האמנות העדינה של בלימה אווירית: המפתח לחקר נוגה

העשור של ונוס כמעט בפתח. עם שלוש משימות ונוס קרובות מתוכנן מנאס"א וסוכנות החלל האירופית (ESA), אנו נמצאים על סף למידה על כוכב הלכת השכן שלנו מאי פעם.

אבל לא נלמד רק על מדע פלנטרי. הפעם גם נלמד כיצד לשלוט בחללית באווירה זרה, הודות לשתי משימות - של ESA לַחֲזוֹת ו-VERITAS של נאס"א - אשר אמורים להשתמש בטכניקה חדשה הנקראת אווירוברקינג כדי להכניס את החללית שלהם למסלול הנכון עבורם לעשות את המדע שלהם.

דיברנו עם מהנדסים ומדענים ממשימת EnVision כדי ללמוד איך הם מתכננים לעשות זאת - ומה הם עשויים ללמוד מזה.

האטה באמצעות האווירה

בדרך כלל, אתה מאט את חללית באותו אופן שאתה מאיץ אותה: על ידי שריפת דלק. הנעה כימית היא דרך מצוינת לייצר הרבה כוח במהירות רבה, וזה מה שאתה צריך גם לשיגור מהמקור וגם להיכנס למסלול ביעד שלך.

עם זאת, הדלק הוא גם כבד מאוד. ומשקל זה כסף כשזה מגיע לשיגור רקטות. ככל שחללית נושאת יותר דלק, כך היא תהיה יקרה יותר לשגרה ותהיה פחות קצבה למכשירים מדעיים.

אז בעשורים האחרונים, מהנדסי חלל פיתחו דרך יעילה יותר להאט את תנועת החללית. במקום לשרוף דלק, השיטה החדשה הזו מנצלת את האווירה הקיימת ברוב המקומות שהיינו רוצים לבקר בהם. החללית מתקרבת לקצוות העליונים של האטמוספירה ושוקלת פנימה, שם החיכוך יאט אותה בכמות קטנה. לאחר מכן החללית נסוגה חזרה לפני שהיא שוקעת פנימה שוב, מאטה בהדרגה על פני צלילות מרובות ומנמיכה את מסלולה לאורך זמן.

שיטה זו, הנקראת אווירוברקינג, שימשה חלליות במאדים, ואף נוסתה בה עבור חלליות שחוזרות לכדור הארץ. אבל כעת צוותי המשימה רוצים להשתמש בטכניקה גם עבור שתיים ממשימות ונוס הקרובות.

כמה חלליות ונוס קודמות כמו מגלן ו-ונוס אקספרס השתמשו בבלימה אווירית בסוף את המשימות שלהם, כשהעבודה המדעית העיקרית שלהם נעשתה והצוותים רצו להתנסות עם טֶכנִיקָה. אבל EnVision ו-VERITAS יהיו החללית הראשונה שתשתמש בבלימה אווירית בתחילת משימותיהן כדי להיכנס למסלול הנכון.

מרתון של 15 חודשים 

כאשר EnVision תגיע לנוגה, היא תסתובב בגובה של 150,000 מיילים. והוא צריך לרדת עד 300 מייל מעל פני השטח כדי לקבל את הקריאות שהצוות רוצה. כדי לעשות זאת, הוא יטבול לאטמוספירה אלפי פעמים על פני תקופה של בין 15 חודשים לשנתיים, ויעבור בהדרגה למסלול הנכון.

זה מצריך תכנון קפדני, אבל זה דורש גם ידע מפורט של תנאי אטמוספירה כדי לחזות איך התמרונים ישפיעו על החללית. הגורמים הגדולים ביותר המשפיעים על בלימה אווירית יהיו הטמפרטורה, הצפיפות ומהירויות הרוח, כולם משתנים במידה ניכרת בחלקים שונים של האטמוספירה הוונוסיאנית.

זה הופך בלימה אווירית בנוגה להרבה יותר מסובכת מאשר בלימה אווירית במאדים, למשל. לנוגה יש כוח משיכה גבוה בהרבה ממאדים, מה שאומר שהחללית תחווה מהירויות גבוהות בהרבה כאשר היא עוברת דרך האטמוספירה. זו הסיבה שהתהליך ייקח כל כך הרבה זמן.

הסביבה הקשה של ונוס

אתגר נוסף הוא שוונוס היא א מקום מאוד לא מסביר פנים, וזה משתרע גם לאווירה שלו. נוגה קרובה יותר לשמש מאשר כדור הארץ, ולכן היא קולטת חום וקרינת שמש ניכרת שהחללית צריכה להיות מסוגלת לעמוד בה. וכשהחללית צונחת לאטמוספירה לצורך בלימה אווירית, החיכוך גורם לה להאט - אבל זה גם גורם לחימום.

