Come la nuova sonda della NASA sopravviverà all'inferno di Venere

Dato che si tratta del nostro vicino di casa, potresti immaginare che abbiamo una conoscenza approfondita del pianeta Venere. Ma ti sbaglieresti. La NASA non visita il pianeta da più di 30 anni, e c'è così tanto in questo posto che riusciamo a malapena a capire, dalla sua storia geologica a che tipo di rocce si trovano sulla sua superficie, gran parte del suo l'ambiente è essenzialmente un mistero.

Gli scienziati pensano che Venere lo fosse una volta come la Terra, ma i due si sono differenziati ad un certo punto della loro evoluzione per diventare i luoghi molto diversi che sono oggi. Sappiamo che Venere ha una densa atmosfera che mantiene il calore e lo rende il pianeta più caldo del sistema solare. E sappiamo che la sua superficie è ricoperta di montagne, spaccature e vulcani, anche se non sappiamo se siano ancora attivi.

Uno dei motivi per cui rimane così tanto sconosciuto su Venere è che la sua densa atmosfera nasconde alla vista la maggior parte del suo terreno, ed è difficile scrutare attraverso strati di nuvole per vedere cosa c’è sotto. Un altro motivo è che è un luogo spaventosamente inospitale. Tra le temperature elevate e l'atmosfera densa e piena di acido, nulla di creato dall'uomo è sopravvissuto sulla sua superficie per più di pochi minuti.

Ma se vogliamo saperne di più su questo misterioso pianeta qui accanto, dobbiamo visitarlo. Ed è proprio quello che intende fare la missione DAVINCI della NASA, lanciando una sonda attraverso l’atmosfera per rilevare le letture fino in fondo mentre cade in superficie. La missione, che sarà una delle un trio di missioni su Venere nel prossimo decennio, il lancio è previsto nel 2029 e l'arrivo su Venere per il suo precipitare attraverso l'atmosfera nel 2031.

Per scoprire come si costruisce una sonda per resistere a questo ambiente infernale e cosa potremmo imparare da esso, abbiamo parlato con due di loro membri del team DAVINCI: Jim Garvin, investigatore principale della missione, e Mike Sekerak, progetto sistemi ingegnere.

Che succede con l’atmosfera di Venere?

Venere rappresenta una frontiera della scienza planetaria di cui si sa molto poco, considerando quanto è relativamente vicina a noi. Ciò che sta accadendo sotto lo strato superiore delle nubi è una questione particolarmente intrigante.

“La caratterizzazione dell’atmosfera, dalla cima delle nuvole alla superficie – così grande, massiccia l’atmosfera, la cui massa si trova per il 75% tra i 15 e i 20 chilometri inferiori, è quasi inesplorata”, ha spiegato Garvin. disse.

Le sonde inviate su Venere negli anni '60 e '70 tentarono di raccogliere dati sull'atmosfera, ed ebbero un certo successo. Ma le misurazioni precedenti dell’atmosfera si sono rivelate inaffidabili, a causa di problemi fisici con le sonde precedenti, come gli ingressi ostruiti e la tecnologia limitata disponibile. Ciò ha portato ad alcune letture confuse, di cui Garvin dice: “Alcune di esse non hanno senso”.

La bassa atmosfera in particolare è per molti versi un mistero. Potrebbe essere un fluido supercritico, in cui la temperatura e la pressione sono così grandi che si muove come un liquido. C’è anche la questione di come le rocce sulla superficie del pianeta interagiscono con l’atmosfera.

E lo studio dell’atmosfera e della superficie potrebbe aiutare a rispondere a una delle più grandi domande che abbiamo su Venere: un tempo aveva oceani di acqua liquida sulla sua superficie e, se sì, cosa è successo loro?

Due grandi sfide

Venere non è un luogo accogliente per una sonda: è due volte più caldo di un forno e c’è più pressione sulla superficie che sotto un chilometro di oceano.

"Le sfide tecniche che abbiamo qui sono piuttosto entusiasmanti", ha affermato Sekerak. Il problema più grande per qualsiasi potenziale missione su Venere è il caldo, poiché le temperature superficiali possono raggiungere i 900 gradi Fahrenheit (475 gradi Celsius). È abbastanza caldo da sciogliere il piombo e provoca il caos nell'elettronica.

Questa però è solo una parte della sfida ambientale. "La pressione, tuttavia, non è da meno in termini di difficoltà", ha detto Sekerak. La pressione in superficie è di circa 95 bar, ovvero quasi 100 volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre, quindi progettare una sonda per questo tipo di ambiente è un po’ come costruirne una sottomarino.

