Hvordan NASAs nye sonde vil overleve helvetesbildet til Venus

Siden det tilfeldigvis er vår nabo, kan du forestille deg at vi har en grundig forståelse av planeten Venus. Men du tar feil. NASA har ikke besøkt planeten på mer enn 30 år, og det er så mye om stedet at vi knapt forstå, fra dens geologiske historie til hva slags bergarter som er på overflaten, at mye av det miljøet er egentlig et mysterium.

Forskere tror at Venus var en gang som jorden, men de to divergerte på et tidspunkt i utviklingen til å bli de vidt forskjellige stedene de er i dag. Vi vet at Venus har en tykk atmosfære som holder på varmen og gjør den til den varmeste planeten i solsystemet. Og vi vet at overflaten er dekket av fjell, rifter og vulkaner, selv om vi ikke vet om disse fortsatt er aktive.

En grunn til at så mye forblir ukjent om Venus er at dens tykke atmosfære skjuler det meste av terrenget, og det er vanskelig å kikke gjennom lag med skyer for å se hva som er under. En annen grunn er at det er et kjølig ugjestmildt sted. Mellom baketemperaturene og den tykke, syrefylte atmosfæren har ingenting menneskeskapt overlevd på overflaten i mer enn noen få minutter.

Men hvis vi vil vite mer om denne mystiske planeten ved siden av, må vi besøke den. Og det er akkurat det NASAs DAVINCI-oppdrag planlegger å gjøre, ved å slippe en sonde gjennom atmosfæren for å ta avlesninger helt ned når den faller til overflaten. Oppdraget, som vil være en av en trio av oppdrag til Venus i det neste tiåret, skal etter planen lanseres i 2029 og ankomme Venus for dens stupe gjennom atmosfæren i 2031.

For å finne ut hvordan du bygger en sonde for å tåle dette helvetes miljøet, og hva vi kan lære av det, snakket vi med to medlemmer av DAVINCI-teamet: Jim Garvin, hovedetterforsker for oppdraget, og Mike Sekerak, systemprosjekt ingeniør.

Hva skjer med Venus sin atmosfære?

Venus representerer en grense i planetarisk vitenskap som svært lite er kjent om, tatt i betraktning hvor relativt nær den er oss. Hva som skjer under det øvre skylaget er et spesielt spennende spørsmål.

"Karakteriseringen av atmosfæren, fra toppen av skyene til overflaten - denne store, massive atmosfære, hvor 75 % av massen er i de nedre 15 til 20 kilometerne – er nesten uutforsket, sier Garvin sa.

Sonder sendt til Venus på 1960- og 1970-tallet prøvde å samle data om atmosfæren, og hadde en viss suksess. Men tidligere målinger tatt av atmosfæren har vært upålitelige, på grunn av fysiske problemer med tidligere sonder som tilstoppede innløp og den begrensede teknologien som er tilgjengelig. Det førte til noen krypterte lesninger, som Garvin sier: «Noen av dem gir ikke mening.»

Spesielt den lavere atmosfæren er på mange måter et mysterium. Det kan være en superkritisk væske, der temperaturen og trykket er så høyt at det skvulper rundt som en væske. Det er også spørsmålet om hvordan steinene på planetens overflate samhandler med atmosfæren.

Og å studere atmosfæren og overflaten kan bidra til å svare på et av de største spørsmålene vi har om Venus: Hadde den en gang flytende vannhav på overflaten, og i så fall hva skjedde med dem?

To store utfordringer

Venus er ikke et innbydende sted for en sonde: Det er dobbelt så varmt som en ovn og det er mer trykk på overflaten enn å være under en kilometer hav.

"De tekniske utfordringene vi har her er ganske spennende," sa Sekerak. Det største problemet for et potensielt oppdrag til Venus er varmen, siden overflatetemperaturene kan være så høye som 900 grader Fahrenheit (475 grader Celsius). Det er varmt nok til å smelte bly, og det skaper kaos med elektronikk.

Det er imidlertid bare en del av miljøutfordringen. "Presset er imidlertid ikke langt bak når det gjelder vanskeligheter," sa Sekerak. Trykket på overflaten er rundt 95 bar, eller nesten 100 ganger det atmosfæriske trykket på Jordens overflate, så å konstruere en sonde for denne typen miljø er omtrent som å bygge en undervannsbåt.

Når den slippes ned i atmosfæren, vil DAVINCI være i et kappløp med tiden for å samle all informasjonen den trenger før varmen og trykket ødelegger komponentene. For å holde sonden aktiv så lenge som mulig er den sfærisk og dekket av et tykt titanskall for å tåle trykket og isolere mot varmen. Så er det mer isolasjon inne i dette skallet, laget av spesielle materialer, inkludert astrokvarts, en type fiber laget av smeltet kvarts.

