Hoe de nieuwe sonde van NASA het helse landschap van Venus zal overleven

Omdat het onze buurman is, zou je je kunnen voorstellen dat we een grondig begrip hebben van de planeet Venus. Maar je zou het mis hebben. NASA heeft de planeet al meer dan 30 jaar niet bezocht, en er is zoveel over de plek dat we nauwelijks weten begrijpen, van de geologische geschiedenis tot de soorten rotsen op het oppervlak, dat veel ervan omgeving is in wezen een mysterie.

Wetenschappers denken dat Venus dat was ooit zoals de aarde, maar de twee gingen op een bepaald punt in hun evolutie uiteen en werden de enorm verschillende plaatsen waar ze nu zijn. We weten dat Venus een dikke atmosfeer heeft die warmte vasthoudt en het de heetste planeet in het zonnestelsel maakt. En we weten dat het oppervlak bedekt is met bergen, kloven en vulkanen, hoewel we niet weten of deze nog steeds actief zijn.

Eén reden dat er zo veel onbekend blijft over Venus is dat de dikke atmosfeer het grootste deel van het terrein aan het zicht onttrekt, en dat het moeilijk is om door wolkenlagen heen te kijken om te zien wat zich daaronder bevindt. Een andere reden is dat het een huiveringwekkend onherbergzame plek is. Tussen de baktemperaturen en de dikke, met zuur gevulde atmosfeer heeft niets dat door de mens is gemaakt langer dan een paar minuten op het oppervlak overleefd.

Maar als we meer willen weten over deze mysterieuze planeet hiernaast, moeten we hem bezoeken. En dat is precies wat de DAVINCI-missie van NASA van plan is te doen, door een sonde door de atmosfeer te laten vallen om metingen te doen tot aan de oppervlakte. De missie, die er één zal zijn een drietal missies naar Venus in het komende decennium, zal naar verwachting in 2029 gelanceerd worden en in 2031 bij Venus aankomen voor zijn duik door de atmosfeer.

Om erachter te komen hoe je een sonde bouwt die bestand is tegen deze helse omgeving, en wat we ervan kunnen leren, spraken we met twee leden van het DAVINCI-team: Jim Garvin, hoofdonderzoeker van de missie, en Mike Sekerak, systeemproject ingenieur.

Hoe zit het met de atmosfeer van Venus?

Venus vertegenwoordigt een grensgebied in de planetaire wetenschap waarover heel weinig bekend is, gezien hoe relatief dichtbij het voor ons is. Wat er onder de bovenste wolkenlaag gebeurt, is een bijzonder intrigerende vraag.

“De karakterisering van de atmosfeer, van de top van de wolken tot aan het oppervlak – zo groot en massief atmosfeer, waarvan 75% van de massa zich in de onderste 15 tot 20 kilometer bevindt, is vrijwel onontgonnen”, zegt Garvin. gezegd.

Sondes die in de jaren zestig en zeventig naar Venus werden gestuurd, probeerden gegevens over de atmosfeer te verzamelen, en hadden enig succes. Maar eerdere metingen van de atmosfeer waren onbetrouwbaar vanwege fysieke problemen met eerdere sondes, zoals verstopte inlaten en de beperkte beschikbare technologie. Dat leidde tot wat rommelige lezingen, waarvan Garvin zegt: ‘Sommige daarvan slaan nergens op.’

Vooral de lagere atmosfeer is in veel opzichten een mysterie. Het zou een superkritische vloeistof kunnen zijn, waarvan de temperatuur en druk zo hoog zijn dat deze als een vloeistof rondslingert. Er is ook de vraag hoe de rotsen op het oppervlak van de planeet interageren met de atmosfeer.

En het bestuderen van de atmosfeer en het oppervlak zou een van de grootste vragen die we hebben over Venus kunnen helpen beantwoorden: had het ooit oceanen met vloeibaar water op het oppervlak, en zo ja, wat is er daarmee gebeurd?

Twee grote uitdagingen

Venus is geen gastvrije plek voor een sonde: het is twee keer zo heet als een oven en er is meer druk op het oppervlak dan onder een kilometer oceaan.

