Hogyan fogja túlélni a NASA új szondája a Vénusz poklot

Mivel ez a szomszédunk, elképzelhető, hogy alaposan ismerjük a Vénusz bolygót. De tévedsz. A NASA több mint 30 éve nem járt a bolygón, és annyi minden szól a helyről, hogy alig megérteni, a geológiai történetétől kezdve, hogy milyen kőzetek vannak a felszínén, hogy sok környezet az lényegében rejtély.

A tudósok szerint a Vénusz volt egykor olyan, mint a Föld, de a kettő evolúciójuk egy bizonyos pontján elvált egymástól, és egészen más helyekké váltak, mint ma. Tudjuk, hogy a Vénusznak vastag légköre van, amely melegen tartja, és a Naprendszer legforróbb bolygójává teszi. És tudjuk, hogy felszínét hegyek, hasadékok és vulkánok borítják, bár nem tudjuk, hogy ezek még mindig aktívak-e.

Az egyik ok, amiért oly sok ismeretlen marad a Vénuszról, az az, hogy vastag légköre elrejti a terep nagy részét a szem elől, és nehéz a felhőrétegeken keresztül átnézni, hogy lássa, mi van alatta. A másik ok az, hogy ez egy borzongatóan barátságtalan hely. Sütési hőmérséklete és sűrű, savval teli légköre között néhány percnél tovább semmi ember alkotta nem maradt fenn a felületén.

De ha többet akarunk megtudni erről a titokzatos szomszédos bolygóról, meg kell látogatnunk. És éppen ezt tervezi a NASA DAVINCI küldetése, hogy egy szondát eresszen át az atmoszférán, hogy leolvassa a leolvasást, amikor a felszínre esik. A küldetés, amely az egyik küldetéshármas a következő évtizedben a Vénuszra, a tervek szerint 2029-ben indul, és 2031-ben érkezik meg a Vénuszra, hogy a légkörben zuhanjon.

Hogy megtudjuk, hogyan lehet szondát készíteni, hogy ellenálljon ennek a pokoli környezetnek, és mit tanulhatunk belőle, két emberrel beszélgettünk. a DAVINCI csapat tagjai: Jim Garvin, a küldetés vezető kutatója és Mike Sekerak, a rendszerprojekt mérnök.

Mi a helyzet a Vénusz légkörével?

A Vénusz a bolygótudomány határterületét képviseli, amelyről nagyon keveset tudunk, tekintve, hogy milyen közel van hozzánk. Különösen érdekes kérdés, hogy mi történik a felső felhőréteg alatt.

„A légkör jellemzése, a felhők tetejétől a felszínig – ez a nagy, masszív Az atmoszféra, amelynek tömegének 75%-a az alsó 15-20 kilométerben található – szinte feltáratlan” – mondta Garvin. mondott.

Az 1960-as és 1970-es években a Vénuszra küldött szondák megpróbáltak adatokat gyűjteni a légkörről, és sikerrel jártak. A légkörről végzett korábbi mérések azonban megbízhatatlanok voltak a korábbi szondákkal kapcsolatos fizikai problémák, például az eltömődött beömlőnyílások és a korlátozott technológia miatt. Emiatt összezavart olvasmányok keletkeztek, amelyekről Garvin azt mondja: „Néhánynak nincs értelme.”

Különösen az alsó légkör sok szempontból rejtély. Ez lehet egy szuperkritikus folyadék, amelyben a hőmérséklet és a nyomás olyan nagy, hogy úgy csapódik le, mint egy folyadék. Felmerül az a kérdés is, hogy a bolygó felszínén lévő kőzetek hogyan lépnek kölcsönhatásba a légkörrel.

A légkör és a felszín tanulmányozása pedig segíthet megválaszolni a Vénusszal kapcsolatos egyik legnagyobb kérdésünket: Voltak-e valaha folyékony vizű óceánok a felszínén, és ha igen, mi történt velük?

