Kā NASA jaunā zonde izdzīvos Veneras elles ainavā

Tā kā tas ir mūsu tuvākais kaimiņš, jūs varētu iedomāties, ka mums ir pilnīga izpratne par planētu Venēru. Bet jūs kļūdāties. NASA nav apmeklējusi planētu vairāk nekā 30 gadus, un par šo vietu ir tik daudz, ka mēs tik tikko saprast, no tās ģeoloģiskās vēstures līdz kāda veida ieži atrodas uz tās virsmas, ka liela daļa tās vide ir būtībā noslēpums.

Zinātnieki domā, ka tā bija Venēra kādreiz kā Zeme, taču tie abi kādā evolūcijas brīdī atšķīrās, kļuvuši par ļoti atšķirīgām vietām, kādas tās atrodas šodien. Mēs zinām, ka Venērai ir bieza atmosfēra, kas uztur siltumu un padara to par karstāko planētu Saules sistēmā. Un mēs zinām, ka tās virsmu klāj kalni, plaisas un vulkāni, lai gan mēs nezinām, vai tie joprojām ir aktīvi.

Viens no iemesliem, kāpēc par Veneru joprojām nav zināms, ir tas, ka tās biezā atmosfēra slēpj lielāko daļu no tās reljefa, un ir grūti palūkoties cauri mākoņu slāņiem, lai redzētu, kas atrodas zem tās. Vēl viens iemesls ir tas, ka tā ir atvēsinoši neviesmīlīga vieta. Starp cepšanas temperatūru un biezo, ar skābi piepildīto atmosfēru nekas cilvēka radīts uz tās virsmas nav saglabājies ilgāk par dažām minūtēm.

Bet, ja mēs vēlamies uzzināt vairāk par šo noslēpumaino blakus esošo planētu, mums tā ir jāapmeklē. Un tieši to plāno darīt NASA DAVINCI misija, izlaižot zondi cauri atmosfērai, lai nolasītu rādījumus līdz galam, kad tā nokrīt virspusē. Misija, kas būs viena no misiju trio uz Venēru nākamajā desmitgadē, ir plānots palaist 2029. gadā un ierasties uz Venēru, lai tā strauji pazeminātos caur atmosfēru 2031. gadā.

Lai uzzinātu, kā izveidot zondi, lai izturētu šo ellišķo vidi, un ko mēs no tās varētu mācīties, mēs runājām ar diviem DAVINCI komandas locekļi: Džims Garvins, misijas galvenais pētnieks un Maiks Sekeraks, sistēmu projekts inženieris.

Kas notiek ar Venēras atmosfēru?

Venera ir planētu zinātnes robeža, par kuru ir ļoti maz zināms, ņemot vērā to, cik relatīvi tā mums atrodas. Īpaši intriģējošs jautājums ir tas, kas notiek zem augšējā mākoņu slāņa.

“Atmosfēras raksturojums no mākoņu virsotnes līdz virsmai – šis liels, masīvs Atmosfēra, kuras masas 75% atrodas zemākajos 15 līdz 20 kilometros, ir gandrīz neizpētīta," Gārvins. teica.

Zondes, kas tika nosūtītas uz Venēru 1960. un 1970. gados, mēģināja ievākt datus par atmosfēru, un tiem bija zināmi panākumi. Taču iepriekšējie atmosfēras mērījumi ir bijuši neuzticami, jo iepriekšējās zondēs radušās fiziskas problēmas, piemēram, aizsērējušas ieplūdes atveres un ierobežotās pieejamās tehnoloģijas. Tas noveda pie dažiem kodificētiem rādījumiem, par kuriem Garvins saka: "Daži no tiem nav jēgas."

Jo īpaši zemākā atmosfēra daudzējādā ziņā ir noslēpums. Tas varētu būt superkritisks šķidrums, kurā temperatūra un spiediens ir tik liels, ka tas slīd apkārt kā šķidrums. Ir arī jautājums par to, kā planētas virsmas ieži mijiedarbojas ar atmosfēru.

Un atmosfēras un virsmas izpēte varētu palīdzēt atbildēt uz vienu no lielākajiem jautājumiem, kas mums ir par Veneru: vai kādreiz uz tās virsmas bija šķidri ūdens okeāni, un, ja jā, kas ar tiem notika?

