Kako će NASA-ina nova sonda preživjeti pakao Venere

Budući da je slučajno naš prvi susjed, mogli biste zamisliti da potpuno razumijemo planet Veneru. Ali bili biste u krivu. NASA nije posjetila planet više od 30 godina, a o mjestu ima toliko toga da jedva razumjeti, od njegove geološke povijesti do toga kakve su stijene na njegovoj površini, toliki dio okolina je u biti misterij.

Znanstvenici misle da je Venera bila nekoć kao Zemlja, ali ta su se dva razišla u nekom trenutku svoje evolucije i postala potpuno različita mjesta kakva su danas. Znamo da Venera ima gustu atmosferu koja zadržava toplinu i čini je najtoplijim planetom u Sunčevom sustavu. A znamo da je njegova površina prekrivena planinama, pukotinama i vulkanima, iako ne znamo jesu li oni još aktivni.

Jedan od razloga zašto je toliko toga nepoznato o Veneri je taj što njezina gusta atmosfera skriva većinu terena od pogleda i teško je proviriti kroz slojeve oblaka da biste vidjeli što je ispod. Drugi razlog je taj što je to jezivo negostoljubivo mjesto. Između temperature pečenja i guste, kiselinom ispunjene atmosfere, ništa što je napravio čovjek nije preživjelo na njegovoj površini dulje od nekoliko minuta.

Ali ako želimo saznati više o ovom tajanstvenom planetu u susjedstvu, moramo ga posjetiti. A to je upravo ono što NASA-ina misija DAVINCI planira učiniti, ispuštanjem sonde kroz atmosferu kako bi se očitala sve dok pada na površinu. Misija, koja će biti jedna od trio misija do Venere u sljedećem desetljeću, planirano je da će biti lansiran 2029. godine i da će stići na Veneru radi svog strmoglavog pada kroz atmosferu 2031. godine.

Kako bismo saznali kako izgraditi sondu koja će izdržati ovo pakleno okruženje i što bismo mogli naučiti iz toga, razgovarali smo s dvojicom članovi DAVINCI tima: Jim Garvin, glavni istraživač misije, i Mike Sekerak, sistemski projekt inženjer.

Što je s Venerinom atmosferom?

Venera predstavlja granicu u planetarnoj znanosti o kojoj se vrlo malo zna, s obzirom na to koliko nam je relativno blizu. Što se događa ispod gornjeg sloja oblaka posebno je intrigantno pitanje.

“Karakterizacija atmosfere, od vrha oblaka do površine – ovako velika, masivna atmosfera, od koje je 75% mase u nižim 15 do 20 kilometara – gotovo je neistražena,” Garvin rekao je.

Sonde poslane na Veneru 1960-ih i 1970-ih pokušale su prikupiti podatke o atmosferi i imale su određeni uspjeh. Ali prethodna mjerenja atmosfere bila su nepouzdana zbog fizičkih problema s prethodnim sondama poput začepljenih ulaza i ograničene dostupne tehnologije. To je dovelo do nekih pogrešnih očitanja, za koje Garvin kaže: "Neka od njih nemaju smisla."

Posebno je niži sloj atmosfere na mnogo načina misterij. To bi mogla biti superkritična tekućina, u kojoj su temperatura i tlak toliko veliki da pljuska poput tekućine. Tu je i pitanje kako stijene na površini planeta stupaju u interakciju s atmosferom.

A proučavanje atmosfere i površine moglo bi pomoći u odgovoru na jedno od najvećih pitanja koja imamo o Veneri: je li nekada na površini imala oceane s tekućom vodom i ako jest, što se s njima dogodilo?

Dva velika izazova

Venera nije ugodno mjesto za sondu: dvostruko je toplije od pećnice i veći je pritisak na površinu nego biti ispod kilometra oceana.

"Tehnički izazovi koje ovdje imamo prilično su uzbudljivi", rekao je Sekerak. Najveći problem za bilo koju potencijalnu misiju na Veneru je vrućina, jer površinske temperature mogu biti visoke i do 900 stupnjeva Fahrenheita (475 stupnjeva Celzija). To je dovoljno vruće da rastopi olovo i stvara kaos u elektronici.

To je ipak samo jedan dio ekološkog izazova. "Pritisak, međutim, ne zaostaje u smislu poteškoća", rekao je Šekerak. Tlak na površini je oko 95 bara, ili gotovo 100 puta veći od atmosferskog tlaka na Zemljine površine, tako da je projektiranje sonde za ovakvu vrstu okoliša poput izgradnje a podmornica.

Kada bude ispušten u atmosferu, DAVINCI će biti u utrci s vremenom da prikupi sve informacije koje su mu potrebne prije nego što toplina i pritisak unište njegove komponente. Kako bi sonda ostala aktivna što je dulje moguće, ona je sferičnog oblika i prekrivena debelim titanskim omotačem kako bi izdržala pritisak i izolirala od topline. Zatim tu je još izolacije unutar ove školjke, izrađene od posebnih materijala uključujući astrokvarc, vrstu vlakana napravljenih od topljenog kvarca.

