Il piano selvaggio per portare a casa un po' dell'atmosfera di Venere

Se di recente hai seguito le notizie sullo spazio, probabilmente hai sentito parlare di Mars Sample Return, l'ambizioso piano della NASA per raccogliere campioni di rocce marziane e riportarli sulla Terra per studiarli. Quella missione dovrebbe essere lanciata entro la fine di questo decennio, ma sarà un processo lungo anni ed estremamente costoso per raccogliere e recuperare quei campioni.

Ma Marte non è l'unico pianeta a portata di visita. Perché non saltiamo sull'altro nostro vicino planetario, Venere, e raccogliamo un campione anche da lì?

Questo è proprio ciò che viene proposto da un gruppo di ricercatori di Venere. Abbiamo parlato con il leader del gruppo di proposta per saperne di più.

Una vecchia idea il cui momento è giunto

Gli scienziati hanno discusso i meriti del tentativo di catturare un campione da Venere per decenni, con concetti di missione studiati fin dagli anni '80. Sebbene Marte sia stato il pianeta che ha ricevuto più attenzione negli ultimi anni, c'è un forte interesse per la scienza planetaria comunità per saperne di più su Venere, in particolare perché potrebbe aiutarci a capire di più su altri pianeti al di fuori del nostro solare sistema.

Ora potrebbe cambiare, mentre la NASA dà il via al decina di Venere con un paio di missioni programmate per visitare lì, insieme a una missione dell'Agenzia spaziale europea, tutte programmate per il prossimo decennio.

Le precedenti missioni campione su Venere non sono mai decollate per alcuni motivi: l'attenzione su Marte è finita Venere, la mancanza di tecnologia per consentire un'operazione così complessa e l'indispensabile inospitalità di Venere. Venere è calda, con un'atmosfera estremamente densa, creando un ambiente molto ostile in cui l'elettronica può operare.

Cercare di volare su Venere, mandare una sonda in superficie, raccogliere un campione, riportarlo in orbita e quindi restituirlo sulla Terra sarebbe proibitivo e richiederebbe una tecnologia significativa sviluppi.

Ecco perché un gruppo di ricercatori francesi ha un approccio diverso. Invece di cercare di raccogliere un pezzo della superficie di Venere, dovremmo cercare di afferrare un po' della sua atmosfera. La missione Venus Atmospheric Sample Return o VATMOS-SR è un concetto di missione di un gruppo dell'Istituto di fisica planetaria di Parigi, che sta cercando di ottenere supporto per la loro idea.

Il grande vantaggio di questo approccio è la sua relativa semplicità. Non è necessario far atterrare nulla sulla superficie o tornare in orbita. Invece, potresti inviare un veicolo spaziale su un percorso lontano dalla Terra e verso Venere, dove entrerebbe nell'atmosfera e riempirebbe le bottiglie con circa quattro litri di gas. Quindi continuerebbe a viaggiare fino alla Terra.

Il veicolo spaziale non avrebbe strumenti e non prenderebbe letture. Sarebbe solo un veicolo da collezione. Ciò lo rende più sicuro, più facile ed economico, ha spiegato a Digital Trends il ricercatore capo Guillaume Avice.

"Basti solo sfiorare l'atmosfera su una traiettoria balistica", ha detto Avice. "Quindi ci vuole solo un anno per andare lì, prendere il tuo campione e tornare sulla Terra."

Pianificazione a lungo termine

Al giorno d'oggi, le missioni di scienze planetarie in genere comportano l'invio di strumenti (come quelli sui rover su Marte) in un luogo e la loro misurazione. Questo approccio sostiene invece la raccolta di materiale e il suo ritorno sulla Terra, dove abbiamo strumenti molto più capaci e vari con cui indagare.

E con un prezioso campione di un altro pianeta, un po' fa molto. Un campione di diversi litri di gas potrebbe tenere occupati gli scienziati per anni.

"La cosa veramente interessante è che ottieni molto gas e puoi misurarlo, non per sempre, ma per molto tempo sulla Terra", ha spiegato Avice. “Se ci pensi, puoi conservare un po' di quel campione. Forse tra un decennio avremo un nuovo spettrometro sulla Terra che sarà utile per questo campione”.

