Comment la nouvelle sonde de la NASA survivra au paysage infernal de Vénus

Comme il s’agit de notre voisin d’à côté, vous pourriez imaginer que nous avons une compréhension approfondie de la planète Vénus. Mais vous auriez tort. La NASA n’a pas visité la planète depuis plus de 30 ans, et il y a tellement de choses sur cet endroit que nous avons à peine comprendre, de son histoire géologique aux types de roches qui se trouvent à sa surface, qu'une grande partie de sa l'environnement est essentiellement un mystère.

Les scientifiques pensent que Vénus était autrefois comme la Terre, mais les deux ont divergé à un moment donné de leur évolution pour devenir les endroits très différents qu'ils sont aujourd'hui. Nous savons que Vénus possède une atmosphère épaisse qui retient la chaleur et en fait la planète la plus chaude du système solaire. Et nous savons que sa surface est couverte de montagnes, de failles et de volcans, même si nous ne savons pas s’ils sont toujours actifs.

L’une des raisons pour lesquelles tant de choses restent inconnues sur Vénus est que son épaisse atmosphère cache la majeure partie de son terrain et qu’il est difficile de regarder à travers les couches de nuages ​​pour voir ce qui se cache en dessous. Une autre raison est que c’est un endroit terriblement inhospitalier. Entre ses températures de cuisson et son atmosphère épaisse et acide, rien de ce qui a été fabriqué par l'homme n'a survécu à sa surface pendant plus de quelques minutes.

Mais si nous voulons en savoir plus sur cette mystérieuse planète voisine, nous devons la visiter. Et c’est exactement ce que prévoit de faire la mission DAVINCI de la NASA, en larguant une sonde dans l’atmosphère pour effectuer des relevés tout au long de sa chute à la surface. La mission, qui sera l'une des un trio de missions vers Vénus au cours de la prochaine décennie, devrait être lancé en 2029 et arriver sur Vénus pour sa chute dans l'atmosphère en 2031.

Pour savoir comment construire une sonde capable de résister à cet environnement infernal et ce que nous pourrions en apprendre, nous avons discuté avec deux membres de l'équipe DAVINCI: Jim Garvin, chercheur principal de la mission, et Mike Sekerak, projet systèmes ingénieur.

Que se passe-t-il avec l’atmosphère de Vénus ?

Vénus représente une frontière dans la science planétaire sur laquelle on sait très peu de choses, compte tenu de sa proximité relative avec nous. Ce qui se passe sous la couche nuageuse supérieure est une question particulièrement intrigante.

« La caractérisation de l’atmosphère, du sommet des nuages ​​jusqu’à la surface – ce grand et massif l’atmosphère, dont 75 % de la masse se trouve dans les 15 à 20 kilomètres inférieurs – est presque inexplorée », Garvin dit.

Les sondes envoyées sur Vénus dans les années 1960 et 1970 ont tenté de recueillir des données sur l'atmosphère et ont obtenu un certain succès. Mais les mesures précédentes prises dans l'atmosphère n'étaient pas fiables, en raison de problèmes physiques avec les sondes précédentes, comme des entrées obstruées et de la technologie limitée disponible. Cela a conduit à des lectures brouillées, dont Garvin dit: « Certaines d’entre elles n’ont aucun sens. »

La basse atmosphère en particulier est, à bien des égards, un mystère. Il pourrait s’agir d’un fluide supercritique, dans lequel la température et la pression sont si élevées qu’il se déplace comme un liquide. Se pose également la question de la manière dont les roches à la surface de la planète interagissent avec l’atmosphère.

Et étudier l’atmosphère et la surface pourrait aider à répondre à l’une des plus grandes questions que nous nous posons à propos de Vénus: avait-elle autrefois des océans d’eau liquide à sa surface, et si oui, que sont-ils arrivés ?

Deux grands défis

Vénus n’est pas un endroit accueillant pour une sonde: il y fait deux fois plus chaud qu’un four et il y a plus de pression à la surface que sous un kilomètre d’océan.

"Les défis techniques auxquels nous sommes confrontés ici sont plutôt excitants", a déclaré Sekerak. Le plus gros problème pour toute mission potentielle vers Vénus est la chaleur, car les températures de surface peuvent atteindre 900 degrés Fahrenheit (475 degrés Celsius). C’est assez chaud pour faire fondre le plomb et cela fait des ravages dans l’électronique.

Mais ce n’est qu’une partie du défi environnemental. "La pression n'est cependant pas loin en termes de difficultés", a déclaré Sekerak. La pression en surface est d'environ 95 bars, soit près de 100 fois la pression atmosphérique sur la surface de la Terre, donc concevoir une sonde pour ce type d'environnement revient un peu à construire un sous-marin.