Divi lieli izaicinājumi

Venera nav piemērota vieta zondei: tā ir divreiz karstāka par krāsni, un uz virsmas ir lielāks spiediens, nekā atrodoties zem kilometra okeāna.

"Tehniskie izaicinājumi, kas mums šeit ir, ir diezgan aizraujoši," sacīja Sekeraks. Lielākā problēma jebkurai potenciālajai misijai uz Venēru ir karstums, jo virsmas temperatūra var sasniegt pat 900 grādus pēc Fārenheita (475 grādi pēc Celsija). Tas ir pietiekami karsts, lai izkausētu svinu, un tas rada postījumus elektronikā.

Tomēr tā ir tikai viena daļa no vides izaicinājuma. "Tomēr spiediens daudz neatpaliek no grūtībām," sacīja Sekeraks. Spiediens uz virsmas ir aptuveni 95 bāri jeb gandrīz 100 reizes lielāks par atmosfēras spiedienu uz Zemes virsmas, tāpēc zondes projektēšana šāda veida videi ir līdzīga a celtniecībai zemūdene.

Kad tas tiks nomests atmosfērā, DAVINCI sacentīsies ar laiku, lai savāktu visu nepieciešamo informāciju, pirms karstums un spiediens iznīcinās tā sastāvdaļas. Lai zonde būtu aktīva pēc iespējas ilgāk, tā ir sfēriska un pārklāta ar biezu titāna apvalku, lai izturētu spiedienu un izolētu pret karstumu. Tad šajā apvalkā ir vairāk izolācijas, kas izgatavota no īpašiem materiāliem, tostarp astrokvarca, šķiedras veida, kas izgatavota no kausēta kvarca.

Interjers ir veidots tā, lai sastāvdaļas būtu termiski izolētas arī no ārpuses, lai novērstu siltuma pārnesi no korpusa. Pēc tam tas ir piepildīts ar oglekļa dioksīda gāzi, lai aizsargātu augstsprieguma elektroniku no dzirksteļošanas un novērstu jebkādu Zemes gāzu noplūdi palaišanas laikā.

Kopumā zondei, ko komanda sauc par nolaišanās sfēru, ir aptuveni viens metrs. Tas tiks atbrīvots no orbītas ar izpletni, lai palēninātu tā nolaišanos, lai gan atmosfēra palīdz ar šo, jo tas ir tik biezs, ka tas vairāk atgādina zondes izmešanu caur ūdeni, nevis caur gaisu.

Kopumā zondei būs nepieciešamas 63 minūtes, lai sasniegtu virsmu, un šīs stundas laikā tā savāks tik daudz datu, cik vien iespējams, pirms to neizbēgami iznīcinās brutālā vide.

Izlases ņemšana līdz galam

Nolaišanās sfēra krīt cauri atmosfērai un ņems paraugus līdz galam, lai izveidotu atmosfēras attēlu no augšas uz leju.

Sfēras iekšpusē būs tādi instrumenti kā spektrometri, līdzīgi instrumentiem uz Marsa roveriem Curiosity un Neatlaidība, kas var izmērīt paraugu ķīmisko sastāvu, aplūkojot to gaismas viļņu garumus absorbēt. Taču atšķirībā no Marsa roveriem, kuru parauga savākšanai un rūpīgai analīzei var paiet stundas vai dienas, DAVINCI paraugu ņemšana un analīze būs jāveic dažu minūšu laikā.

Dažādos sfēras punktos ir ieplūdes vārsti ar keramikas vākiem, kas nolūst, lai uzņemtu gāzes. Šīs gāzes ir ļoti ātri jāanalizē un pēc tam jāizlaiž, lai varētu ņemt vairāk paraugu. Tas ļaus zondei iegūt visdetalizētāko atmosfēras ķīmijas skatījumu visos tās slāņos.

Kamēr tas notiek, citi zondes sensori mērīs tādus faktorus kā temperatūra un spiediens, lai palīdzētu izprast atmosfēras struktūru. Tad visi šie dati tiks nosūtīti atpakaļ uz orbītu, pirms zonde nokļūst virspusē.

