehdinta pilvien huipulta pintaan – tämä suuri, massiivinen ilmakehä, jonka massasta 75 % on alemmilla 15-20 kilometrillä – on lähes tutkimaton”, Garvin sanoi.

Venukseen 1960- ja 1970-luvuilla lähetetyt luotaimet yrittivät kerätä tietoja ilmakehästä, ja niillä oli jonkin verran menestystä. Mutta aikaisemmat ilmakehästä tehdyt mittaukset ovat olleet epäluotettavia, koska aikaisemmissa antureissa on fyysisiä ongelmia, kuten tukkeutuneita tuloaukkoja ja saatavilla olevaa tekniikkaa on rajoitettu. Tämä johti joihinkin sekoitettuihin lukemiin, joista Garvin sanoo: "Joissakin niistä ei ole järkeä."

Etenkin alempi ilmakehä on monella tapaa mysteeri. Se voi olla ylikriittinen neste, jonka lämpötila ja paine ovat niin suuret, että se slossee ympäriinsä kuin neste. On myös kysymys siitä, kuinka planeetan pinnalla olevat kivet ovat vuorovaikutuksessa ilmakehän kanssa.

Ja ilmakehän ja pinnan tutkiminen voisi auttaa vastaamaan yhteen suurimmista kysymyksistä, joita meillä on Venuksesta: Oliko sen pinnalla joskus nestemäisiä valtameriä, ja jos oli, mitä niille tapahtui?

Kaksi suurta haastetta

Venus ei ole toivottava paikka luotain: se on kaksi kertaa uunia kuumempi ja pinnalla on enemmän painetta kuin kilometrin valtameren alla.

"Täällä olevat tekniset haasteet ovat melko jännittäviä", Sekerak sanoi. Suurin ongelma mahdollisessa Venus-lennolla on lämpö, ​​koska pintalämpötilat voivat olla jopa 900 Fahrenheit-astetta (475 celsiusastetta). Se on tarpeeksi kuuma sulattamaan lyijyä, ja se aiheuttaa tuhoa elektroniikassa.

Se on kuitenkin vain yksi osa ympäristöhaastetta. "Paine ei kuitenkaan ole kaukana vaikeuksista", Sekerak sanoi. Pinnalla oleva paine on noin 95 baaria tai lähes 100 kertaa ilmanpaine Maan pinta, joten luotain rakentaminen tällaista ympäristöä varten on tavallaan kuin rakentaa a sukellusvene.

Kun se pudotetaan ilmakehään, DAVINCI kilpailee aikaa vastaan ​​kerätäkseen kaiken tarvitsemansa tiedon ennen kuin lämpö ja paine tuhoavat sen komponentit. Jotta anturi pysyisi aktiivisena mahdollisimman pitkään, se on pallomainen ja peitetty paksulla titaanikuorella kestämään painetta ja eristämään lämpöä. Tämän kuoren sisällä on sitten enemmän eristystä, joka on valmistettu erikoismateriaaleista, kuten astrokvartsista, sulatetusta kvartsista valmistettu kuitu.

Sisäpuoli on suunniteltu pitämään komponentit lämpöeristettynä myös ulkopuolelta, jotta lämpöä ei pääse siirtymään kuoresta. Sen jälkeen se täytetään hiilidioksidikaasulla suojaamaan suurjänniteelektroniikkaa kipinöiltä ja estämään maakaasujen vuotamista laukaisun aikana.

Kaiken kaikkiaan luotain, jota tiimi kutsuu laskeutumispalloksi, on noin metrin halkaisija. Se vapautetaan kiertoradalta laskuvarjolla hidastaakseen sen laskeutumista, vaikka ilmakehä auttaa tällä, koska se on niin paksu, että se on enemmän kuin pudottaisi koetin veden kuin ilman läpi.

Kaiken kaikkiaan kestää 63 minuuttia ennen kuin luotain saavuttaa pinnan, ja tunnin aikana se kerää niin paljon dataa kuin mahdollista, ennen kuin julma ympäristö tuhoaa sen väistämättä.

Näytteenotto aina alaspäin

Laskeutumissfääri putoaa ilmakehän läpi ja ottaa näytteitä koko matkan alas muodostaakseen kuvan ilmakehästä ylhäältä alas.

Pallon sisällä on instrumentteja, kuten spektrometrejä, samanlaisia ​​kuin Mars-kulkijoilla Curiosity ja Perseverance, jolla voidaan mitata näytteiden kemiallinen koostumus tarkastelemalla niiden valon aallonpituuksia omaksua. Mutta toisin kuin Mars-kulkijoilla, joilla näytteen kerääminen ja huolellinen analysointi voi kestää tunteja tai päiviä, DAVINCIn on suoritettava näytteenotto ja analysointi muutamassa minuutissa.