Questa pianificazione per il futuro ha senso se si guarda a come la NASA si è avvicinata ai campioni lunari raccolti durante le missioni Apollo sulla luna. Alcuni campioni sono stati analizzati non appena sono stati riportati sulla Terra, ma altri sono stati conservati sulla base del fatto che la tecnologia futura avrebbe consentito loro di essere analizzati in modo più approfondito. E quell'approccio a lungo termine ha dato i suoi frutti, con un campione di 50 anni aperto solo l'anno scorso e rivelando informazioni sulla geologia e la storia della luna.

Se fossimo in grado di prelevare un campione simile dell'atmosfera di Venere, gran parte di essa potrebbe essere conservata anche a lungo termine. E i ricercatori beneficerebbero anche solo di una manciata di atomi di un campione di gas, quindi un campione di diversi litri sarebbe sufficiente a fornire materiali di ricerca per l'intera comunità di Venere.

Un'imminente missione su Venere chiamata Davinci prevede di effettuare misurazioni simili dell'atmosfera, ma in questo caso c'è una crisi in tempo reale. La missione prevede il lancio di una sfera campione attraverso l'atmosfera, quindi i campioni devono essere prelevati ed elaborati entro un'ora.

Ciò ha causato problemi con le precedenti missioni su Venere nei decenni precedenti, che hanno portato a risultati confusi probabilmente a causa di calibrazioni errate o prese d'aria ostruite. Gli ingegneri fanno del loro meglio per anticipare eventuali problemi con il campionamento, ma è difficile da fare quando ci sono così tante incognite sull'ambiente in cui sta entrando una missione.

Se un campione viene riportato sulla Terra, tuttavia, c'è tutto il tempo per calibrare gli strumenti e ricontrollare i risultati, rendendo i risultati più affidabili.

Ci sono alcune complessità nel prelevare un campione a velocità molto elevate. Si verifica un processo chiamato frazionamento che può dividere un campione in parti diverse quando viene raccolto così velocemente, ma dovrebbe essere possibile correggerlo.

Come funzionerebbe la missione di campionamento atmosferico

Ci sono buone ragioni per cui nessuno ha mai tentato prima una missione di ritorno del campione di Venere. Perché non è facile.

L'ovvio parallelo con una missione di ritorno del campione su Venere sarebbe la missione Mars Sample Return, an imminente joint venture tra la NASA e l'Agenzia spaziale europea che dovrebbe essere lanciata alla fine anni 2020. Questo piano per raccogliere un campione da Marte coinvolge più rover, lander o elicotteri, è in preparazione da decenni e ha un budget in mongolfiera che preoccupa anche gli ardenti appassionati di Marte.

E Venere è ancora più inospitale di Marte, con la sua atmosfera densa, le nuvole di acido solforico e la pressione paragonabile alle profondità dell'oceano. Un tentativo di restituire un campione dalla superficie di Venere sarebbe un "incubo", ha detto Avice, e "probabilmente anche più costoso che su Marte".

Ecco perché il gruppo di Avice propone invece di raccogliere un campione dall'atmosfera del pianeta. "È super economico", ha detto, relativamente parlando: il gruppo stima il costo di una missione del genere in 100 milioni di euro ($ 110 milioni), rispetto al Stime attuali da $ 8 a $ 9 miliardi per il ritorno del campione su Marte.

Anche con la relativa facilità di un campione atmosferico, tuttavia, nessun vecchio frammento di atmosfera andrà bene. Ad altitudini molto elevate, l'atmosfera è estremamente rarefatta e alcune molecole sono separate dalla gravità. Quindi, per ottenere un campione rappresentativo, è necessario scendere al di sotto di un livello chiamato omopausa, al di sotto del quale l'atmosfera è sufficientemente ben miscelata per contenere tutte le diverse molecole presenti.

Su Venere, l'omopausa si trova a circa 110 km (70 miglia) dalla superficie, quindi la missione deve raggiungere tale livello. Ma più vai in profondità, più difficile diventa la missione. "Quindi l'obiettivo è di essere appena sotto l'omopausa, con un certo margine di sicurezza", ha detto Avice. "Se andiamo più in profondità diventa molto più impegnativo e costoso."

Le sfide

Tuttavia, anche solo attraversare l'atmosfera del pianeta è difficile. Una grande sfida è la questione di mantenere il veicolo spaziale al sicuro dal tremendo calore che si accumula a causa dell'attrito nell'atmosfera.

