Den ville planen om å bringe hjem litt av Venus-stemningen

Hvis du har fulgt romnyheter nylig, har du sannsynligvis hørt om Mars Sample Return - NASAs ambisiøse plan for å samle inn prøver av Mars-bergarter og bringe dem tilbake til jorden for studier. Det oppdraget er planlagt å starte senere dette tiåret, men det vil være en årelang og ekstremt kostbar prosess å samle inn og hente disse prøvene.

Men Mars er ikke den eneste planeten innen besøksavstand. Hvorfor hopper vi ikke over til vår andre planetariske nabo, Venus, og tar en prøve derfra også?

Det er akkurat det som blir foreslått av en gruppe Venus-forskere. Vi snakket med lederen av forslagsgruppen for å lære mer.

En gammel idé hvis tid er inne

Forskere har diskutert fordelene ved å prøve å ta en prøve fra Venus i flere tiår, med oppdragskonsepter studert så langt tilbake som på 1980-tallet. Selv om Mars har vært den planeten som har fått mest oppmerksomhet de siste årene, er det en sterk interesse for planetvitenskapen samfunn for å lære mer om Venus - spesielt fordi det kan hjelpe oss å forstå mer om andre planeter utenfor vår sol system.

Nå kan det endre seg når NASA starter tiår av Venus med et par oppdrag som skal besøkes der, sammen med et oppdrag fra European Space Agency, alle planlagt for det neste tiåret.

Tidligere Venus-prøveoppdrag kom aldri i gang av flere grunner: fokuset på Mars over Venus, mangelen på teknologi for å muliggjøre en så kompleks operasjon, og den essensielle ugjestfriheten til Venus. Venus er varmt, med en ekstremt tett atmosfære, noe som skaper et veldig tøft miljø for elektronikk å operere i.

Prøver å fly til Venus, sende en sonde ned til overflaten, samle en prøve, få prøven tilbake til bane, og deretter å returnere den til jorden ville være både uoverkommelig dyrt og ville kreve betydelig teknologisk utviklingen.

Det er derfor en gruppe franske forskere har en annen tilnærming. I stedet for å prøve å samle et stykke av Venus' overflate, bør vi prøve å ta litt av atmosfæren. Venus Atmospheric Sample Return mission eller VATMOS-SR er et misjonskonsept av en gruppe ved Paris Institute of Planetary Physics, som prøver å få støtte for ideen deres.

Den store fordelen med denne tilnærmingen er dens relative enkelhet. Det er ikke nødvendig å lande noe på overflaten eller komme tilbake til bane. I stedet kunne du sende ett romfartøy på en sti bort fra Jorden og mot Venus, hvor det ville komme inn i atmosfæren og fylle flasker med rundt fire liter gass. Så ville den fortsette å reise rett tilbake til jorden.

Romfartøyet ville ikke ha noen instrumenter og ta ingen avlesninger. Det ville bare vært en samlebil. Det gjør det tryggere, enklere og billigere, forklarte hovedforsker Guillaume Avice til Digital Trends.

"Du bare skumles gjennom atmosfæren på en ballistisk bane," sa Avice. "Så det tar bare ett år å reise dit, ta prøven og komme tilbake til jorden."

Planlegging på lang sikt

I disse dager involverer planetariske vitenskapsoppdrag vanligvis å sende instrumenter (som de på Mars-roverne) til et sted og få dem til å ta målinger. Denne tilnærmingen tar til orde for å samle materiale og bringe det tilbake til jorden i stedet, hvor vi har mye mer dyktige og varierte instrumenter å undersøke med.

Og med en dyrebar prøve fra en annen planet, går litt langt. En prøve på flere liter gass kan holde forskere opptatt i årevis.

"Det som er veldig kult er at du får mye gass og du kan måle det, ikke for alltid, men i lang tid på jorden," forklarte Avice. "Hvis du tenker på det, kan du bevare litt av den prøven. Kanskje om et tiår vil vi ha et nytt spektrometer på jorden som vil være nyttig for denne prøven."

Denne planleggingen for fremtiden gir mening når du ser på hvordan NASA har nærmet seg måneprøvene samlet under Apollo-oppdragene til månen. Noen prøver ble analysert så snart de ble returnert til jorden, men andre ble lagret på grunnlag av at fremtidig teknologi ville gjøre det mulig å analysere dem i ny dybde. Og den langsiktige tilnærmingen har gitt resultater, med et 50 år gammelt utvalg åpnet i fjor og avsløre informasjon om månens geologi og historie.