Unutrašnjost je dizajnirana tako da komponente budu toplinski izolirane i od vanjštine, kako bi se spriječio prijenos topline iz školjke. Zatim se puni ugljičnim dioksidom kako bi se visokonaponska elektronika zaštitila od iskrenja i kako bi se spriječilo istjecanje Zemljinih plinova tijekom lansiranja.

Sveukupno, sonda, koju tim naziva descent sphere, promjera je oko jedan metar. Bit će pušten iz orbitera s padobranom kako bi usporio spuštanje, iako atmosfera pomaže s ovim jer je toliko gust da više liči na ispuštanje sonde kroz vodu nego kroz zrak.

Sveukupno, sondi će trebati 63 minute da stigne do površine, au tih sat vremena prikupit će što više podataka prije nego što je neizbježno uništi brutalno okruženje.

Uzorkovanje skroz dolje

Spuštajuća sfera padat će kroz atmosferu i uzimati uzorke cijelim putem dolje, kako bi stvorila sliku atmosfere od vrha do dna.

Unutar sfere nalazit će se instrumenti poput spektrometra, slični instrumentima na marsohodima Curiosity i Perseverance, koji može mjeriti kemijski sastav uzoraka gledajući valne duljine svjetlosti koju upiti. Ali za razliku od marsovskih rovera, kojima mogu trebati sati ili dani da prikupe i pažljivo analiziraju uzorak, DAVINCI će uzorkovanje i analizu morati obaviti za nekoliko minuta.

Postoje ulazni ventili na raznim točkama preko sfere, s keramičkim poklopcima koji se lome kako bi ušli u plinove. Ti se plinovi moraju analizirati izuzetno brzo, zatim ispustiti kako bi se moglo uzeti više uzoraka. To će sondi omogućiti najdetaljniji uvid u kemiju atmosfere u svim njezinim slojevima.

Dok se to događa, drugi senzori u sondi će mjeriti faktore poput temperature i tlaka, kako bi pomogli u razumijevanju strukture atmosfere. Zatim će svi ti podaci biti poslani natrag u orbiter prije nego što sonda udari u površinu.

Sonda je dizajnirana samo za uzorkovanje atmosfere, a ne za slijetanje. Ali kada dotakne površinu, postoji mogućnost da će preživjeti. Gusta atmosfera i padobran pomoći će usporiti njegovo spuštanje, ali "definitivno će udariti brzinom koja je, uhh, manje od idealne za opremu za svemirske letove", rekao je Sekerak kroz smijeh.

No ako sonda preživi slijetanje, prikupljanje podataka moglo bi potrajati i do 20 minuta prije nego što toplina prodre kroz sferu i sprži elektroniku. A to će biti još više bonus podataka o površinskoj temperaturi i tlaku, kao i prisutnim plinovima.

Razumijevanje kemije atmosfere samo je jedan dio DAVINCI-jevih ciljeva. Drugi dio, koji bi mogao biti najuzbudljiviji za javnost, jest fotografiranje misteriozne površine Venere.

Venera u mjerilu čovjeka

Sonda će se spustiti "u planine Venere, na vrstu terena koji čovječanstvo nikada prije nije vidjelo", rekao je Garvin. A tim želi zabilježiti ovo iskustvo vizualno kao i kemijski.

Sfera za spuštanje također će imati kameru koja će snimati slike površine visokog kontrasta, koje se zatim mogu ugraditi u 3D karte.

Da bi kamera radila unutar metalne kugle, potreban vam je prozor. A staklo nije dobar materijal za rad u okruženjima s intenzivnim visokim tlakom. Zato DAVINCI prozor neće biti izrađen od stakla već od safira.

"To je doslovno vrlo, vrlo velik komad safira", rekao je Sekerak. "Zato što ima izvrsna optička svojstva." Vrlo je jak, ali i vrlo jasan, tako da neće iskriviti slike snimljene njime. Ali neizbježno je da će prozor koji propušta svjetlost također propuštati više topline, pa su inženjeri dodali materijale za promjenu faze oko sklopa prozora. Ovaj se materijal topi na određenoj temperaturi kako bi apsorbirao višak topline s prozora.

To će omogućiti kameri snimanje jasnih, oštrih slika tijekom spuštanja. Oni će se koristiti za fotografiranje terena Venere, s visine pa sve do same površine.

"Naše konačne slike imat će rezoluciju od 10 centimetara", rekao je Garvin. "To je mjerilo koje biste vidjeli gledajući preko svoje dnevne sobe."

Osim što nudi mnoštvo znanstvenih podataka, Garvin se nada da će snimanje slika u ovoj mjeri pomoći javnosti da se osjeća kao da može vidjeti Veneru kao stvarno mjesto, a ne samo točkicu s koje se promatra izdaleka.