Pallon eri kohdissa on imuventtiilejä, joiden keraamiset kannet irtoavat ja imevät kaasuja. Nämä kaasut on analysoitava erittäin nopeasti ja sitten ilmattava, jotta voidaan ottaa enemmän näytteitä. Näin luotain saa vielä yksityiskohtaisimman kuvan ilmakehän kemiasta sen kaikissa kerroksissa.

Kun tämä tapahtuu, muut anturin anturit mittaavat tekijöitä, kuten lämpötilaa ja painetta, auttaakseen ymmärtämään ilmakehän rakennetta. Sitten kaikki nämä tiedot lähetetään takaisin kiertoradalle ennen kuin luotain osuu pintaan.

Luotain on suunniteltu vain ottamaan näytteitä ilmakehään, ei laskeutumaan. Mutta kun se koskettaa pintaa, on mahdollista, että se selviää. Paksu ilmakehä ja laskuvarjo auttavat hidastamaan sen laskeutumista, mutta "se iskee ehdottomasti nopeudella, joka on vähemmän kuin ihanteellinen avaruuslentolaitteistolle", Sekerak sanoi nauraen.

Jos luotain kuitenkin selviää laskeutumisesta, tiedon kerääminen voi kestää jopa 20 minuuttia, ennen kuin lämpö imeytyy pallon läpi ja paistaa elektroniikan. Ja se on vielä enemmän lisätietoa pinnan lämpötilasta ja paineesta sekä läsnä olevista kaasuista.

Ilmakehän kemian ymmärtäminen on vain yksi osa DAVINCIN tavoitteita. Toinen osa, joka saattaa kiinnostaa yleisöä, on kuvien ottaminen salaperäisestä Venuksen pinnasta.

Venus ihmisen mittakaavassa

Luotain laskeutuu "Venuksen vuorille, sellaiseen maastoon, jota ihmiskunta ei ole koskaan ennen nähnyt", Garvin sanoi. Ja tiimi haluaa tallentaa tämän kokemuksen sekä visuaalisesti että kemiallisesti.

Laskeutumispallossa on myös kamera, joka ottaa pinnasta korkeakontrastisia kuvia, jotka voidaan sitten rakentaa 3D-kartoiksi.

Tarvitset kuitenkin ikkunan, jotta kamera voisi toimia metallipallon sisältä. Ja lasi ei ole loistava materiaali käsitellä intensiivisesti korkeapaineisia ympäristöjä. Siksi DAVINCIN ikkuna ei tule olemaan lasia, vaan safiiria.

"Se on kirjaimellisesti erittäin, erittäin iso pala safiiria", Sekerak sanoi. "Koska sillä on erinomaiset optiset ominaisuudet." Se on erittäin vahva, mutta myös erittäin selkeä, joten se ei vääristä sen läpi otettuja kuvia. Mutta väistämättä valoa päästävä ikkuna päästää myös enemmän lämpöä sisään, joten insinöörit lisäsivät vaiheenmuutosmateriaaleja ikkunakokoonpanon ympärille. Tämä materiaali sulaa tietyssä lämpötilassa absorboidakseen ylimääräisen lämmön ikkunasta.

Näin kamera voi ottaa selkeitä ja teräviä kuvia laskeutumisen aikana. Niitä käytetään kuvaamaan Venuksen maastoa korkealta ja aina itse pintaan asti.

"Lopullisilla kuvillamme on 10 senttimetrin resoluutio", Garvin sanoi. "Tämä on mittakaava, jonka näkisit katsoessasi olohuoneesi poikki."

Garvin tarjoaa runsaasti tieteellistä tietoa, mutta toivoo, että kuvien ottaminen tässä mittakaavassa onnistuu auta yleisöä tuntemaan, että he näkevät Venuksen todellisena paikana, ei vain pisteenä, josta voi seurata kaukaa.

"Haluamme tuoda ihmisen näön ja aistihavaintomme Venukseen", hän sanoi. "Alamme aistia Venusta ihmisen mittakaavassa."

Testaa tuntematonta

Venuksen tehtävän todellinen hankala osa ei ole edes tiedossa olevien haasteiden, kuten lämpötilan ja paineen, käsitteleminen. Se yrittää ennakoida, mitä haasteita saattaa syntyä ympäristöstä, josta meillä on niin vähän tietoa.

Siksi testaus ja valmistelu ovat iso osa sitä, mitä DAVINCI-tiimi tekee seuraavat seitsemän vuotta valmistautuessaan vuodelle 2029 suunniteltuun julkaisuun.

"Teemme pahimman tapauksen testejä", Sekerak selitti. "Joten testaamme, mikä pahin ympäristö voisi olla."

