Het wilde plan om een ​​beetje van de Venussfeer mee naar huis te nemen

Als je recent ruimtenieuws hebt gevolgd, heb je waarschijnlijk gehoord van Mars Sample Return - het ambitieuze plan van NASA om monsters van Mars-rotsen te verzamelen en terug te brengen naar de aarde voor studie. Die missie staat gepland voor later dit decennium, maar het zal een jarenlang en extreem duur proces zijn om die monsters te verzamelen en terug te halen.

Maar Mars is niet de enige planeet op bezoekafstand. Waarom springen we niet naar onze andere planetaire buur, Venus, en verzamelen daar ook een monster?

Dat is precies wat wordt voorgesteld door een groep Venus-onderzoekers. We spraken met de leider van de voorstelgroep voor meer informatie.

Een oud idee waarvoor de tijd is gekomen

Wetenschappers discussiëren al tientallen jaren over de verdiensten van het proberen een monster van Venus te bemachtigen, met missieconcepten die al in de jaren tachtig zijn bestudeerd. Hoewel Mars de afgelopen jaren de planeet is die de meeste aandacht heeft gekregen, is er grote belangstelling voor de planetaire wetenschap gemeenschap om meer over Venus te leren, vooral omdat het ons zou kunnen helpen meer te begrijpen over andere planeten buiten onze zonne-energie systeem.

Nu zou dat kunnen veranderen, nu NASA van start gaat decennium van Venus met een paar missies die daar zullen bezoeken, samen met een missie van de European Space Agency, allemaal gepland voor het komende decennium.

Eerdere Venus-voorbeeldmissies kwamen om een ​​paar redenen nooit van de grond: de focus op Mars voorbij Venus, het gebrek aan technologie om zo'n complexe operatie mogelijk te maken, en de essentiële ongastvrijheid van Venus. Venus is heet, met een extreem dichte atmosfeer, waardoor een zeer moeilijke omgeving ontstaat voor elektronica om in te werken.

Proberen naar Venus te vliegen, een sonde naar de oppervlakte te sturen, een monster te verzamelen, dat monster weer in een baan om de aarde te brengen, en het dan terugsturen naar de aarde zou zowel onbetaalbaar zijn als veel technologie vereisen ontwikkelingen.

Daarom heeft een groep Franse onderzoekers een andere aanpak. In plaats van te proberen een stukje van het oppervlak van Venus te verzamelen, zouden we moeten proberen een deel van de atmosfeer te pakken. De Venus Atmospheric Sample Return-missie of VATMOS-SR is een missieconcept van een groep van het Paris Institute of Planetary Physics, die steun proberen te krijgen voor hun idee.

Het grote voordeel van deze aanpak is de relatieve eenvoud. Het is niet nodig om iets op het oppervlak te laten landen of terug te keren naar een baan om de aarde. In plaats daarvan zou je een ruimtevaartuig op een pad van de aarde naar Venus kunnen sturen, waar het de atmosfeer zou binnendringen en flessen zou vullen met ongeveer vier liter gas. Dan zou het blijven reizen, regelrecht terug naar de aarde.

Het ruimtevaartuig zou geen instrumenten hebben en geen metingen uitvoeren. Het zou gewoon een verzamelwagen zijn. Dat maakt het veiliger, makkelijker en goedkoper, legt hoofdonderzoeker Guillaume Avice uit aan Digital Trends.

"Je scheert gewoon door de atmosfeer op een ballistische baan," zei Avice. "Dus het duurt maar een jaar om daarheen te gaan, je monster te nemen en terug te keren naar de aarde."

Plannen voor de lange termijn

Tegenwoordig houden planetaire wetenschappelijke missies meestal in dat instrumenten (zoals die op de Mars-rovers) naar een locatie worden gestuurd en daar metingen worden uitgevoerd. Deze benadering pleit ervoor om materiaal te verzamelen en in plaats daarvan terug te brengen naar de aarde, waar we veel capabelere en gevarieerdere instrumenten hebben om mee te onderzoeken.

En met een kostbaar monster van een andere planeet kom je een heel eind. Een monster van enkele liters gas kan wetenschappers jaren bezig houden.

"Wat echt cool is, is dat je veel gas krijgt en dat je het kunt meten, niet voor altijd, maar voor een lange tijd op aarde", legt Avice uit. “Als je erover nadenkt, kun je een klein beetje van dat monster bewaren. Misschien hebben we over tien jaar een nieuwe spectrometer op aarde die nuttig zal zijn voor dit monster.”

Deze planning voor de toekomst is logisch als je kijkt naar hoe NASA de maanmonsters heeft benaderd die zijn verzameld tijdens de Apollo-missies naar de maan. Sommige monsters werden geanalyseerd zodra ze naar de aarde waren teruggekeerd, maar andere werden opgeslagen op de basis dat toekomstige technologie het mogelijk zou maken om ze op een nieuwe diepte te analyseren. En die langetermijnaanpak heeft zijn vruchten afgeworpen, met een steekproef van 50 jaar oud pas vorig jaar geopend en onthullende informatie over de geologie en geschiedenis van de maan.