"Želimo dovesti ljudski vid i našu osjetilnu percepciju na Veneru", rekao je. "Počet ćemo osjećati Veneru u mjerilu čovjeka."

Testiranje za nepoznato

Stvarno nezgodan dio misije na Veneru nije čak ni suočavanje s izazovima za koje znamo, poput temperature i tlaka. Pokušava predvidjeti koji bi izazovi mogli proizaći iz okruženja o kojem imamo tako malo informacija.

Zato će testiranje i priprema biti veliki dio onoga što DAVINCI tim radi sljedećih sedam godina, u pripremi za lansiranje zakazano za 2029.

"Provodimo testiranje u najgorem slučaju", objasnio je Sekerak. "Tako da testiramo koje bi najgore okruženje moglo biti."

Na primjer, istraživači znaju da Venerini oblaci sadrže kapljice sumporne kiseline – a sumporna kiselina proždire materijale. Osobita je briga za kevlarsku uzicu koja će pričvrstiti sferu za spuštanje na padobran. Kako bi testirali može li uže izdržati kiselo okruženje, inženjeri ga ne stavljaju samo u nekoliko kapi kiseline – oni premazuju cijelu površinu u kiselini, zatim testirajte snagu povlačenja užeta kako biste bili sigurni da može preživjeti dovoljno dugo da provede sondu kroz atmosferu čak i u najgorem mogućem slučaju slučaj.

Što se tiče načina na koji testirate hardver u okruženjima koja su tako različita od Zemlje, morate biti kreativni. Kako bi vidjeli koliko će vremena trebati da se metalna kugla zagrije, tim ju je odnio u ljevaonicu metala. "Njihov posao je da tope metal", rekao je Sekerak. "I tamo smo stavili naše instrumente da vježbamo zagrijavanje, da izmjerimo taj protok topline."

Ideja je ugraditi dovoljno rezerve u svaki kritični sustav kako bi se omogućile sve nepoznanice koje bi planet mogao baciti na sferu. Garvin je objasnio: "Ugradili smo... puno inženjerske misli i smanjenja rizika u način na koji to radimo."

To čak utječe i na način na koji će se podaci prikupljati. "Ako imamo dobar dan na Veneri, vjerojatno ćemo dobiti 500 slika spuštanja", rekao je. “Ako imamo apsolutno najgori dan poznat čovječanstvu, vjerojatno ćemo dobiti 35 natrag. Ali 35 je puno više nego što nam je potrebno za ovakvu vrstu mapiranja.” Naravno, više slika znači više informacija, a to je poželjno jer omogućuje više znanosti. Ali čak i u najgorim uvjetima, saznat će neprocjenjive informacije.

Uvijek nešto novo za naučiti

Posjet Veneri golem je izazov, čak i prema ambicioznim standardima velikih svemirskih misija. Ali potencijalna dobit u smislu onoga što možemo naučiti je ogromna.

Učenje o Veneri bit će fascinantno samo po sebi. Ali također je važno za naše razumijevanje egzoplaneta. Dok misije poput svemirskog teleskopa James Webb otkrivaju i istražuju nove planete izvan našeg sunčevog sustava, trebat će nam referentna točka za stjenovite planete poput Zemlje, Marsa i Venere.

Imamo prilično dobro razumijevanje bitnih karakteristika Zemlje i Marsa, a dodavanjem podataka s Venere, moći ćemo daleko bolje razumjeti udaljene planete.

“Venera će postati kalibracijska točka za vrste velikih, stjenovitih planeta s atmosferom koje ćemo moći vidjeti i razumjeti s Webbom i velikim teleskopima koji dolaze dalje,” Garvin rekao je.

I naravno, tu je onaj najljudskiji instinkt, za učenjem i istraživanjem te za putovanjem na nova mjesta. "Ovo je jedan od razloga zašto volim raditi na ovim misijama istraživanja svemira - idemo negdje o kojem ne znamo puno", rekao je Sekerak.

Naučili smo mnogo o gradnji za okoliš Zemlje i Marsa, a sada možemo uzeti dio tog znanja i primijeniti ga na nekom drugom mjestu. Izgradnja za to okruženje proširit će našu tehnologiju, a posjet sondom može početi otkrivati ​​neke od njegovih misterija. Kao što je rekao Sekerak, kada posjećujete novo svemirsko okruženje, "uvijek postoji nešto novo što možete naučiti."

Preporuke urednika

• Unutar ludog plana pokupiti i donijeti kući malo atmosfere Venere
• Kako gledati kako NASA-ina privatna misija stiže na svemirsku postaju
• Kako je NASA-ina klasa astronauta 1978. promijenila lice istraživanja svemira
• Kako gledati kako NASA predstavlja svoje svemirsko odijelo sljedeće generacije
• Venera, Jupiter i Ceres uključeni su u NASA-ine savjete za promatranje neba za ožujak