Quando verrà lanciato nell'atmosfera, DAVINCI dovrà affrontare una corsa contro il tempo per raccogliere tutte le informazioni di cui ha bisogno prima che il calore e la pressione distruggano i suoi componenti. Per mantenere attiva la sonda il più a lungo possibile, è sferica e ricoperta da uno spesso guscio di titanio per resistere alla pressione e isolare dal calore. Poi c’è più isolamento all’interno di questo guscio, realizzato con materiali speciali tra cui l’astroquarzo, un tipo di fibra ricavata dal quarzo fuso.

L'interno è progettato per mantenere i componenti termicamente isolati anche dall'esterno, per evitare che il calore venga trasferito dalla calotta. Viene quindi riempito con anidride carbonica per proteggere i componenti elettronici ad alta tensione dalle scintille e per impedire la fuoriuscita di gas terrestri durante il lancio.

Nel complesso, la sonda, che il team chiama sfera di discesa, ha un diametro di circa un metro. Verrà rilasciato da un orbiter con un paracadute per rallentarne la discesa, anche se l'atmosfera aiuta con questo perché è così spesso che è più come far cadere la sonda nell'acqua che nell'aria.

In totale, ci vorranno 63 minuti affinché la sonda raggiunga la superficie e in quell'ora raccoglierà quanti più dati possibili prima di essere inevitabilmente distrutta dall'ambiente brutale.

Campionamento fino in fondo

La sfera di discesa cadrà attraverso l'atmosfera e effettuerà il campionamento fino in fondo, per creare un'immagine dell'atmosfera dall'alto verso il basso.

All'interno della sfera ci saranno strumenti come spettrometri, simili agli strumenti sui rover su Marte Curiosity e Perseveranza, che può misurare la composizione chimica dei campioni osservando le lunghezze d'onda della luce che essi contengono assorbire. Ma a differenza dei rover su Marte, che possono impiegare ore o giorni per raccogliere e analizzare attentamente un campione, DAVINCI dovrà effettuare il campionamento e l’analisi in pochi minuti.

Ci sono valvole di ingresso in vari punti sulla sfera, con coperture in ceramica che si rompono per ingerire i gas. Questi gas devono essere analizzati in modo estremamente rapido, quindi scaricati in modo da poter prelevare più campioni. Ciò consentirà alla sonda di ottenere uno sguardo più dettagliato finora sulla chimica dell'atmosfera in tutti i suoi strati.

Mentre ciò accade, altri sensori nella sonda misureranno fattori come la temperatura e la pressione, per aiutare a comprendere la struttura dell’atmosfera. Quindi tutti questi dati verranno rispediti all'orbiter prima che la sonda colpisca la superficie.

La sonda è progettata solo per campionare nell'atmosfera e non sulla terra. Ma quando tocca la superficie, c’è la possibilità che sopravviva. L'atmosfera densa e il paracadute contribuiranno a rallentare la sua discesa, ma "colpirà sicuramente a una velocità che è, uhh, tutt'altro che ideale per l'hardware del volo spaziale", ha detto Sekerak ridendo.

Se la sonda sopravvive all’atterraggio, tuttavia, potrebbe durare fino a 20 minuti di raccolta dati prima che il calore penetri nella sfera e frigga i componenti elettronici. E questi saranno ancora più dati bonus sulla temperatura e pressione superficiale, nonché sui gas presenti.

Comprendere la chimica dell’atmosfera è solo una parte degli obiettivi di DAVINCI. L'altra parte, che potrebbe essere più emozionante per il pubblico, è scattare foto della misteriosa superficie venusiana.

Venere a misura d'uomo

La sonda scenderà “tra le montagne di Venere, in un tipo di terreno che non è mai stato visto prima dall’umanità”, ha detto Garvin. E il team vuole registrare questa esperienza sia visivamente che chimicamente.

La sfera di discesa avrà anche una fotocamera che scatterà immagini ad alto contrasto della superficie, che potranno poi essere trasformate in mappe 3D.

Affinché una telecamera possa funzionare dall'interno di una sfera metallica, però, è necessaria una finestra. E il vetro non è un ottimo materiale per affrontare ambienti ad alta pressione. Ecco perché la finestra di DAVINCI non sarà realizzata in vetro ma in zaffiro.

"È letteralmente un pezzo di zaffiro molto, molto grande", ha detto Sekerak. "Perché ha grandi proprietà ottiche." È molto forte ma anche molto chiaro, quindi non distorce le immagini scattate attraverso di esso. Ma inevitabilmente, una finestra che lascia entrare la luce lascerà entrare anche più calore, quindi gli ingegneri hanno aggiunto materiali a cambiamento di fase attorno al gruppo della finestra. Questo materiale si scioglie ad una temperatura specifica per assorbire il calore in eccesso dalla finestra.

Ciò consentirà alla fotocamera di acquisire immagini chiare e nitide durante la sua discesa. Questi verranno utilizzati per fotografare il terreno di Venere, dall'alto e fino alla superficie stessa.