Esimerkiksi tutkijat tietävät, että Venuksen pilvissä on rikkihappopisaroita – ja rikkihappo syö materiaalien läpi. Erityisen huolenaiheena on Kevlar-nauha, joka kiinnittää laskupallon laskuvarjoon. Joten testatakseen, kestääkö kaulanauha happamassa ympäristössä, insinöörit eivät vain suspendoi sitä muutamaan tippa happoa – ne pinnoittavat koko pinnan. hapossa, testaa sitten kaulanauhan vetovoimaa varmistaaksesi, että se kestää tarpeeksi kauan kuljettaakseen luotain ilmakehän läpi jopa pahimmassa mahdollisessa tapaus.

Mitä tulee siihen, miten testaat laitteistoa ympäristöissä, jotka ovat niin erilaisia ​​kuin Maan, sinun on oltava luova. Selvittääkseen, kuinka kauan metallipallon lämpeneminen kestää, tiimi vei sen metallivalimoon. "Heidän tehtävänsä on sulattaa metallia", Sekerak sanoi. "Ja laitoimme instrumenttimme sisälle harjoittelemaan sen kuumenemista, mittaamaan lämpövirtaa."

Ajatuksena on rakentaa riittävästi marginaalia jokaiseen kriittiseen järjestelmään, jotta kaikki tuntemattomat, joita planeetta saattaa heittää palloon, sallitaan. Garvin selitti: "Olemme rakentaneet… paljon suunnittelua ja riskien vähentämistä siihen, miten teemme tämän."

Tämä vaikuttaa jopa tapaan, jolla tietoja kerätään. "Jos meillä on hyvä päivä Venuksella, saamme luultavasti 500 laskeutumiskuvaa takaisin", hän sanoi. "Jos meillä on ihmiskunnan pahin päivä, saamme todennäköisesti 35 takaisin. Mutta 35 on paljon enemmän kuin tarvitsemme tällaisen kartoituksen tekemiseen." Tietenkin enemmän kuvia tarkoittaa enemmän tietoa, ja se on parempi, koska se mahdollistaa enemmän tiedettä. Mutta pahimmissakin olosuhteissa he saavat arvokasta tietoa.

Aina jotain uutta opittavaa

Vierailu Venuksella on valtava haaste jopa suurten avaruuslentojen kunnianhimoisten standardien mukaan. Mutta potentiaalinen hyöty sen suhteen, mitä voimme oppia, on valtava.

Venuksen oppiminen on kiehtovaa jo itsessään. Mutta se on tärkeää myös eksoplaneettojen ymmärtämiselle. Kun James Webbin avaruusteleskoopin kaltaiset tehtävät löytävät ja tutkivat uusia planeettoja aurinkokuntamme ulkopuolelta, tarvitsemme vertailupisteen kiviplaneetoille, kuten Maa, Mars ja Venus.

Meillä on melko vankka käsitys Maan ja Marsin olennaisista ominaisuuksista, ja lisäämällä tietoja Venuksesta voimme ymmärtää kaukaisia ​​planeettoja paljon paremmin.

"Venuksesta tulee kalibrointipiste sellaisille suurille, kivisille, ilmakehää kantaville planeetoille että pystymme näkemään ja ymmärtämään Webbin ja suurten kaukoputkien avulla, jotka tulevat pidemmälle, Garvin sanoi.

Ja tietysti siellä on inhimillisin vaisto, oppia ja tutkia ja matkustaa uusiin paikkoihin. "Tämä on yksi syistä, miksi rakastan työskentelyä näissä avaruustutkimustehtävissä - olemme menossa jonnekin, josta emme tiedä paljon", Sekerak sanoi.

Olemme oppineet paljon rakentamisesta Maan ja Marsin ympäristöjä varten, ja nyt voimme ottaa osaa tästä tiedosta ja soveltaa sitä muualle. Tuota ympäristöä varten rakentaminen venyttää teknologiaamme, ja luotaimen kanssa vieraileminen voi alkaa paljastaa joitakin sen mysteereistä. Kuten Sekerak sanoi, kun vierailet uudessa avaruusympäristössä, "aina on jotain uutta, mitä voit oppia."

Toimittajien suositukset

• Hullun suunnitelman sisällä koota ja tuoda kotiin hieman Venuksen tunnelmaa
• Kuinka seurata NASAn yksityisen tehtävän saapumista avaruusasemalle
• Kuinka NASAn astronauttiluokka vuonna 1978 muutti avaruustutkimuksen ilmettä
• Kuinka katsoa NASAn paljastavan seuraavan sukupolven avaruuspukunsa
• Venus, Jupiter ja Ceres ovat mukana NASAn maaliskuun taivaankatseluvinkeissä