Hvis vi var i stand til å ta en lignende prøve av Venus-atmosfæren, kunne mye av den også lagres på lang sikt. Og forskere ville ha nytte av bare en håndfull atomer av en gassprøve, så en prøve på flere liter ville være nok til å gi forskningsmateriale for hele Venus-samfunnet.

Et kommende oppdrag til Venus kalt Davinci planlegger å gjøre lignende målinger av atmosfæren, men i dette tilfellet er det en sanntidskrise. Oppdraget innebærer å slippe en prøvekule gjennom atmosfæren, så prøver må tas og behandles innen bare én time.

Dette har forårsaket problemer med tidligere Venus-oppdrag i tidligere tiår, noe som resulterte i forvrengte funn sannsynligvis på grunn av feil kalibreringer eller tette ventiler. Ingeniører gjør sitt beste for å forutse eventuelle problemer med prøvetaking, men det er vanskelig å gjøre når det er så mange ukjente om miljøet et oppdrag går inn i.

Hvis en prøve bringes tilbake til jorden, er det imidlertid god tid til å kalibrere instrumenter og dobbeltsjekke resultater, noe som gjør funnene mer pålitelige.

Det er noen kompleksiteter med å ta en prøve ved svært høye hastigheter. Det oppstår en prosess som kalles fraksjonering som kan dele opp en prøve i forskjellige deler når den samles så raskt, men det burde være mulig å korrigere for det.

Hvordan det atmosfæriske prøvetakingsoppdraget ville fungere

Det er gode grunner til at ingen har forsøkt et Venus-prøveoppdrag før. For det er ikke lett.

Den åpenbare parallellen til et Venus-prøvereturoppdrag ville være Mars Sample Return-oppdraget, en kommende joint venture mellom NASA og den europeiske romfartsorganisasjonen som er beregnet til å lanseres på slutten 2020-tallet. Denne planen for å samle inn en prøve fra Mars involverer flere rovere, landere eller helikoptre, er flere tiår under utvikling, og har et ballongbudsjett som til og med er bekymret for ivrige Mars-entusiaster.

Og Venus er enda mer ugjestmild enn Mars, med sin tykke atmosfære, skyer av svovelsyre og trykk som kan sammenlignes med havdypet. Et forsøk på å returnere en prøve fra overflaten til Venus ville være et "mareritt," sa Avice, og "sannsynligvis enda dyrere enn på Mars."

Derfor foreslår Avices gruppe å hente en prøve fra planetens atmosfære i stedet. "Det er superbillig," sa han relativt sett: Gruppen anslår kostnadene for et slikt oppdrag til 100 millioner euro (110 millioner dollar), sammenlignet med 8 til 9 milliarder dollar nåværende estimater for Mars Sample Return.

Selv med den relative lette til en atmosfærisk prøve, vil imidlertid ikke noen gammel bit av atmosfæren gjøre det. I svært høye høyder er atmosfæren ekstremt tynn, og noen molekyler skilles ut av tyngdekraften. Så for å få en representativ prøve, må du gå under et nivå som kalles homopause, under hvilket atmosfæren er tilstrekkelig godt blandet til å inneholde alle de forskjellige molekylene som er tilstede.

På Venus er homopausen rundt 110 km (70 miles) fra overflaten, så oppdraget må nå under det nivået. Men jo dypere du går, jo vanskeligere blir oppdraget. "Så målet er å være like under homopausen, med en viss sikkerhetsmargin," sa Avice. "Hvis vi går dypere blir det mye mer utfordrende og dyrt."

Utfordringene

Selv bare å komme seg gjennom planetens atmosfære er imidlertid vanskelig. En stor utfordring er spørsmålet om å holde romfartøyet trygt fra den enorme varmen som bygges opp på grunn av friksjon i atmosfæren.

Romfartøy som skal inn i atmosfæren til en planet - enten det besøker en annen planet som Mars eller et romfartøy som kommer tilbake til Jorden gjennom vår egen planets atmosfære - ha et tykt varmeskjold som beskytter de ømfintlige komponentene inni fra de svært høye temperaturer.

