Het decennium van Venus staat voor de deur. Met drie aankomende Venus-missies gepland door NASA en de European Space Agency (ESA), staan we op het punt meer te leren over onze naburige planeet dan ooit tevoren.
Inhoud
- Vertragen met behulp van de atmosfeer
- Een marathon van 15 maanden
- De barre omgeving van Venus
- Venusbestendige materialen vinden
- Wetenschappelijke gegevens gratis
- Aanpassen aan de omstandigheden
- Een delicate fase
Maar we zullen niet alleen leren over planetaire wetenschap. Deze keer leren we ook hoe we een ruimtevaartuig in een buitenaardse atmosfeer kunnen besturen, dankzij twee missies — die van ESA Zich voorstellen en NASA's VERITAS - die een nieuwe techniek gaan gebruiken, aerobraking genaamd, om hun ruimtevaartuigen in de juiste baan te krijgen zodat ze hun wetenschap kunnen doen.
Aanbevolen video's
We spraken met ingenieurs en wetenschappers van de EnVision-missie om erachter te komen hoe ze van plan zijn het voor elkaar te krijgen - en wat ze ervan kunnen leren.
Verwant
- Binnen het gekke plan om een beetje van de Venus-sfeer op te scheppen en mee naar huis te nemen
- Lancering van Europa's Jupiter Icy Moons Explorer vertraagd met 24 uur
- Venus, Jupiter en Ceres komen voor in NASA's skywatching-tips voor maart
Vertragen met behulp van de atmosfeer
Normaal vertraag je een ruimtevaartuig op dezelfde manier als je het versnelt: door brandstof te verbranden. Chemische voortstuwing is een geweldige manier om heel snel veel kracht te produceren, en het is wat je nodig hebt om zowel vanaf je oorsprong te lanceren als om op je bestemming in een baan om de aarde te komen.
Brandstof is echter ook erg zwaar. En gewicht is geld als het gaat om raketlanceringen. Hoe meer brandstof een ruimtevaartuig aan boord heeft, hoe duurder het zal zijn om te lanceren en hoe minder ruimte er zal zijn voor wetenschappelijke instrumenten.
Dus in de afgelopen decennia hebben ruimtevaartingenieurs een efficiëntere manier ontwikkeld om een ruimtevaartuig te vertragen. In plaats van brandstof te verbranden, maakt deze nieuwe methode gebruik van de sfeer die heerst op de meeste locaties die we zouden willen bezoeken. Het ruimtevaartuig nadert de bovenranden van de atmosfeer en duikt erin, waar wrijving het met een kleine hoeveelheid zal vertragen. Dan trekt het ruimtevaartuig weer omhoog voordat het weer naar binnen duikt, waarbij het geleidelijk vertraagt over meerdere dalen en zijn baan in de loop van de tijd verlaagt.
Deze methode, aerobraking genaamd, is gebruikt door ruimtevaartuigen op Mars en er is zelfs mee geëxperimenteerd voor ruimtevaartuigen die terugkeren naar de aarde. Maar nu willen missieteams de techniek ook gebruiken voor twee van de komende Venus-missies.
Een aantal eerdere Venus-ruimtevaartuigen, zoals Magellan en Venus Express, hebben aan het eind van 2018 aerobraking gebruikt hun missies, toen hun belangrijkste wetenschappelijke werk was gedaan en de teams wilden experimenteren met de techniek. Maar EnVision en VERITAS zullen de eerste ruimtevaartuigen zijn die aerobraking gebruiken aan het begin van hun missies om in de juiste baan te komen.
Een marathon van 15 maanden
Wanneer EnVision bij Venus aankomt, zal het in een baan om de aarde draaien op een hoogte van 240.000 mijl. En het moet helemaal tot 300 mijl boven het oppervlak komen om de metingen te krijgen die het team wil. Om dit te doen, zal het gedurende een periode van 15 maanden tot twee jaar duizenden keren in de atmosfeer duiken en geleidelijk in de juiste baan komen.
Dit vereist nauwgezette planning, maar vereist ook gedetailleerde kennis van atmosferische omstandigheden om te voorspellen hoe de manoeuvres het ruimtevaartuig zullen beïnvloeden. De grootste factoren die aerobraking beïnvloeden, zijn de temperatuur, dichtheid en windsnelheden, die allemaal aanzienlijk variëren in verschillende delen van de Venusiaanse atmosfeer.
Dat maakt aerobraking bij Venus veel ingewikkelder dan aerobraking bij bijvoorbeeld Mars. Venus heeft een veel hogere zwaartekracht dan Mars, wat betekent dat het ruimtevaartuig veel hogere snelheden zal ervaren wanneer het door de atmosfeer gaat. Daarom duurt het proces zo lang.