Interiøret er designet for å holde komponenter termisk isolert fra eksteriøret også, for å forhindre at varme overføres fra skallet. Den fylles deretter med karbondioksidgass for å beskytte høyspentelektronikken mot gnister og for å stoppe jordgasser fra å lekke inn under oppskytningen.

Totalt sett er sonden, som teamet kaller nedstigningssfæren, omtrent en meter på tvers. Den vil bli frigjort fra en orbiter med fallskjerm for å bremse nedstigningen, selv om atmosfæren hjelper med dette fordi det er så tykt at det er mer som å slippe sonden gjennom vann enn gjennom luft.

Totalt vil det ta 63 minutter før sonden når overflaten, og i løpet av den ene timen vil den samle inn så mye data den overhodet kan før den uunngåelig blir ødelagt av det brutale miljøet.

Sampling helt ned

Nedstigningssfæren vil falle gjennom atmosfæren og prøve hele veien ned, for å bygge opp et bilde av atmosfæren fra topp til bunn.

Inne i sfæren vil det være instrumenter som spektrometre, som ligner på instrumentene på Mars-roverne Curiosity og Utholdenhet, som kan måle den kjemiske sammensetningen av prøver ved å se på bølgelengdene av lys som de absorbere. Men i motsetning til Mars-roverne, som kan ta timer eller dager å samle og analysere en prøve nøye, må DAVINCI utføre prøvetakingen og analysen i løpet av få minutter.

Det er innløpsventiler på forskjellige punkter over kulen, med keramiske deksler som brytes av for å få i seg gasser. Disse gassene må analyseres ekstremt raskt og deretter ventileres slik at flere prøver kan tas. Dette vil tillate sonden å få det mest detaljerte utseendet til nå på atmosfærens kjemi gjennom alle lagene.

Mens dette skjer, vil andre sensorer i sonden måle faktorer som temperatur og trykk, for å hjelpe til med å forstå strukturen til atmosfæren. Da vil alle disse dataene bli sendt tilbake til orbiteren før sonden treffer overflaten.

Sonden er kun designet for å prøve til atmosfæren, og ikke for å lande. Men når den berører overflaten, er det en mulighet for at den vil overleve. Den tykke atmosfæren og fallskjermen vil bidra til å bremse nedstigningen, men "den vil definitivt treffe med en hastighet som er, ehh, mindre enn ideell for maskinvare for romfart," sa Sekerak med en latter.

Hvis sonden overlever landingen, kan det imidlertid vare opptil 20 minutter med innsamling av data før varmen suger gjennom sfæren og steker elektronikken. Og det vil være enda flere bonusdata om overflatetemperaturen og -trykket, samt gassene som er tilstede.

Å forstå atmosfærens kjemi er bare en del av DAVINCIs mål. Den andre delen, som kanskje er mest spennende for publikum, er å ta bilder av den mystiske venusiske overflaten.

Venus i menneskelig målestokk

Sonden vil komme ned "i fjellene til Venus, i et slags terreng som aldri har vært sett av menneskeheten før," sa Garvin. Og teamet ønsker å registrere denne opplevelsen visuelt så vel som kjemisk.

Nedstigningssfæren vil også ha et kamera som skal ta bilder med høy kontrast av overflaten, som deretter kan bygges opp til 3D-kart.

For at et kamera skal operere fra innsiden av en metallkule, trenger du imidlertid et vindu. Og glass er ikke et godt materiale for å håndtere miljøer med intenst høyt trykk. Derfor vil DAVINCIs vindu ikke være laget av glass, men av safir.

"Det er bokstavelig talt et veldig, veldig stort stykke safir," sa Sekerak. "Fordi den har gode optiske egenskaper." Den er veldig sterk, men også veldig tydelig, så den vil ikke forvrenge bilder tatt gjennom den. Men uunngåelig vil et vindu som slipper inn lys også slippe inn mer varme, så ingeniørene la til faseendringsmaterialer rundt vinduet. Dette materialet smelter ved en bestemt temperatur for å absorbere overskuddsvarmen fra vinduet.

Dette vil tillate kameraet å ta klare, skarpe bilder under nedstigningen. Disse skal brukes til å fotografere terrenget til Venus, fra høyt oppe og helt ned til selve overflaten.

"Våre endelige bilder vil ha 10-centimeters oppløsning," sa Garvin. "Det er skalaen du ser ut over stuen din."