Lorsqu'il sera lâché dans l'atmosphère, DAVINCI se lancera dans une course contre la montre pour rassembler toutes les informations dont il a besoin avant que la chaleur et la pression ne détruisent ses composants. Pour maintenir la sonde active le plus longtemps possible, elle est sphérique et recouverte d'une épaisse coque en titane pour résister à la pression et isoler de la chaleur. Ensuite, il y a plus d’isolation à l’intérieur de cette coque, faite de matériaux spéciaux, dont l’astroquartz, un type de fibre fabriquée à partir de quartz fondu.

L'intérieur est également conçu pour maintenir les composants isolés thermiquement de l'extérieur, afin d'empêcher la chaleur d'être transférée de la coque. Il est ensuite rempli de dioxyde de carbone pour protéger l’électronique haute tension des étincelles et pour empêcher les gaz terrestres de s’infiltrer pendant le lancement.

Dans l’ensemble, la sonde, que l’équipe appelle la sphère de descente, mesure environ un mètre de diamètre. Il sera largué d'un orbiteur avec un parachute pour ralentir sa descente, même si l'atmosphère aide avec cela parce qu’il est si épais que cela ressemble plus à laisser tomber la sonde dans l’eau que dans l’air.

Au total, il faudra 63 minutes à la sonde pour atteindre la surface, et pendant cette heure, elle rassemblera autant de données que possible avant d'être inévitablement détruite par l'environnement brutal.

Échantillonnage jusqu'en bas

La sphère de descente traversera l'atmosphère et échantillonnera tout le long, pour construire une image de l'atmosphère de haut en bas.

À l’intérieur de la sphère se trouveront des instruments tels que des spectromètres, similaires aux instruments des rovers martiens Curiosity et Persévérance, qui peut mesurer la composition chimique des échantillons en examinant les longueurs d'onde de la lumière qu'ils absorber. Mais contrairement aux rovers martiens, qui peuvent prendre des heures ou des jours pour collecter et analyser soigneusement un échantillon, DAVINCI devra effectuer son échantillonnage et son analyse en quelques minutes.

Il y a des vannes d'admission à différents points de la sphère, avec des couvercles en céramique qui se brisent pour ingérer les gaz. Ces gaz doivent être analysés extrêmement rapidement, puis évacués afin de pouvoir prélever davantage d'échantillons. Cela permettra à la sonde d’obtenir l’examen le plus détaillé à ce jour de la chimie de l’atmosphère dans toutes ses couches.

Pendant ce temps, d’autres capteurs de la sonde mesureront des facteurs tels que la température et la pression, pour aider à comprendre la structure de l’atmosphère. Toutes ces données seront ensuite renvoyées à l’orbiteur avant que la sonde n’atteigne la surface.

La sonde est uniquement conçue pour échantillonner l’atmosphère et non pour atterrir. Mais lorsqu’il atterrit à la surface, il est possible qu’il survive. L'atmosphère épaisse et le parachute aideront à ralentir sa descente, mais "il frappera certainement à une vitesse qui est, euh, loin d'être idéale pour le matériel de vol spatial", a déclaré Sekerak en riant.

Si la sonde survit à l’atterrissage, la collecte de données pourrait prendre jusqu’à 20 minutes avant que la chaleur ne pénètre dans la sphère et ne fasse frire l’électronique. Et ce seront encore plus de données bonus sur la température et la pression de surface, ainsi que sur les gaz présents.

Comprendre la chimie de l’atmosphère n’est qu’une partie des objectifs de DAVINCI. L’autre partie, qui pourrait être la plus excitante pour le public, consiste à prendre des photos de la mystérieuse surface vénusienne.

Vénus à échelle humaine

La sonde descendra « dans les montagnes de Vénus, dans une sorte de terrain qui n’a jamais été vu par l’humanité auparavant », a déclaré Garvin. Et l’équipe souhaite enregistrer cette expérience visuellement et chimiquement.

La sphère de descente sera également équipée d'une caméra qui prendra des images très contrastées de la surface, qui pourront ensuite être transformées en cartes 3D.

Cependant, pour qu’une caméra fonctionne depuis l’intérieur d’une sphère métallique, vous avez besoin d’une fenêtre. Et le verre n’est pas un matériau idéal pour faire face à des environnements à haute pression intense. C’est pourquoi la fenêtre de DAVINCI ne sera pas en verre mais en saphir.

"C'est littéralement un très, très gros morceau de saphir", a déclaré Sekerak. "Parce qu'il possède d'excellentes propriétés optiques." Il est très puissant mais aussi très clair, il ne déformera donc pas les images prises à travers lui. Mais inévitablement, une fenêtre qui laisse entrer la lumière laissera également entrer plus de chaleur, c'est pourquoi les ingénieurs ont ajouté des matériaux à changement de phase autour de la fenêtre. Ce matériau fond à une température spécifique pour absorber l’excès de chaleur de la fenêtre.

Cela permettra à la caméra de prendre des images claires et nettes lors de sa descente. Ceux-ci seront utilisés pour photographier le terrain de Vénus, de haut en bas jusqu'à la surface elle-même.