Veicoli spaziali che entreranno nell'atmosfera di un pianeta, sia che si tratti di visitare un altro pianeta come Marte o di un veicolo spaziale che ritorna sulla Terra attraverso l'atmosfera del nostro pianeta - hanno uno spesso scudo termico che protegge i delicati componenti all'interno dall'alto temperature.

La consegna di un rover su Marte, ad esempio, comporta l'avvolgimento del rover in uno scudo termico e quindi la sigillatura dell'intera cosa: rover e scudo termico insieme, insieme a propulsori e altre parti di veicoli spaziali, nel muso di un razzo per il lancio. Una volta nello spazio, il veicolo spaziale viene dispiegato e viaggia verso Marte, quindi lo scudo termico protegge il rover mentre attraversa l'atmosfera per atterrare.

Per una missione di campionamento atmosferico, tuttavia, sarebbe necessario che uno scudo termico funzioni due volte, sia durante il campionamento su Venere, sia di nuovo quando si riporta il campione sulla Terra. Non è chiaro se l'attuale tecnologia dello scudo termico sarebbe all'altezza del compito di proteggere un veicolo spaziale attraverso due di queste esposizioni.

Far funzionare uno scudo termico due volte è "qualcosa che non sappiamo davvero come fare", ha detto Avice. E potrebbe richiedere anni di sviluppo per funzionare, se possibile.

Cosa fare con il campione una volta tornato sulla Terra

Un'altra sfida è sorprendente. Potresti pensare che raccogliere un campione sia la parte difficile e analizzarlo una volta tornato sulla Terra sarebbe facile. Ma si scopre che lavorare con i campioni di gas è più difficile di quanto si possa immaginare.

L'atmosfera di Venere è piena di sostanze che evaporano facilmente, chiamate volatili. Questi includono gas nobili e composti tra cui azoto, idrogeno, carbonio e zolfo. Studiarli è la chiave per comprendere l'atmosfera di Venere, ma non sono facili da trasportare o studiare.

Per intrappolare correttamente un volatile in una bottiglia campione, è necessaria una valvola molto buona, sia in modo che nessuno dei il campione fuoriesce e in modo che nessuno dei gas provenienti da altri ambienti come l'atmosfera terrestre penetri. Questo è stato un problema per la missione Hayabusa2 che è riuscita a restituire un campione da un asteroide ma ha fatto esperienza una fuoriuscita dell'atmosfera terrestre probabilmente causato dallo shock del dispiegamento del paracadute durante il suo ritorno sulla Terra.

Anche se il campione torna sulla Terra completamente intatto, senza alcuna perdita, è comunque necessario muoversi rapidamente per trasferire il campione dalla sua bottiglia a un contenitore più sicuro. Anche le valvole più strette perderanno un po' nel corso dei mesi, quindi è necessario un sistema multiplo contenitori in grado di catturare tutto ciò che fuoriesce dal campione e conservarne quanto più possibile possibile.

I ricercatori si stanno sviluppando sistemi a vuoto per l'estrazione e l'analisi dei gas, compresi quelli utilizzato per il campione Hayabusa2, ma questa è ancora una nuova area tecnologica che deve essere sviluppata affinché una missione di ritorno di campioni atmosferici sia pienamente efficace.

Il futuro della scienza planetaria: in situ vs. restituzione del campione

La missione di campionamento atmosferico è ancora saldamente nella fase concettuale e il gruppo spera di farla riprendere nel prossimo round di proposte per l'Agenzia spaziale europea o forse la NASA.

È un piano ambizioso, ma non è un concetto così stravagante come sarebbe stato qualche anno fa. "Decenni fa, il ritorno del campione era solo un sogno e non molto serio", ha detto Avice, ma ora con il precedente missioni come Hayabusa2 e missioni imminenti come Mars Sample Return, sta diventando una possibilità reale.

E c'è il potenziale per dimostrare che il ritorno del campione può essere effettuato in modo relativamente rapido ed economico, a causa delle traiettorie possibili tra la Terra e Venere e perché un veicolo spaziale non dovrebbe rallentare, raggiungere la superficie e tornare in orbita prima di tornare a Terra.

La missione potrebbe potenzialmente essere una rapida frustata avanti e indietro, restituendo un campione entro un anno.

"Ciò che è veramente interessante è che otterremmo un campione dell'atmosfera di Venere prima di ottenere campioni da Marte", ha detto Avice. "Quindi quello sarebbe il primo campione da un altro pianeta."

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