Als we een soortgelijk monster van de atmosfeer van Venus zouden kunnen nemen, zou veel ervan ook voor de lange termijn kunnen worden opgeslagen. En onderzoekers zouden baat hebben bij zelfs maar een handvol atomen van een gasmonster, dus een monster van enkele liters zou genoeg zijn om onderzoeksmateriaal te leveren voor de hele Venusgemeenschap.

Een aanstaande missie naar Venus genaamd Davinci is van plan soortgelijke metingen van de atmosfeer uit te voeren, maar in dit geval is er een real-time crunch. De missie omvat het laten vallen van een monsterbol door de atmosfeer, dus monsters moeten binnen een uur worden genomen en verwerkt.

Dit heeft problemen veroorzaakt met eerdere Venus-missies in eerdere decennia, wat resulteerde in onleesbare bevindingen, waarschijnlijk als gevolg van onjuiste kalibraties of verstopte ventilatieopeningen. Ingenieurs doen hun best om te anticiperen op mogelijke problemen met bemonstering, maar dat is moeilijk te doen als er zoveel onbekenden zijn over de omgeving die een missie binnenkomt.

Als een monster echter naar de aarde wordt teruggebracht, is er voldoende tijd voor het kalibreren van instrumenten en het dubbel controleren van de resultaten, waardoor de bevindingen betrouwbaarder worden.

Er zijn enkele complicaties bij het nemen van een monster bij zeer hoge snelheden. Er vindt een proces plaats dat fractionering wordt genoemd en dat een monster in verschillende delen kan splitsen wanneer het zo snel wordt verzameld, maar het zou mogelijk moeten zijn om daarvoor te corrigeren.

Hoe de atmosferische bemonsteringsmissie zou werken

Er zijn echter goede redenen dat niemand eerder een Venus-monsterretourmissie heeft geprobeerd. Omdat het niet gemakkelijk is.

De voor de hand liggende parallel met een Venus-monsterretourmissie zou de Mars Sample Return-missie zijn, een aanstaande joint venture tussen NASA en de European Space Agency die laat van start gaat jaren 2020. Dit plan om een ​​monster van Mars te verzamelen, omvat meerdere rovers, landers of helikopters, is tientallen jaren in de maak en heeft een ballonvaartbudget dat zelfs fervente Mars-enthousiastelingen aanspreekt.

En Venus is zelfs nog onherbergzamer dan Mars, met zijn dikke atmosfeer, wolken zwavelzuur en druk vergelijkbaar met de diepten van de oceaan. Een poging om een ​​monster van het oppervlak van Venus terug te brengen, zou een 'nachtmerrie' zijn, zei Avice, en 'waarschijnlijk zelfs duurder dan op Mars'.

Daarom stelt de groep van Avice voor om in plaats daarvan een monster uit de atmosfeer van de planeet te halen. "Het is supergoedkoop", zei hij relatief gezien: de groep schat de kosten van zo'n missie op 100 miljoen euro ($ 110 miljoen), vergeleken met de $ 8 tot $ 9 miljard huidige schattingen voor Mars Sample Return.

Zelfs met het relatieve gemak van een atmosferisch monster is echter geen enkel oud stukje atmosfeer voldoende. Op zeer grote hoogte is de atmosfeer extreem dun en worden sommige moleculen door de zwaartekracht gescheiden. Dus om een ​​representatief monster te krijgen, moet je onder een niveau gaan dat de homopauze wordt genoemd, waaronder de atmosfeer voldoende gemengd is om alle verschillende aanwezige moleculen te bevatten.

Op Venus is de homopauze ongeveer 110 km (70 mijl) van het oppervlak, dus de missie moet onder dat niveau reiken. Maar hoe dieper je gaat, hoe moeilijker de missie wordt. "Dus het doel is om net onder de homopauze te zitten, met enige veiligheidsmarge", zei Avice. "Als we dieper gaan, wordt het veel uitdagender en duurder."

De uitdagingen

Zelfs gewoon door de atmosfeer van de planeet komen is echter moeilijk. Een grote uitdaging is het beschermen van het ruimtevaartuig tegen de enorme hitte die ontstaat door wrijving in de atmosfeer.

Ruimtevaartuigen die de atmosfeer van een planeet binnengaan - of dat nu een bezoek aan een andere planeet zoals Mars is of een ruimtevaartuig dat terugkeert naar de aarde door de atmosfeer van onze eigen planeet - hebben een dik hitteschild dat de delicate componenten binnenin beschermt tegen de zeer hoge temperaturen.