Zonde ir paredzēta tikai paraugu ņemšanai atmosfērā, nevis nolaišanai. Bet, kad tas pieskaras virsmai, pastāv iespēja, ka tas izdzīvos. Biezā atmosfēra un izpletnis palīdzēs palēnināt tā nolaišanos, taču "tas noteikti sasniegs ātrumu, kas ir mazāk nekā ideāls kosmosa lidojumu aparatūrai," smejoties sacīja Sekeraks.

Ja zonde tomēr izturēs nosēšanos, datu apkopošana var ilgt līdz 20 minūtēm, pirms karstums izsūcas cauri sfērai un apcep elektroniku. Un tie būs vēl vairāk papildu datu par virsmas temperatūru un spiedienu, kā arī esošajām gāzēm.

Izpratne par atmosfēras ķīmiju ir tikai viena daļa no DAVINCI mērķiem. Otra daļa, kas varētu būt visvairāk aizraujoša sabiedrībai, ir noslēpumainās Venēras virsmas fotografēšana.

Venera cilvēka mērogā

Zonde nolaidīsies "Venēras kalnos, tādā apvidū, kādu cilvēce vēl nekad nav redzējusi", sacīja Garvins. Un komanda vēlas šo pieredzi ierakstīt gan vizuāli, gan ķīmiski.

Nolaišanās sfērā būs arī kamera, kas uzņems augstas kontrasta virsmas attēlus, kurus pēc tam var izveidot 3D kartēs.

Tomēr, lai kamera darbotos no metāla sfēras iekšpuses, ir nepieciešams logs. Un stikls nav lielisks materiāls darbam ar intensīvu augstspiediena vidi. Tāpēc DAVINCI logs būs izgatavots nevis no stikla, bet no safīra.

"Tas burtiski ir ļoti, ļoti liels safīra gabals," sacīja Sekeraks. "Tā kā tam ir lieliskas optiskās īpašības." Tas ir ļoti spēcīgs, bet arī ļoti skaidrs, tāpēc tas neizkropļo attēlus, kas uzņemti caur to. Taču neizbēgami logs, kas ielaiž gaismu, arī ielaidīs vairāk siltuma, tāpēc inženieri ap logu komplektu pievienoja fāzes maiņas materiālus. Šis materiāls kūst noteiktā temperatūrā, lai absorbētu lieko siltumu no loga.

Tas ļaus kamerai uzņemt skaidrus, asus attēlus nolaišanās laikā. Tie tiks izmantoti, lai fotografētu Veneras reljefu no augstuma un līdz pašai virsmai.

"Mūsu galīgajiem attēliem būs 10 centimetru izšķirtspēja," sacīja Garvins. "Tas ir mērogs, ko jūs redzētu, skatoties pāri savai viesistabai."

Garvins cer, ka ne tikai piedāvās daudz zinātnisku datu, bet arī šāda mēroga attēlu uzņemšana palīdziet sabiedrībai justies tā, it kā viņi redz Venēru kā īstu vietu, nevis tikai punktu, no kura var novērot tālu.

"Mēs vēlamies ienest cilvēka redzi un mūsu maņu uztveri uz Venēru," viņš teica. "Mēs sāksim sajust Venēru cilvēka mērogā."

Pārbaude nezināmajam

Īstā sarežģītā misijas uz Venēru daļa nav pat tikt galā ar problēmām, par kurām mēs zinām, piemēram, temperatūru un spiedienu. Tas mēģina paredzēt, kādas problēmas varētu rasties no vides, par kuru mums ir tik maz informācijas.

Tāpēc testēšana un sagatavošanās būs liela daļa no tā, ko DAVINCI komanda darīs nākamos septiņus gadus, gatavojoties 2029. gadā paredzētajai palaišanai.

"Mēs veicam sliktākā gadījuma testēšanu," paskaidroja Sekeraks. "Tāpēc mēs pārbaudām, kāda varētu būt vissliktākā vide."

Piemēram, pētnieki zina, ka Veneras mākoņos ir sērskābes pilieni – un sērskābe ēd cauri materiāliem. Īpaši tas attiecas uz Kevlar štropi, kas piestiprinās nolaišanās sfēru pie izpletņa. Tāpēc, lai pārbaudītu, vai štrope var izturēt skābu vidi, inženieri to ne tikai suspendē dažos skābes pilienos – tie pārklāj visu virsmu. skābē, pēc tam pārbaudiet štropes vilkšanas spēku, lai pārliecinātos, ka tā spēj izdzīvot pietiekami ilgi, lai izvadītu zondi cauri atmosfērai pat vissliktākajā iespējamajā gadījumā lietu.