De barre omgeving van Venus
Een andere uitdaging is dat Venus een diep onherbergzame plek, en dat geldt ook voor de atmosfeer. Venus staat dichter bij de zon dan de aarde, dus het ontvangt aanzienlijke hitte en zonnestraling die het ruimtevaartuig moet kunnen weerstaan. En terwijl het ruimtevaartuig in de atmosfeer valt voor aerobraking, zorgt de wrijving ervoor dat het vertraagt - maar dat veroorzaakt ook opwarming.
De exacte temperaturen die het ruimtevaartuig zal ervaren, zullen afhangen van de definitieve ontwerpbeslissingen, maar het zal binnen de regio van "misschien 200 of 300 graden Celsius voor de hoogste temperatuur", Adrian Tighe, materiaalwetenschapper voor EnVision, gezegd. Er is ook de ultraviolette straling van de zon die het ruimtevaartuig zal moeten verwerken. "Het is nogal een ruwe omgeving voor de materialen."
De grootste bedreiging voor het ruimtevaartuig tijdens aerobraking is echter niet de hitte of de straling. Het is eerder een onderdeel van de bovenste atmosfeer, atomaire zuurstof. In tegenstelling tot de meeste zuurstofmoleculen op aarde, die zijn gemaakt van twee zuurstofatomen, is atomaire zuurstof gesplitst door straling van de zon en heeft dus slechts één zuurstofatoom. Dat betekent dat het zeer reactief is, dus het kan materialen wegvreten en aantasten.
Dat is slecht nieuws voor het ruimtevaartuig, dat de maandenlange aerobraking-fase moet overleven en vervolgens door moet kunnen gaan naar zijn wetenschappelijke missie. En het ruimtevaartuig zal letterlijk worden gebombardeerd door deze deeltjes, aangezien het met een hoge snelheid van ongeveer vijf mijl per seconde zal bewegen. "Het is een combinatie van een chemische reactie en de impactsnelheid" die het probleem zal veroorzaken, legde Tighe uit, met deeltjes die het ruimtevaartuig raken "als een snel bewegende kogel."
Venusbestendige materialen vinden
De atomaire zuurstof kan metalen oxideren, maar het is nog erger voor polymeren. Deze plasticachtige materialen, gemaakt van koolstof, waterstof en zuurstof, reageren met de atomaire zuurstof om verbindingen zoals kooldioxide te vormen die verdampen, zodat materiaal verloren gaat in de ruimte. Atomaire zuurstof kan ook reageren met verven, zoals witte verven die nodig zijn om warmte weg te reflecteren en die bruin kunnen worden en minder effectief worden, evenals met isolatiemateriaal dat meerlaags wordt genoemd isolatie.
De grootste zorg zijn de zonnepanelen van het ruimtevaartuig, omdat ze zo blootgesteld zijn. De zonnecellen zijn bedekt met glas, dat bestand is tegen atomaire zuurstof, maar deze zijn geplaatst in een substraat dat typisch is gemaakt van koolstofvezel, dat gevoelig is voor erosie. Een ander gevoelig onderdeel is de dunne folie die wordt gebruikt als isolatie tussen de cel en het paneel, kapton genaamd. En er is een dunne folie die de verschillende cellen verbindt, die soms van zilver is gemaakt - en dat is ook gevoelig. Dus de ingenieurs werken aan het kiezen van verschillende materialen of het vinden van manieren om de materialen te beschermen tegen blootstelling aan atomaire zuurstof.
Hoewel atomaire zuurstof niet veel op het aardoppervlak wordt gevonden, hebben we enig begrip van hoe ermee om te gaan, aangezien het in een baan om de aarde wordt aangetroffen. Satellieten zijn ontworpen om een bepaalde dichtheid van atomaire zuurstof te weerstaan, dus ingenieurs gebruiken vergelijkbare principes om het EnVision-ruimtevaartuig te ontwerpen om het resistent te maken. Maar de aardse omgeving kent niet zulke hoge temperaturen, dus de combinatie van atomaire zuurstof en hoge temperaturen is een nieuwe uitdaging.
"Dus moesten we de meest robuuste materialen gebruiken", zegt Tighe, wiens groep druk bezig is geweest met het testen van materialen zoals isolatie, verf en zonne-energie. paneelcomponenten om degenen te vinden die bestand zijn tegen 15 maanden van deze barre omgeving voordat ze zelfs maar aan hun hoofdmissie beginnen.
Wetenschappelijke gegevens gratis
De hoofdmissie van EnVision begint pas als de aerobraking-manoeuvres het ruimtevaartuig naar zijn uiteindelijke baan van tussen de 210 en 340 mijl hebben gebracht. Maar wetenschappers lieten nooit een kans om te leren voorbijgaan, dus werkt een onderzoeksteam aan wat ze tijdens de aerobraking-fase ook over Venus zouden kunnen leren.