Als je bijvoorbeeld een rover naar Mars wilt brengen, moet je de rover in een hitteschild wikkelen en het hele ding verzegelen — rover en hitteschild samen, samen met stuwraketten en andere ruimtevaartuigonderdelen - in de neuskegel van een raket voor lancering. Eenmaal in de ruimte wordt het ruimtevaartuig ingezet en reist naar Mars, waarna het hitteschild de rover beschermt terwijl deze door de atmosfeer gaat om te landen.

Voor een atmosferische monstermissie zou je echter één hitteschild nodig hebben om twee keer te werken - zowel tijdens de bemonstering op Venus als opnieuw wanneer het monster naar de aarde wordt teruggebracht. Het is niet duidelijk of de huidige hitteschildtechnologie de taak zou hebben om een ​​ruimtevaartuig door twee van dergelijke blootstellingen te beschermen.

Een hitteschild twee keer laten werken is "iets waarvan we niet echt weten hoe het moet", zei Avice. En het kan jaren van ontwikkeling vergen om te werken, als het al mogelijk is.

Wat te doen met het monster als het eenmaal terug op aarde is

Een andere uitdaging is verrassend. Je zou kunnen denken dat het verzamelen van een monster het moeilijkste is, en dat het gemakkelijk zou zijn om het te analyseren zodra het terug op aarde is. Maar het blijkt dat het werken met gasmonsters moeilijker is dan je zou denken.

De atmosfeer van Venus zit vol met stoffen die gemakkelijk verdampen, vluchtige stoffen genoemd. Deze omvatten edelgassen en verbindingen zoals stikstof, waterstof, koolstof en zwavel. Het bestuderen van deze is de sleutel tot het begrijpen van de atmosfeer van Venus, maar ze zijn niet gemakkelijk te vervoeren of te bestuderen.

Om een ​​vluchtige stof goed op te vangen in een monsterfles, heb je een zeer goede klep nodig - beide zodat geen van de monster ontsnapt, en zodat geen van de gassen uit andere omgevingen zoals de atmosfeer van de aarde naar binnen lekt. Dit was een probleem voor de Hayabusa2-missie die erin slaagde een monster van een asteroïde terug te sturen, maar dat wel deed een lek in de atmosfeer van de aarde waarschijnlijk veroorzaakt door de schok van de parachute-inzet tijdens zijn terugkeer naar de aarde.

Zelfs als het monster volledig ongerept terugkeert naar de aarde, zonder enige lekken, moet je nog steeds snel zijn om het monster uit de fles over te brengen naar een veiligere container. Zelfs de nauwste ventielen zullen in de loop van maanden een beetje lekken, dus je hebt een systeem van meerdere nodig containers die alles kunnen opvangen wat uit het monster lekt en zoveel mogelijk bewaren mogelijk.

Onderzoekers ontwikkelen zich vacuümsystemen om gassen te extraheren en te analyseren, inclusief die gebruikt voor het Hayabusa2-monster, maar dit is nog steeds een nieuw technologiegebied dat moet worden ontwikkeld om een ​​missie voor het terugsturen van atmosferische monsters volledig effectief te laten zijn.

De toekomst van planetaire wetenschap: in situ vs. voorbeeld retour

De atmosferische bemonsteringsmissie bevindt zich nog steeds stevig in de conceptfase en de groep hoopt deze op te pakken in de volgende ronde van voorstellen voor de European Space Agency of misschien NASA.

Het is een ambitieus plan, maar het is niet zo'n bizar concept als een paar jaar geleden. "Tientallen jaren geleden was het retourneren van monsters slechts een droom en niet echt serieus", zei Avice, maar nu met vorige missies zoals Hayabusa2 en aankomende missies zoals Mars Sample Return, het wordt een reële mogelijkheid.

En er is het potentieel om aan te tonen dat monsterretour relatief snel en goedkoop kan, vanwege de trajecten die mogelijk zijn tussen de aarde en Venus en omdat een ruimtevaartuig niet hoeft te vertragen, naar de oppervlakte te komen en weer in een baan om de aarde te komen voordat het terugkeert naar Aarde.

De missie kan mogelijk een snelle heen en weer zweep zijn, waarbij binnen een jaar een monster wordt geretourneerd.

"Wat echt cool is, is dat we een atmosfeermonster van Venus zouden krijgen voordat we monsters van Mars krijgen", zei Avice. "Dus dat zou het eerste monster van een andere planeet zijn."

Aanbevelingen van de redactie

• Dit is waarom wetenschappers denken dat het leven gedijt op de 'helplaneet' Venus
• Binnen in de Vera C. Rubin Observatory, de thuisbasis van 's werelds grootste digitale camera
• Rocket Lab is van plan om de eerste privémissie naar Venus te sturen
• MIT-onderzoekers werken plannen uit voor privémissies om te zoeken naar leven op Venus
• NASA-video laat je zien hoe het is om door de atmosfeer van Venus te duiken