“De technische uitdagingen die we hier hebben zijn behoorlijk spannend”, zei Sekerak. Het grootste probleem voor elke potentiële missie naar Venus is de hitte, aangezien de oppervlaktetemperaturen wel 475 graden Celsius (900 graden Fahrenheit) kunnen bedragen. Dat is heet genoeg om lood te laten smelten, en het veroorzaakt grote schade aan de elektronica.

Dat is echter slechts een deel van de milieu-uitdaging. “De druk blijft echter niet ver achter in termen van moeilijkheden”, zei Sekerak. De druk aan het oppervlak bedraagt ​​ongeveer 95 bar, oftewel bijna 100 keer de atmosferische druk Het aardoppervlak, dus het ontwerpen van een sonde voor dit soort omgevingen lijkt op het bouwen van een onderzeeër.

Wanneer het in de atmosfeer wordt gedropt, zal DAVINCI een race tegen de klok moeten voeren om alle benodigde informatie te verzamelen voordat de hitte en druk de componenten ervan vernietigen. Om de sonde zo lang mogelijk actief te houden, is hij bolvormig en bedekt met een dikke titanium schaal om de druk te weerstaan ​​en te isoleren tegen de hitte. Dan zit er meer isolatie in deze schaal, gemaakt van speciale materialen, waaronder astrokwarts, een soort vezel gemaakt van gesmolten kwarts.

Het interieur is ontworpen om de componenten ook thermisch geïsoleerd te houden van de buitenkant, om te voorkomen dat warmte van de schaal wordt overgedragen. Vervolgens wordt het gevuld met kooldioxidegas om de hoogspanningselektronica te beschermen tegen vonken en om te voorkomen dat aardgassen tijdens de lancering naar binnen lekken.

In totaal heeft de sonde, die het team de afdalingsbol noemt, een doorsnede van ongeveer een meter. Het zal met een parachute uit een orbiter worden losgelaten om zijn afdaling te vertragen, hoewel de atmosfeer daarbij helpt hiermee omdat het zo dik is dat het meer lijkt alsof je de sonde door water laat vallen dan door lucht.

In totaal zal het 63 minuten duren voordat de sonde het oppervlak bereikt, en in dat ene uur zal het zoveel mogelijk gegevens verzamelen voordat het onvermijdelijk wordt vernietigd door de meedogenloze omgeving.

Bemonstering tot in de puntjes

De afdalingsbol zal door de atmosfeer vallen en helemaal naar beneden bemonsteren, om een ​​beeld van de atmosfeer van boven naar beneden op te bouwen.

Binnenin de bol zullen zich instrumenten bevinden zoals spectrometers, vergelijkbaar met de instrumenten op de Mars-rovers Curiosity en Doorzettingsvermogen, waarmee de chemische samenstelling van monsters kan worden gemeten door te kijken naar de golflengten van het licht absorberen. Maar in tegenstelling tot de Mars-rovers, die uren of dagen nodig hebben om een ​​monster te verzamelen en zorgvuldig te analyseren, zal DAVINCI de bemonstering en analyse binnen enkele minuten moeten uitvoeren.

Er zijn op verschillende punten in de bol inlaatkleppen, met keramische deksels die afbreken om gassen op te nemen. Deze gassen moeten extreem snel worden geanalyseerd en vervolgens worden afgevoerd, zodat er meer monsters kunnen worden genomen. Hierdoor kan de sonde een zo gedetailleerd mogelijk beeld krijgen van de chemie van de atmosfeer in al zijn lagen.

Terwijl dit gebeurt, zullen andere sensoren in de sonde factoren zoals temperatuur en druk meten, om de structuur van de atmosfeer te helpen begrijpen. Vervolgens worden al deze gegevens teruggestuurd naar de orbiter voordat de sonde het oppervlak raakt.