Két nagy kihívás

A Vénusz nem barátságos hely a szondák számára: kétszer olyan meleg, mint egy sütő, és nagyobb nyomás nehezedik a felszínre, mint egy kilométernyi óceán alatt.

„Az itteni technikai kihívások elég izgalmasak” – mondta Sekerak. A Vénuszra irányuló potenciális küldetés legnagyobb problémája a hőség, mivel a felszíni hőmérséklet akár 900 Fahrenheit-fok (475 Celsius-fok) is lehet. Ez elég meleg ahhoz, hogy megolvasztja az ólmot, és pusztítást végez az elektronikában.

Ez azonban csak egy része a környezeti kihívásoknak. „A nyomás azonban nem marad el a nehézségek terén” – mondta Sekerak. A felszíni nyomás körülbelül 95 bar, vagyis közel 100-szorosa a légköri nyomásnak. A Föld felszíne, tehát egy szonda tervezése ilyen környezethez olyan, mint egy a tengeralattjáró.

Amikor a légkörbe kerül, a DAVINCI versenyt fut az idővel, hogy összegyűjtse az összes szükséges információt, mielőtt a hő és a nyomás tönkretenné az összetevőit. Annak érdekében, hogy a szonda a lehető leghosszabb ideig aktív maradjon, gömb alakú, és vastag titán héj borítja, hogy ellenálljon a nyomásnak és szigetelje a hőt. Aztán még több szigetelés található ezen a héjon belül, amely speciális anyagokból, köztük az asztrokvarcból, egy olvasztott kvarcból készült szálfajtából készül.

A belső teret úgy tervezték, hogy az alkatrészeket hőszigetelve is tartsa a külsőtől, hogy megakadályozza a hő átadását a héjból. Ezután szén-dioxid gázzal töltik fel, hogy megvédjék a nagyfeszültségű elektronikát a szikrázástól, és megakadályozzák a földgázok beszivárgását az indítás során.

Összességében a szonda, amelyet a csapat ereszkedő gömbnek nevez, körülbelül egy méter átmérőjű. Egy ejtőernyős keringőről engedik le, hogy lassítsa a süllyedést, bár a légkör segít ezzel, mert olyan vastag, hogy inkább vízen, mint levegőn keresztül ejtjük le a szondát.

Összesen 63 percet vesz igénybe, amíg a szonda eléri a felszínt, és ez alatt az egy óra alatt annyi adatot gyűjt össze, amennyit csak tud, mielőtt elkerülhetetlenül megsemmisítené a brutális környezet.

Mintavétel egészen lefelé

Az ereszkedő gömb átesik az atmoszférán, és végig mintavételezi, hogy felülről lefelé egy képet alkothasson a légkörről.

A gömb belsejében olyan műszerek lesznek, mint a spektrométerek, hasonlóak a Curiosity és a marsjárók műszereihez. Kitartás, amely meg tudja mérni a minták kémiai összetételét azáltal, hogy megnézi a fény hullámhosszát elnyel. De ellentétben a Mars-járókkal, amelyeknél órákig vagy napokig tarthat a minta begyűjtése és gondos elemzése, a DAVINCI-nek percek alatt kell elvégeznie a mintavételt és az elemzést.

A gömb különböző pontjain bemeneti szelepek találhatók, kerámia burkolatokkal, amelyek letörnek, hogy beszívják a gázokat. Ezeket a gázokat rendkívül gyorsan kell elemezni, majd légteleníteni kell, hogy több mintát lehessen venni. Ez lehetővé teszi, hogy a szonda a legrészletesebb képet kapja a légkör kémiájáról az összes rétegében.

Amíg ez megtörténik, a szonda más érzékelői olyan tényezőket mérnek majd, mint a hőmérséklet és a nyomás, hogy segítsenek megérteni a légkör szerkezetét. Ezután az összes adatot visszaküldik a keringőre, mielőtt a szonda elérné a felszínt.