הטמפרטורות המדויקות שתחווה החללית יהיו תלויות בהחלטות התכנון הסופיות, אבל הן יהיו ב אזור של "אולי 200 או 300 מעלות צלזיוס עבור הטמפרטורה הגבוהה ביותר", אדריאן טיגה, מדען חומרים עבור EnVision, אמר. יש גם את הקרינה האולטרה סגולה מהשמש שהחללית תצטרך להתמודד איתה. "זו סביבה די קשה עבור החומרים."

האיום הגדול ביותר על החללית במהלך בלימה אווירית, לעומת זאת, אינו החום או הקרינה. במקום זאת, זה מרכיב של האטמוספירה העליונה, חמצן אטומי. בניגוד לרוב מולקולות החמצן בכדור הארץ, העשויות משני אטומי חמצן, החמצן האטומי פוצל על ידי קרינה מהשמש וכך גם אטום חמצן אחד בלבד. זה אומר שהוא מאוד תגובתי, כך שהוא יכול לאכול חומרים ולכלוס אותם.

אלו חדשות רעות עבור החללית, שצריכה לשרוד את שלב הבלימה האווירית של חודשים ואז להיות מסוגלת להמשיך למשימתה המדעית. והחללית ממש תופגז על ידי החלקיקים האלה, מכיוון שהיא תנוע במהירות גבוהה של כחמישה מייל לשנייה. "זה שילוב של תגובה כימית ומהירות הפגיעה" שיגרום לבעיה, הסביר טייה, עם חלקיקים שפוגעים בחללית "כמו כדור דוהר".

מציאת חומרים מוגנים ונוס

החמצן האטומי יכול לחמצן מתכות, אבל זה אפילו יותר גרוע עבור פולימרים. חומרים דמויי פלסטיק אלה, העשויים מפחמן, מימן וחמצן, מגיבים עם החמצן האטומי ויוצרים תרכובות כמו פחמן דו חמצני שמתאדות, וכך החומר הזה הולך לאיבוד לחלל. חמצן אטומי יכול להגיב גם עם צבעים, כגון צבעים לבנים הדרושים כדי להחזיר חום ו שיכול להפוך לחום ולהיות פחות יעיל, כמו גם עם חומר בידוד הנקרא רב שכבתי בִּדוּד.

החשש הגדול ביותר הוא הפאנלים הסולאריים של החללית, מכיוון שהם כה חשופים. התאים הסולאריים מכוסים בזכוכית, אשר עמידה בפני חמצן אטומי, אך אלה ממוקמים במצע העשוי בדרך כלל מסיבי פחמן, הרגישים לשחיקה. מרכיב רגיש נוסף הוא נייר הכסף הדק המשמש כבידוד בין התא לפאנל, הנקרא קפטון. ויש רדיד דק שמחבר בין התאים השונים, שעשוי לפעמים מכסף - וגם זה רגיש. אז המהנדסים עובדים על או על בחירת חומרים שונים, או על מציאת דרכים להגן על החומרים מפני חשיפה לחמצן האטומי.

למרות שחמצן אטומי לא נמצא הרבה על פני כדור הארץ, יש לנו הבנה מסוימת כיצד להתמודד איתו כפי שהוא נמצא במסלול כדור הארץ. לוויינים מתוכננים לעמוד בצפיפות מסוימת של חמצן אטומי, ולכן מהנדסים משתמשים בעקרונות דומים לתכנון החללית EnVision כדי להפוך אותה לעמידה. אבל סביבת כדור הארץ אינה כרוכה בטמפרטורות כה גבוהות, ולכן השילוב של חמצן אטומי וטמפרטורות גבוהות הוא אתגר חדש.

"אז היינו צריכים להשתמש בחומרים החזקים ביותר", אמר Tighe, שקבוצתו עסוקה בבדיקת חומרים כמו בידוד, צבע ושמש. רכיבי פאנל כדי למצוא את אלו שיוכלו לעמוד 15 חודשים בסביבה הקשה הזו עוד לפני תחילת המשימה העיקרית שלה.

נתוני מדע בחינם

המשימה העיקרית של EnVision לא תתחיל עד שתמרוני הבלימה האווירית יורידו את החללית למסלולה הסופי של בין 130 ל-340 מיילים. אבל מדענים אף פעם לא נתנו להזדמנות ללמוד לחלוף על פניהם, אז צוות מחקר עובד על מה שהם עשויים ללמוד על ונוס גם בשלב הבלימה האווירית.