Attiecībā uz aparatūras testēšanu vidēs, kas atšķiras no Zemes, jums ir jābūt radošam. Lai redzētu, cik ilgā laikā metāla sfēra uzsilst, komanda to nogādāja metāla lietuvē. "Viņu uzdevums ir kausēt metālu," sacīja Sekeraks. "Un mēs tur ievietojām savus instrumentus, lai praktizētu to sasildīt un izmērīt siltuma plūsmu."

Ideja ir iekļaut pietiekami daudz rezervju katrā kritiskajā sistēmā, lai ļautu jebkādiem nezināmiem faktoriem, ko planēta varētu mest sfērā. Garvins paskaidroja: "Mēs esam ieviesuši daudz inženiertehnisku domu un riska samazināšanu, lai to izdarītu."

Tas pat ietekmē datu vākšanas veidu. "Ja mums būs laba diena uz Venēras, mēs, iespējams, saņemsim 500 nolaišanās attēlus," viņš teica. "Ja mums būs absolūti sliktākā diena, kāda cilvēcei zināma, mēs, iespējams, atgūsim 35 gadus. Bet 35 ir daudz vairāk, nekā mums ir nepieciešams šāda veida kartēšanai. Protams, vairāk attēlu nozīmē vairāk informācijas, un tas ir vēlams, jo tas ļauj iegūt vairāk zinātnes. Bet pat vissliktākajos apstākļos viņi uzzinās nenovērtējamu informāciju.

Vienmēr kaut kas jauns jāiemācās

Venēras apmeklējums ir milzīgs izaicinājums, pat ievērojot lielo kosmosa misiju ambiciozos standartus. Bet potenciālā atdeve no tā, ko mēs varam mācīties, ir milzīga.

Mācības par Venēru būs aizraujošas pašas par sevi. Bet tas ir svarīgi arī mūsu izpratnei par eksoplanētām. Tā kā tādas misijas kā Džeimsa Veba kosmiskais teleskops atklāj un pēta jaunas planētas ārpus mūsu Saules sistēmas, mums būs nepieciešams atskaites punkts akmeņainām planētām, piemēram, Zemei, Marsam un Venērai.

Mums ir diezgan laba izpratne par Zemes un Marsa būtiskām īpašībām, un, pievienojot datus no Venēras, mēs varēsim daudz labāk izprast attālās planētas.

"Venēra kļūs par kalibrēšanas punktu lielām, akmeņainām planētām, kas nes atmosfēru ko mēs varēsim redzēt un saprast ar Vebu un lielajiem teleskopiem, kas sniedzas tālāk, ”Garvins teica.

Un, protams, ir viscilvēciskākie instinkti — mācīties un izpētīt un ceļot uz jaunām vietām. "Tas ir viens no iemesliem, kāpēc man patīk strādāt pie šīm kosmosa izpētes misijām — mēs dosimies uz vietu, par kuru mēs neko daudz nezinām," sacīja Sekeraks.

Mēs esam daudz iemācījušies par būvniecību Zemes un Marsa vidē, un tagad mēs varam iegūt daļu no šīm zināšanām un izmantot kaut kur citā vietā. Veidojot šo vidi, mūsu tehnoloģija tiks paplašināta, un, apmeklējot to ar zondi, var sākt atklāt dažus tās noslēpumus. Kā teica Sekeraks, apmeklējot jaunu kosmosa vidi, "vienmēr ir kaut kas jauns, ko varat uzzināt."

Redaktoru ieteikumi

• Iekšā trakais plāns, lai iegūtu un atnestu mājās mazliet Venēras atmosfēru
• Kā noskatīties, kā NASA privātā misija ierodas kosmosa stacijā
• Kā NASA astronautu klase 1978. gadā mainīja kosmosa izpētes seju
• Kā skatīties, kā NASA atklāj savu nākamās paaudzes skafandru
• Venera, Jupiters un Cerera ir iekļauti NASA debesu vērošanas padomos martam