A szondát csak légköri mintavételre tervezték, leszállásra nem. De amikor a felszínt érinti, fennáll annak a lehetősége, hogy túléli. A vastag atmoszféra és az ejtőernyő segít lelassítani a süllyedést, de „egyértelműen olyan sebességet fog elérni, amely úhh, nem ideális az űrrepüléshez” – mondta nevetve Sekerak.

Ha azonban a szonda túléli a landolást, akár 20 percig is eltarthat az adatgyűjtés, mire a hő átitatja a gömböt, és megsüti az elektronikát. És ez még több bónusz adat lesz a felületi hőmérsékletről és nyomásról, valamint a jelenlévő gázokról.

A légkör kémiájának megértése csak egy része a DAVINCI céljainak. A másik rész, ami a közvélemény számára lehet a legizgalmasabb, a titokzatos Vénusz-felszín fotózása.

Vénusz emberi léptékben

A szonda „a Vénusz hegyeiben, egy olyan terepen fog leszállni, amelyet az emberiség még soha nem látott” – mondta Garvin. A csapat ezt az élményt vizuálisan és kémiailag is rögzíteni szeretné.

Az ereszkedő gömbben egy kamera is lesz, amely nagy kontrasztú képeket készít a felszínről, amelyeket aztán 3D-s térképekké lehet építeni.

Ahhoz azonban, hogy a fényképezőgép egy fémgömb belsejéből működjön, ablakra van szükség. Az üveg pedig nem kiváló anyag az intenzíven magas nyomású környezet kezelésére. Ezért a DAVINCI ablaka nem üvegből, hanem zafírból lesz.

„Szó szerint egy nagyon-nagyon nagy zafírdarab” – mondta Sekerak. "Mert nagyszerű optikai tulajdonságokkal rendelkezik." Nagyon erős, de nagyon tiszta is, így nem torzítja el a rajta készült képeket. De elkerülhetetlenül egy fényt áteresztő ablak több hőt is beenged, ezért a mérnökök fázisváltó anyagokat adtak az ablakszerelvény köré. Ez az anyag meghatározott hőmérsékleten megolvad, hogy elnyelje a felesleges hőt az ablakból.

Ez lehetővé teszi, hogy a fényképezőgép tiszta, éles képeket készítsen leereszkedése során. Ezekkel a Vénusz domborzatát fotózzák majd a magasból és egészen a felszínig.

"A végső képeink 10 centiméteres felbontásúak lesznek" - mondta Garvin. "Ez az a lépték, amelyet a nappalijában látna."

Amellett, hogy rengeteg tudományos adatot kínál, Garvin reméli, hogy az ilyen léptékű képek rögzítése is megteszi segítsen a közönségnek érezni, hogy a Vénuszt valóságos helynek látják, nem csupán egy pontnak, ahonnan megfigyelhető messze.

„Az emberi látást és az érzékszervi érzékelésünket szeretnénk eljuttatni a Vénuszhoz” – mondta. "Elkezdjük érzékelni a Vénuszt emberi léptékben."

Teszt az ismeretlenért

A Vénuszra irányuló küldetés igazi trükkös része nem is az általunk ismert kihívások kezelése, mint például a hőmérséklet és a nyomás. Megpróbálja előre látni, milyen kihívások adódhatnak egy olyan környezetből, amelyről oly kevés információnk van.

Éppen ezért a tesztelés és a felkészülés nagy részét képezi majd annak, amit a DAVINCI csapat a következő hét évben tesz, a 2029-re tervezett indulásra készülve.

„A legrosszabb eset tesztelését végezzük” – magyarázta Sekerak. „Teszteljük tehát, mi lehet a legrosszabb környezet.”

A kutatók például tudják, hogy a Vénusz felhőiben kénsavcseppek találhatók – és a kénsav átveszi az anyagokat. Ez különösen a Kevlar zsinór esetében jelent gondot, amely az ereszkedő gömböt rögzíti az ejtőernyőhöz. Tehát annak tesztelésére, hogy a zsinór ellenáll-e a savas környezetnek, a mérnökök nem csak néhány csepp savban szuszpendálják, hanem a teljes felületet bevonják. savban, majd tesztelje a zsinór húzóerejét, hogy megbizonyosodjon arról, hogy elég hosszú ideig képes életben maradni ahhoz, hogy a szondát a lehető legrosszabb esetben is átvigye a légkörön ügy.