"Nos images finales auront une résolution de 10 centimètres", a déclaré Garvin. "C'est l'échelle que vous verriez dans votre salon."

En plus d'offrir une richesse de données scientifiques, Garvin espère que la capture d'images à cette échelle permettra aider le public à avoir l'impression qu'il peut voir Vénus comme un lieu réel, et non comme un simple point à observer depuis au loin.

"Nous voulons amener la vision humaine et notre perception sensorielle sur Vénus", a-t-il déclaré. "Nous commencerons à percevoir Vénus à l'échelle humaine."

Tester l'inconnu

La vraie partie délicate d’une mission vers Vénus n’est même pas de gérer les défis que nous connaissons, comme la température et la pression. Il s’agit d’anticiper les défis qui pourraient survenir dans un environnement sur lequel nous disposons de si peu d’informations.

C'est pourquoi les tests et la préparation constitueront une grande partie de ce que fera l'équipe DAVINCI au cours des sept prochaines années, en préparation d'un lancement prévu pour 2029.

"Nous effectuons des tests dans le pire des cas", a expliqué Sekerak. "Nous testons donc quel pourrait être le pire environnement."

Par exemple, les chercheurs savent que les nuages ​​​​de Vénus contiennent des gouttes d’acide sulfurique – et que l’acide sulfurique ronge les matériaux. C’est particulièrement préoccupant pour la longe en Kevlar qui permettra d’attacher la sphère de descente au parachute. Ainsi, pour tester si le cordon peut résister à un environnement acide, les ingénieurs ne se contentent pas de le suspendre dans quelques gouttes d'acide: ils enduisent toute la surface. dans l'acide, puis testez la force de traction du cordon pour vous assurer qu'il peut survivre suffisamment longtemps pour faire passer la sonde dans l'atmosphère, même dans les pires conditions possibles. cas.

Quant à la façon dont vous testez le matériel dans des environnements si différents de la Terre, vous devez faire preuve de créativité. Pour voir combien de temps il faudrait à la sphère métallique pour chauffer, l’équipe l’a emmenée dans une fonderie de métaux. « Leur travail consiste à faire fondre le métal », a expliqué Sekerak. "Et nous avons placé nos instruments à l'intérieur pour nous entraîner à le chauffer, pour mesurer ce flux de chaleur."

L’idée est de créer suffisamment de marge dans chaque système critique pour tenir compte de toutes les inconnues que la planète pourrait jeter sur la sphère. Garvin a expliqué: « Nous avons intégré… beaucoup de réflexion technique et de réduction des risques dans la manière dont nous procédons. »

Cela affecte même la manière dont les données seront collectées. "Si nous passons une bonne journée sur Vénus, nous obtiendrons probablement 500 images de descente", a-t-il déclaré. « Si nous vivons le pire jour connu par l’humanité, nous en récupérerons probablement 35. Mais 35, c’est bien plus que ce dont nous avons besoin pour réaliser ce type de cartographie. Bien sûr, plus d’images signifie plus d’informations, et c’est préférable car cela permet plus de science. Mais même dans les pires conditions, ils trouveront des informations inestimables.

Toujours quelque chose de nouveau à apprendre

Visiter Vénus représente un défi énorme, même selon les normes ambitieuses des grandes missions spatiales. Mais les bénéfices potentiels en termes de ce que nous pouvons apprendre sont énormes.

En savoir plus sur Vénus sera fascinant en soi. Mais c’est également important pour notre compréhension des exoplanètes. Alors que des missions comme le télescope spatial James Webb découvrent et étudient de nouvelles planètes en dehors de notre système solaire, nous aurons besoin d’un point de référence pour les planètes rocheuses comme la Terre, Mars et Vénus.

Nous avons une compréhension assez solide des caractéristiques essentielles de la Terre et de Mars, et en ajoutant les données de Vénus, nous serons en mesure de bien mieux comprendre les planètes lointaines.

« Vénus va devenir un point d’étalonnage pour les types de grandes planètes rocheuses et porteuses d’atmosphère. que nous pourrons voir et comprendre avec Webb et les grands télescopes qui viennent au-delà », Garvin dit.

Et bien sûr, il y a cet instinct le plus humain, celui d’apprendre, d’explorer et de voyager vers de nouveaux endroits. "C'est l'une des raisons pour lesquelles j'aime travailler sur ces missions d'exploration spatiale: nous allons dans un endroit que nous ne connaissons pas grand-chose", a déclaré Sekerak.

Nous avons beaucoup appris sur la construction pour les environnements de la Terre et de Mars, et nous pouvons désormais utiliser certaines de ces connaissances et les appliquer à un endroit différent. Construire pour cet environnement va étendre notre technologie, et le visiter avec une sonde peut commencer à percer certains de ses mystères. Comme l’a dit Sekerak, lorsque vous visitez un nouvel environnement spatial, « il y a toujours quelque chose de nouveau à apprendre ».

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