I tillegg til å tilby et vell av vitenskapelige data, håper Garvin at å ta bilder i denne skalaen vil hjelpe publikum til å føle at de kan se Venus som et virkelig sted, ikke bare en prikk å observere fra langt borte.

"Vi ønsker å bringe menneskelig syn og vår sensoriske oppfatning til Venus," sa han. "Vi vil begynne å sanse Venus på menneskelig skala."

Tester for det ukjente

Den virkelig vanskelige delen av et oppdrag til Venus er ikke engang å håndtere utfordringene vi vet om, som temperaturen og trykket. Den prøver å forutse hvilke utfordringer som kan oppstå fra et miljø som vi har så lite informasjon om.

Derfor vil testing og forberedelse være en stor del av det DAVINCI-teamet gjør de neste syv årene, som forberedelse til en lansering planlagt i 2029.

"Vi gjør worst-case testing," forklarte Sekerak. "Så vi tester hva det verste miljøet kan være."

For eksempel vet forskere at skyene til Venus har dråper av svovelsyre i seg - og svovelsyre spiser gjennom materialer. Det er en spesiell bekymring for Kevlar-snoren som vil feste nedstigningssfæren til fallskjermen. Så for å teste om snoren tåler det sure miljøet, suspenderer ingeniørene den ikke bare i noen få dråper syre – de belegger hele overflaten i syre, og test deretter snorens trekkstyrke for å sikre at den kan overleve lenge nok til å ta sonden gjennom atmosfæren selv på det verst mulige sak.

Når det gjelder hvordan du tester maskinvare i miljøer så ulikt Jorden, må du være kreativ. For å se hvor lang tid det ville ta før metallkulen varmes opp, tok teamet den med til et metallstøperi. "Deres jobb er å smelte ned metall," sa Sekerak. "Og vi legger instrumenteringen vår der inne for å øve på å få den varm, for å måle den varmestrømmen."

Tanken er å bygge nok margin inn i hvert kritisk system for å tillate det ukjente planeten måtte kaste på sfæren. Garvin forklarte: "Vi har bygget... mye ingeniørtanke og risikoreduksjon i hvordan vi gjør dette."

Dette påvirker til og med måten data samles inn på. "Hvis vi har en god dag på Venus, vil vi sannsynligvis få 500 nedstigningsbilder tilbake," sa han. "Hvis vi har den absolutt verste dagen kjent for menneskeheten, vil vi sannsynligvis få 35 tilbake. Men 35 er mye mer enn vi trenger for å gjøre denne typen kartlegging.» Selvfølgelig betyr flere bilder mer informasjon, og det er å foretrekke siden det muliggjør mer vitenskap. Men selv med de verste forholdene, vil de finne ut uvurderlig informasjon.

Alltid noe nytt å lære

Å besøke Venus er en enorm utfordring, selv etter de ambisiøse standardene til store romoppdrag. Men den potensielle gevinsten i forhold til hva vi kan lære er enorm.

Å lære om Venus vil være fascinerende for sin egen skyld. Men det er også viktig for vår forståelse av eksoplaneter. Ettersom oppdrag som James Webb-romteleskopet oppdager og undersøker nye planeter utenfor solsystemet vårt, trenger vi et referansepunkt for steinete planeter som Jorden, Mars og Venus.

Vi har en ganske solid forståelse av de essensielle egenskapene til Jorden og Mars, og ved å legge til data fra Venus, vil vi kunne forstå fjerne planeter langt bedre.

"Venus kommer til å bli et kalibreringspunkt for den typen store, steinete, atmosfærebærende planeter som vi vil være i stand til å se og forstå med Webb og de store teleskopene som kommer utover,» Garvin sa.

Og selvfølgelig er det det mest menneskelige av instinkter, å lære og utforske og reise til nye steder. "Dette er en av grunnene til at jeg elsker å jobbe med disse romutforskningsoppdragene - vi skal et sted vi ikke vet så mye om," sa Sekerak.

Vi har lært mye om å bygge for miljøene på Jorden og Mars, og nå kan vi ta noe av den kunnskapen og bruke den til et annet sted. Å bygge for det miljøet vil strekke teknologien vår, og å besøke den med en sonde kan begynne å avdekke noen av mysteriene. Som Sekerak sa, når du besøker et nytt rommiljø, "er det alltid noe nytt du kan lære."

Redaktørenes anbefalinger

• Inne i den gale planen å øse opp og bringe hjem litt av Venus-stemningen
• Hvordan se NASAs private oppdrag ankomme romstasjonen
• Hvordan NASAs astronautklasse fra 1978 endret romutforskningens ansikt
• Hvordan se NASA avduke neste generasjons romdrakt
• Venus, Jupiter og Ceres er med i NASAs skywatching-tips for mars