De sonde is alleen ontworpen om monsters te nemen in de atmosfeer, en niet om te landen. Maar als het het oppervlak raakt, bestaat de mogelijkheid dat het zal overleven. De dikke atmosfeer en de parachute zullen de afdaling ervan helpen vertragen, maar “deze zal zeker inslaan met een snelheid die niet ideaal is voor ruimtevaartapparatuur,” zei Sekerak lachend.

Als de sonde de landing echter overleeft, kan het verzamelen van gegevens wel twintig minuten duren voordat de hitte door de bol dringt en de elektronica kapot gaat. En dat zullen nog meer bonusgegevens zijn over de oppervlaktetemperatuur en -druk, evenals de aanwezige gassen.

Het begrijpen van de chemie van de atmosfeer is slechts een deel van de doelstellingen van DAVINCI. Het andere deel, dat misschien wel het meest opwindend is voor het publiek, is het maken van foto's van het mysterieuze Venusiaanse oppervlak.

Venus op menselijke schaal

De sonde zal neerkomen “in de bergen van Venus, op een soort terrein dat nog nooit eerder door de mensheid is gezien”, zei Garvin. En het team wil deze ervaring zowel visueel als chemisch vastleggen.

De afdalingsbol zal ook een camera hebben die contrastrijke beelden van het oppervlak maakt, die vervolgens kunnen worden opgebouwd tot 3D-kaarten.

Om een ​​camera vanuit een metalen bol te laten werken, heb je echter een raam nodig. En glas is geen geweldig materiaal voor omgevingen met intens hoge druk. Daarom zal het raam van DAVINCI niet van glas zijn, maar van saffier.

“Het is letterlijk een heel, heel groot stuk saffier,” zei Sekerak. “Omdat het geweldige optische eigenschappen heeft.” Het is erg sterk maar ook heel helder, dus het zal de beelden die er doorheen worden genomen niet vervormen. Maar het is onvermijdelijk dat een raam dat licht binnenlaat ook meer warmte binnenlaat, dus hebben de ingenieurs faseveranderingsmaterialen rond de raamconstructie toegevoegd. Dit materiaal smelt bij een bepaalde temperatuur om de overtollige warmte van het raam te absorberen.

Hierdoor kan de camera tijdens de afdaling heldere, scherpe beelden maken. Deze zullen worden gebruikt om het terrein van Venus te fotograferen, van hoog tot helemaal tot aan het oppervlak zelf.

"Onze uiteindelijke beelden zullen een resolutie van 10 centimeter hebben", zei Garvin. "Dat is de schaal die je zou zien als je door je woonkamer kijkt."

Naast het bieden van een schat aan wetenschappelijke gegevens, hoopt Garvin dat het vastleggen van beelden op deze schaal dat ook zal doen help het publiek het gevoel te krijgen dat ze Venus als een echte plaats kunnen zien, en niet slechts als een punt van waaruit je kunt observeren ver weg.

“We willen het menselijke zicht en onze zintuiglijke waarneming naar Venus brengen”, zei hij. ‘We zullen Venus op menselijke schaal gaan waarnemen.’

Testen op het onbekende

Het echte lastige deel van een missie naar Venus is niet eens het omgaan met de uitdagingen die we kennen, zoals de temperatuur en de druk. Het probeert te anticiperen op de uitdagingen die kunnen voortvloeien uit een omgeving waar we zo weinig informatie over hebben.

Daarom zullen testen en voorbereiding een groot deel uitmaken van wat het DAVINCI-team de komende zeven jaar doet, ter voorbereiding op een lancering gepland voor 2029.

“We doen tests in het slechtste geval”, legt Sekerak uit. “Dus testen we wat de slechtste omgeving zou kunnen zijn.”

Onderzoekers weten bijvoorbeeld dat er druppels zwavelzuur in de wolken van Venus zitten – en dat zwavelzuur zich door materialen heen vreet. Het is een bijzondere zorg voor het Kevlar-koord dat de afdalingsbol aan de parachute zal bevestigen. Om te testen of het sleutelkoord bestand is tegen de zure omgeving, hangen de ingenieurs het dus niet alleen op in een paar druppels zuur, maar bedekken ze het hele oppervlak. in zuur, test dan de trekkracht van het koord om er zeker van te zijn dat het lang genoeg kan overleven om de sonde zelfs in de ergste omstandigheden door de atmosfeer te loodsen geval.