Ami a hardver tesztelését illeti a Földtől eltérő környezetben, kreatívnak kell lennie. Hogy lássák, mennyi ideig tart a fémgömb felmelegedése, a csapat egy fémöntödébe vitte. „Az a dolguk, hogy fémet olvasztassanak” – mondta Sekerak. "És a műszereinket oda helyeztük, hogy gyakoroljuk a melegítést, és mérjük a hőáramlást."

Az ötlet az, hogy elegendő tartalékot építsenek be minden kritikus rendszerbe, hogy lehetővé tegye a bolygó által a gömbbe dobott ismeretleneket. Garvin elmagyarázta: „Sok mérnöki gondolkodást és kockázatcsökkentést építettünk be a folyamatba.”

Ez még az adatgyűjtés módját is befolyásolja. "Ha jó napunk van a Vénuszon, valószínűleg 500 ereszkedési képet kapunk vissza" - mondta. „Ha az emberiség által ismert legrosszabb napunk lesz, valószínűleg visszakapjuk a 35-öt. De a 35 sokkal több annál, mint amennyire szükségünk van egy ilyen feltérképezéshez.” Természetesen a több kép több információt jelent, és ez előnyösebb, mivel több tudományt tesz lehetővé. De még a legrosszabb körülmények között is felbecsülhetetlen értékű információkhoz jutnak.

Mindig valami újat kell tanulni

A Vénusz meglátogatása óriási kihívás, még a nagy űrmissziók ambiciózus mércéje szerint is. De a lehetséges megtérülés a tanulnivalók tekintetében óriási.

A Vénusz megismerése önmagáért is lenyűgöző lesz. De ez az exobolygók megértéséhez is fontos. Ahogy a James Webb Űrteleszkóphoz hasonló küldetések a Naprendszerünkön kívüli új bolygókat fedeznek fel és vizsgálnak meg, referenciapontra lesz szükségünk az olyan sziklás bolygókhoz, mint a Föld, a Mars és a Vénusz.

Elég jól ismerjük a Föld és a Mars alapvető jellemzőit, és a Vénusz adatainak hozzáadásával sokkal jobban megértjük a távoli bolygókat.

„A Vénusz kalibrációs ponttá válik a nagy, sziklás, légkört hordozó bolygók számára amit látni és megérteni fogunk Webb és a nagy távcsövek segítségével, amelyek túlmutatnak” – Garvin mondott.

És persze ott van az a legtöbb emberi ösztön, hogy tanulni, felfedezni és új helyekre utazni. „Ez az egyik oka annak, hogy szeretek ezeken az űrkutatási küldetéseken dolgozni – olyan helyre megyünk, ahonnan nem sokat tudunk” – mondta Sekerak.

Sokat tanultunk a Föld és a Mars környezetéhez való építkezésről, és most felhasználhatjuk a tudás egy részét, és máshol is alkalmazhatjuk. Az ehhez a környezethez való építkezés megnöveli a technológiánkat, és ha egy szondával meglátogatjuk, az elkezdheti megfejteni néhány titkát. Ahogy Sekerak mondta, amikor egy új űrkörnyezetbe látogat, „mindig van valami új, amit megtanulhat”.

Szerkesztői ajánlások

• Az őrült terv belsejében, hogy felkapjuk és hazahozzuk a Vénusz hangulatát
• Hogyan nézhetjük meg, ahogy a NASA privát küldetése megérkezik az űrállomásra
• Hogyan változtatta meg a NASA 1978-as űrhajósosztálya az űrkutatás arculatát
• Hogyan nézhetjük meg, ahogy a NASA bemutatja következő generációs űrruháját?
• A Vénusz, a Jupiter és a Ceres szerepel a NASA márciusi égbolttal kapcsolatos tippjei között