Å levere en rover til Mars, for eksempel, innebærer å pakke roveren inn i et varmeskjold, og deretter forsegle hele greia - rover og varmeskjold sammen, sammen med thrustere og andre romfartøydeler - inn i nesekonen på en rakett for oppskyting. En gang i verdensrommet blir romfartøyet utplassert og reiser til Mars, deretter beskytter varmeskjoldet roveren når den passerer gjennom atmosfæren for å lande.

For et atmosfærisk prøveoppdrag vil du imidlertid trenge ett varmeskjold for å fungere to ganger - både under prøvetakingen på Venus, og igjen når prøven returneres til jorden. Det er ikke klart om dagens varmeskjoldteknologi ville være opp til oppgaven med å beskytte et romfartøy gjennom to slike eksponeringer.

Å få et varmeskjold til å fungere to ganger er "noe vi egentlig ikke vet hvordan vi skal gjøre," sa Avice. Og det kan kreve år med utvikling for å fungere, hvis det i det hele tatt er mulig.

Hva du skal gjøre med prøven når den er tilbake på jorden

En annen utfordring er overraskende. Du tror kanskje at det er vanskelig å samle en prøve, og å analysere den når den er tilbake på jorden ville være enkelt. Men det viser seg at det å jobbe med gassprøver er vanskeligere enn du kanskje tror.

Venus-atmosfæren er full av stoffer som lett fordamper, kalt flyktige stoffer. Disse inkluderer edelgasser og forbindelser inkludert nitrogen, hydrogen, karbon og svovel. Å studere disse er nøkkelen til å forstå Venus atmosfære, men de er ikke enkle å transportere eller studere.

For å fange et flyktig stoff på riktig måte i en prøveflaske, trenger du en veldig god ventil - både slik at ingen av de prøven rømmer, og slik at ingen av gassene fra andre miljøer som jordens atmosfære lekker inn. Dette var et problem for Hayabusa2-oppdraget som klarte å returnere en prøve fra en asteroide, men som opplevde det en innlekking av jordatmosfæren sannsynligvis forårsaket av sjokket av fallskjermutplasseringen da den kom tilbake til jorden.

Selv om prøven kommer tilbake til jorden helt uberørt, uten noen lekkasjer, må du fortsatt bevege deg raskt for å overføre prøven fra flasken til en sikrere beholder. Selv de tetteste ventilene vil lekke litt over måneder, så du trenger et system med flere beholdere som kan fange opp alt som lekker fra prøven og bevare så mye som mulig mulig.

Forskere utvikler seg vakuumsystemer for å trekke ut og analysere gasser, inkludert de brukt for Hayabusa2-prøven, men dette er fortsatt et nytt teknologiområde som må utvikles for at et atmosfærisk prøveoppdrag skal være fullt effektivt.

Fremtiden til planetarisk vitenskap: in situ vs. prøve retur

Det atmosfæriske prøvetakingsoppdraget er fortsatt godt i konseptstadiet, og gruppen håper å få det tatt opp i neste runde med forslag til European Space Agency eller kanskje NASA.

Det er en ambisiøs plan, men det er ikke et så merkelig konsept som det ville vært for noen år siden. "For tiår siden var prøveavkastning bare en drøm og egentlig ikke alvorlig," sa Avice, men nå med tidligere oppdrag som Hayabusa2 og kommende oppdrag som Mars Sample Return, er det i ferd med å bli en reell mulighet.

Og det er potensial til å vise at prøveavkastning kan gjøres relativt raskt og billig, på grunn av banene som er mulig mellom Jorden og Venus og fordi et romfartøy ikke trenger å bremse ned, komme til overflaten og komme tilbake til bane før det returnerer til Jord.

Oppdraget kan potensielt være en rask pisk frem og tilbake, og returnere en prøve innen et år.

"Det som er veldig kult er at vi ville få en Venus-atmosfæreprøve før vi får prøver fra Mars," sa Avice. "Så det ville være den første prøven fra en annen planet."

Redaktørenes anbefalinger

• Her er grunnen til at forskere tror at livet kan ha trivdes på "helvetesplaneten" Venus
• Inne i Vera C. Rubin Observatory, hjemmet til verdens største digitalkamera
• Rocket Lab planlegger å sende det første private oppdraget til Venus
• MIT-forskere detaljerte planer for private oppdrag for å lete etter liv på Venus
• NASA-video viser deg hvordan det er å stupe gjennom Venus’ atmosfære