Wat betreft de manier waarop je hardware test in omgevingen die zo anders zijn dan de aarde, je moet creatief worden. Om te zien hoe lang het zou duren voordat de metalen bol zou opwarmen, bracht het team hem naar een metaalgieterij. ‘Het is hun taak om metaal te smelten,’ zei Sekerak. "En we hebben onze instrumenten daarbinnen geplaatst om te oefenen met het heet worden, om die warmtestroom te meten."

Het idee is om voldoende marge in elk kritisch systeem in te bouwen om rekening te houden met alle onbekende factoren die de planeet naar de bol zou kunnen gooien. Garvin legde uit: “We hebben veel technisch denkwerk en risicoreductie ingebouwd in de manier waarop we dit doen.”

Dit heeft zelfs invloed op de manier waarop gegevens worden verzameld. “Als we een goede dag hebben op Venus, krijgen we waarschijnlijk 500 afdalingsfoto’s terug”, zei hij. “Als we de absoluut slechtste dag hebben die de mensheid kent, krijgen we er waarschijnlijk 35 terug. Maar 35 is veel meer dan we nodig hebben om dit soort karteringen te doen.” Natuurlijk betekent meer afbeeldingen meer informatie, en dat verdient de voorkeur omdat het meer wetenschap mogelijk maakt. Maar zelfs onder de slechtste omstandigheden zullen ze waardevolle informatie te weten komen.

Altijd iets nieuws om te leren

Een bezoek aan Venus is een enorme uitdaging, zelfs volgens de ambitieuze normen van grote ruimtemissies. Maar de potentiële opbrengst in termen van wat we kunnen leren is enorm.

Leren over Venus zal op zichzelf al fascinerend zijn. Maar het is ook belangrijk voor ons begrip van exoplaneten. Terwijl missies zoals de James Webb Space Telescope nieuwe planeten buiten ons zonnestelsel ontdekken en onderzoeken, hebben we een referentiepunt nodig voor rotsachtige planeten zoals de aarde, Mars en Venus.

We hebben een behoorlijk goed begrip van de essentiële kenmerken van de aarde en Mars, en door gegevens van Venus toe te voegen, zullen we verre planeten veel beter kunnen begrijpen.

“Venus gaat een kalibratiepunt worden voor het soort grote, rotsachtige, atmosfeerdragende planeten die we zullen kunnen zien en begrijpen met Webb en de grote telescopen die daarachter komen, ‘Garvin gezegd.

En natuurlijk is er dat meest menselijke instinct: om te leren en te ontdekken en om naar nieuwe plaatsen te reizen. “Dit is een van de redenen waarom ik graag aan deze ruimteverkenningsmissies werk: we gaan naar een plek waar we nog niet veel vanaf weten”, zei Sekerak.

We hebben veel geleerd over bouwen voor de omgevingen van de aarde en Mars, en nu kunnen we een deel van die kennis meenemen en ergens anders toepassen. Door voor die omgeving te bouwen, wordt onze technologie uitgebreider, en een bezoek aan die omgeving met een sonde kan een begin maken met het ontrafelen van enkele van de mysteries ervan. Zoals Sekerak zei: als je een nieuwe ruimteomgeving bezoekt, ‘is er altijd iets nieuws dat je kunt leren.’

Aanbevelingen van de redactie

• Binnen het gekke plan om een ​​beetje van de Venus-sfeer op te scheppen en mee naar huis te nemen
• Hoe je de privémissie van NASA bij het ruimtestation kunt zien aankomen
• Hoe NASA’s astronautenklasse uit 1978 het gezicht van de ruimteverkenning veranderde
• Hoe je kunt zien hoe NASA zijn ruimtepak van de volgende generatie onthult
• Venus, Jupiter en Ceres komen voor in NASA's skywatching-tips voor maart