Atmosferische wetenschappers zijn enthousiast over de mogelijkheid om de bovenste atmosfeer van de planeet van dichtbij te bekijken, die zelden wordt bestudeerd. Het bestuderen van de bovenste atmosfeer is moeilijk, volgens EnVision-wetenschapper Gabriella Gilli van de Instituto de Astrofísica de Andalucía in Spanje, omdat het zo dun is in vergelijking met de dichte lagere atmosfeer. “Het is lastig te meten met remote sensing instrumenten. We hebben niet genoeg nauwkeurigheid voor instrumenten om zo'n kleine dichtheid te meten', legt Gilli uit.
Daarom biedt de aerobraking-manoeuvre zo'n unieke wetenschappelijke kans. Door tijdens de manoeuvres factoren als dichtheid en temperatuur te meten, kunnen wetenschappers een beter beeld krijgen van het bovenste deel van de atmosfeer.
"We willen echt weten wat de toestand van de atmosfeer is in elk deel van de planeet," zei Gilli. Maar momenteel zijn de beperkte gegevens die we van Venus hebben beperkt tot zeer lokale waarnemingen. Er zijn ook grote verschillen tussen hoe de atmosfeer zich overdag gedraagt versus 's nachts, wat we nog maar net beginnen te begrijpen.
Als wetenschappers tijdens deze fase gegevens over de bovenste atmosfeer kunnen krijgen, kunnen ze deze vergelijken met gegevens van andere missies zoals DaVinci om te proberen samen te vatten wat er in de atmosfeer als geheel gebeurt, in plaats van slechts één plaats.
Aanpassen aan de omstandigheden
De waarnemingen die tijdens de aerobraking-fase zijn verzameld, zullen echter niet alleen van wetenschappelijk belang zijn. Ze zullen ook worden teruggekoppeld naar het ruimtevaartuigteam, dat de manier waarop de manoeuvres worden uitgevoerd, kan aanpassen gepland als bijvoorbeeld blijkt dat de dichtheid in een deel van de atmosfeer anders is dan voorheen verwacht.
"De atmosfeer van Venus is extreem variabel", legt Gilli uit, wat betekent dat de temperatuur en dichtheid op complexe manieren veranderen. "En de variabiliteit is nog hoger in het bovenste deel van de atmosfeer."
Dat betekent dat de beperkte voorspellingen die we hebben over wat we kunnen verwachten, mogelijk aanzienlijk moeten worden aangepast zodra het ruimtevaartuig bij Venus aankomt. Het modelleren van de omstandigheden die het ruimtevaartuig zal tegenkomen, zal "een continu werk in uitvoering zijn tot aan de lancering", aldus Thomas Voirin, EnVision Study manager.
En zelfs na de lancering is het aanpassen van de aerobraking-manoeuvres een iteratief proces. Het missieteam heeft modellen van wat ze kunnen verwachten, maar "de realiteit zal zeker anders zijn", zei Voirin. Het hele proces is ontworpen met ruime marges, om rekening te houden met verschillende mogelijke afwijkingen van voorspellingen.
Een delicate fase
Het lanceren van een interplanetaire missie is moeilijk, maar aerobraking bij Venus is een bijzondere uitdaging. Van de snelle rotatie van delen van de atmosfeer tot de effecten van zonneactiviteit, met harde wind en hoge variabiliteit, zijn er veel factoren waarmee ruimtevaartuigen zoals EnVision te maken zullen krijgen met.
“Dit is een zeer uitdagende fase. Een heel delicate fase', zei Gilli.
Maar als het werkt, zou het een nieuwe en goedkopere manier kunnen zijn om ruimtevaartuigen in hun baan te krijgen - en dat betekent dat missies ambitieuzer kunnen zijn in hun wetenschappelijke doelen zonder meer te zijn duur.
Het proces is lang en vereist geduld van de onderzoekers en het publiek, maar het heeft het potentieel om de manier waarop we planetaire wetenschap op Venus bedrijven te veranderen.
“Het ziet er best ingewikkeld uit. Je denkt, nou, waarom zou je dat doen? Waarom zou je twee jaar wachten op een nogal riskante manoeuvre? Het is omdat het de missie echt mogelijk maakt, 'zei Tighe. En er is ook iets inherent bevredigend aan. “Het is gewoon gaaf, de atmosfeer zelf gebruiken om je in staat te stellen in de baan te komen. Het is een nette manier om het te doen.”
Aanbevelingen van de redactie
- Dit is waarom wetenschappers denken dat het leven gedijt op de 'helplaneet' Venus
- Zie hoe de maan en Jupiter gezellig worden tijdens de skywatching-hoogtepunten van mei
- Hoe NASA's astronautenklas van 1978 het aanzien van de verkenning van de ruimte veranderde
- Door de vulkanische activiteit van Venus heeft het een zachte buitenste schil
- Twee ruimtevaartuigen werkten samen om meer te weten te komen over het magnetische veld van Venus