"Le nostre immagini finali avranno una risoluzione di 10 centimetri", ha detto Garvin. "Questa è la scala che vedresti guardando dal tuo soggiorno."

Oltre a offrire una vasta gamma di dati scientifici, Garvin spera che catturare immagini su questa scala sia efficace aiutare il pubblico a sentirsi come se potesse vedere Venere come un luogo reale, non semplicemente un punto da cui osservare lontano.

"Vogliamo portare la visione umana e la nostra percezione sensoriale su Venere", ha detto. “Inizieremo a percepire Venere su scala umana”.

Testare l'ignoto

La vera parte difficile di una missione su Venere non è nemmeno affrontare le sfide che conosciamo, come la temperatura e la pressione. Sta cercando di anticipare quali sfide potrebbero sorgere da un ambiente di cui abbiamo così poche informazioni.

Ecco perché i test e la preparazione costituiranno una parte importante di ciò che farà il team DAVINCI per i prossimi sette anni, in preparazione al lancio previsto per il 2029.

"Effettuiamo test nel caso peggiore", ha spiegato Sekerak. “Quindi testiamo quale potrebbe essere l’ambiente peggiore.”

Ad esempio, i ricercatori sanno che le nubi di Venere contengono gocce di acido solforico – e l’acido solforico corrode i materiali. Una preoccupazione particolare è per il cordino in Kevlar che collegherà la sfera di discesa al paracadute. Quindi, per verificare se il cordino può resistere all'ambiente acido, gli ingegneri non lo sospendono solo in poche gocce di acido, ma ricoprono l'intera superficie nell'acido, quindi testare la forza di trazione del cordino per assicurarsi che possa sopravvivere abbastanza a lungo da portare la sonda attraverso l'atmosfera anche nelle peggiori condizioni possibili caso.

Per quanto riguarda il modo in cui testi l'hardware in ambienti così diversi dalla Terra, devi essere creativo. Per vedere quanto tempo ci sarebbe voluto perché la sfera di metallo si riscaldasse, il team l'ha portata in una fonderia di metalli. "Il loro compito è fondere il metallo", ha detto Sekerak. "E abbiamo messo la nostra strumentazione lì dentro per esercitarci a riscaldarlo, per misurare quel flusso di calore."

L’idea è quella di creare un margine sufficiente in ogni sistema critico per consentire qualsiasi incognita che il pianeta potrebbe gettare sulla sfera. Garvin ha spiegato: "Abbiamo incorporato... molta riflessione ingegneristica e riduzione dei rischi nel modo in cui lo facciamo."

Ciò influisce anche sul modo in cui verranno raccolti i dati. "Se avremo una buona giornata su Venere, probabilmente riceveremo 500 immagini della discesa", ha detto. “Se si verificasse il giorno peggiore in assoluto conosciuto dall’umanità, probabilmente ne recupereremo 35. Ma 35 sono molto più di quanto abbiamo bisogno per fare questo tipo di mappatura”. Naturalmente, più immagini significano più informazioni, e questo è preferibile in quanto consente più scienza. Ma anche nelle peggiori condizioni, scopriranno informazioni preziose.

Sempre qualcosa di nuovo da imparare

Visitare Venere è una sfida enorme, anche per gli standard ambiziosi delle grandi missioni spaziali. Ma il potenziale profitto in termini di ciò che possiamo imparare è enorme.

Conoscere Venere sarà affascinante di per sé. Ma è importante anche per la nostra comprensione degli esopianeti. Man mano che missioni come il telescopio spaziale James Webb scoprono e indagano nuovi pianeti al di fuori del nostro sistema solare, avremo bisogno di un punto di riferimento per i pianeti rocciosi come la Terra, Marte e Venere.

Abbiamo una conoscenza piuttosto solida delle caratteristiche essenziali della Terra e di Marte e, aggiungendo i dati di Venere, saremo in grado di comprendere molto meglio i pianeti distanti.

“Venere diventerà un punto di calibrazione, per i tipi di pianeti grandi, rocciosi e dotati di atmosfera che saremo in grado di vedere e comprendere con Webb e i grandi telescopi che verranno oltre”, Garvin disse.

E, naturalmente, c’è l’istinto più umano: imparare, esplorare e viaggiare in posti nuovi. "Questo è uno dei motivi per cui amo lavorare su queste missioni di esplorazione spaziale: andremo in posti di cui non sappiamo molto", ha detto Sekerak.

Abbiamo imparato molto sulla costruzione per gli ambienti della Terra e di Marte, e ora possiamo prendere parte di quella conoscenza e applicarla a luoghi diversi. Costruire per quell’ambiente migliorerà la nostra tecnologia e visitarlo con una sonda può iniziare a svelare alcuni dei suoi misteri. Come ha detto Sekerak, quando si visita un nuovo ambiente spaziale, “c’è sempre qualcosa di nuovo che puoi imparare”.

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