מדעני האטמוספירה מתלהבים מהאפשרות לקבל מבט מקרוב על האטמוספרה העליונה של כוכב הלכת, שנחקרת לעתים רחוקות. קשה ללמוד את האטמוספירה העליונה, על פי מדענית EnVision Gabriella Gilli מה- Instituto de Astrofísica de Andalucía בספרד, מכיוון שהוא כל כך דק בהשוואה לתחתית הצפופה אַטמוֹספֵרָה. "קשה למדוד עם מכשירי חישה מרחוק. אין לנו מספיק דיוק למכשירים כדי למדוד צפיפות כה קטנה", הסביר גילי.

זו הסיבה שתמרון בלימה אווירית מציע הזדמנות מדעית כל כך ייחודית. על ידי לקיחת מדידות של גורמים כמו צפיפות וטמפרטורה במהלך התמרונים, מדענים יכולים לבנות תמונה מקיפה יותר של האזור העליון של האטמוספירה.

"אנחנו באמת רוצים לדעת מה מצב האטמוספירה בכל חלק של כדור הארץ", אמר גילי. אבל נכון לעכשיו, הנתונים המוגבלים שיש לנו מנוגה מוגבלים לתצפיות מאוד מקומיות. ישנם גם הבדלים עצומים בין האופן שבו האווירה מתנהגת במהלך היום לעומת במהלך הלילה, שאנו רק מתחילים להבין.

אם מדענים יכולים לקבל נתונים על האטמוספרה העליונה בשלב זה, הם יכולים להשוות אותם לנתונים ממשימות אחרות כמו DaVinci כדי לנסות לחבר את מה שקורה באטמוספירה כולה, ולא רק באחד מקום.

התאמה לתנאים

עם זאת, התצפיות שנאספו במהלך שלב הבלימה האווירית לא יהיו בעלות עניין מדעי בלבד. הם גם יוחזרו לצוות החללית, שיוכל להתאים את אופן התמרונים מתוכנן אם, נניח, יתברר שהצפיפות בחלק אחד של האטמוספירה שונה ממה שהיה צָפוּי.

"אטמוספירת ונוס משתנה מאוד", הסביר גילי, כלומר הטמפרטורה והצפיפות שלה משתנות בדרכים מורכבות. "והשונות גבוהה עוד יותר בחלק העליון של האטמוספירה."

זה אומר שהתחזיות המצומצמות שיש לנו לגבי מה לצפות עשויות להזדקק להתאמה ניכרת ברגע שהחללית תגיע לנוגה. דוגמנות התנאים בהם תפגוש החללית תהיה "עבודה מתמשכת עד לשיגור", לדברי תומס וורין, מנהל מחקר EnVision.

וגם לאחר השיגור, התאמת תמרוני הבלימה האווירית היא תהליך איטרטיבי. לצוות המשימה יש מודלים של מה שהם יכולים לצפות למצוא, אבל "בטוח, המציאות תהיה אחרת", אמר וורין. התהליך כולו מתוכנן עם שוליים רחבים, כדי לאפשר סטיות אפשריות שונות מהתחזיות.

שלב עדין

הפעלת כל משימה בין-פלנטרית היא קשה, אבל בלימה אווירית בנוגה היא אתגר מיוחד. מסיבוב מהיר של חלקים מהאטמוספרה ועד להשפעות של פעילות השמש, עם רוחות מהירות ושונות גבוהה, יש הרבה גורמים שחלליות כמו EnVision יצטרכו להתמודד איתם עם.

"זהו שלב מאוד מאתגר. שלב מאוד עדין", אמרה גילי.

אבל אם זה יעבוד, זה יכול להדגים דרך חדשה ומשתלמת יותר להכניס חלליות למסלוליהן - וזה אומר שמשימות יכולות להיות שאפתניות יותר במטרות המדע שלהן מבלי להיות יותר יָקָר.

התהליך ארוך, וידרוש סבלנות מהחוקרים ומהציבור, אבל יש לו פוטנציאל לשנות את הדרך בה אנו עושים מדע פלנטרי בנוגה.

"זה נראה דבר די מסובך. אתה חושב, ובכן, למה שתעשה את זה? למה שתבזבז שנתיים בהמתנה למה שהוא די מסוכן? זה בגלל שזה באמת מאפשר את המשימה", אמר טייה. ויש בזה גם משהו מספק מטבעו. "זה פשוט מסודר, משתמש באטמוספירה עצמה כדי לאפשר לך להיכנס למסלול. זו דרך מסודרת לעשות את זה".

המלצות עורכים

• זו הסיבה שמדענים חושבים שהחיים אולי שגשגו על 'כוכב הגיהנום' נוגה
• ראה את הירח ואת צדק נעים בנקודות השיא של צפיית השמיים של מאי
• כיצד כיתת האסטרונאוטים של נאס"א בשנת 1978 שינתה את פני חקר החלל
• הפעילות הוולקנית של נוגה הותירה אותו עם מעטפת חיצונית רכה
• שתי חלליות עבדו יחד כדי ללמוד על השדה המגנטי של נוגה