Szalony plan sprowadzenia do domu odrobiny atmosfery Wenus

Jeśli ostatnio śledziłeś wiadomości kosmiczne, prawdopodobnie słyszałeś o Mars Sample Return — ambitnym planie NASA polegającym na zebraniu próbek marsjańskich skał i przywiezieniu ich z powrotem na Ziemię w celu zbadania. Ta misja ma się rozpocząć jeszcze w tej dekadzie, ale zebranie i odzyskanie tych próbek będzie długotrwałym i niezwykle kosztownym procesem.

Ale Mars nie jest jedyną planetą w zasięgu zwiedzania. Dlaczego nie przeskoczymy do naszej innej planetarnej sąsiadki, Wenus, i stamtąd też nie pobierzemy próbki?

Właśnie to proponuje grupa badaczy Wenus. Aby dowiedzieć się więcej, rozmawialiśmy z liderem grupy propozycji.

Stary pomysł, którego czas nadszedł

Naukowcy od dziesięcioleci dyskutują o zaletach próby pobrania próbki z Wenus, a koncepcje misji badano już w latach 80. Chociaż Mars był planetą, której poświęcono najwięcej uwagi w ostatnich latach, istnieje duże zainteresowanie planetologią społeczność, aby dowiedzieć się więcej o Wenus — szczególnie dlatego, że może to pomóc nam lepiej zrozumieć inne planety poza naszym Układem Słonecznym system.

Teraz to może się zmienić, ponieważ NASA rozpoczyna dekada Wenus z parą misji, które mają tam odwiedzić, wraz z misją Europejskiej Agencji Kosmicznej, wszystkie zaplanowane na następną dekadę.

Poprzednie misje próbne na Wenus nigdy nie ruszyły z miejsca z kilku powodów: koncentracja na Marsie się skończyła Wenus, brak technologii umożliwiającej tak skomplikowaną operację i zasadnicza niegościnność Wenus. Wenus jest gorąca, z niezwykle gęstą atmosferą, tworząc bardzo trudne środowisko dla działania elektroniki.

Próbując polecieć na Wenus, wysłać sondę na powierzchnię, pobrać próbkę, przenieść ją z powrotem na orbitę i następnie zwrócenie go na Ziemię byłoby zarówno zbyt drogie, jak i wymagałoby znacznych nakładów technologicznych rozwój wydarzeń.

Dlatego grupa francuskich badaczy ma inne podejście. Zamiast próbować zebrać kawałek powierzchni Wenus, powinniśmy spróbować uchwycić trochę jej atmosfery. Misja Venus Atmospheric Sample Return lub VATMOS-SR to koncepcja misji grupy z Paryskiego Instytutu Fizyki Planetarnej, która próbuje zdobyć poparcie dla swojego pomysłu.

Wielką zaletą tego podejścia jest jego względna prostota. Nie ma potrzeby lądowania czegokolwiek na powierzchni ani powrotu na orbitę. Zamiast tego można wysłać jeden statek kosmiczny na ścieżkę od Ziemi w kierunku Wenus, gdzie wszedłby w atmosferę i napełnił butelki około czterema litrami gazu. Następnie kontynuowałby podróż z powrotem na Ziemię.

Statek kosmiczny nie miałby żadnych instrumentów i nie wykonywałby żadnych odczytów. Byłby to po prostu pojazd kolekcjonerski. To sprawia, że ​​jest to bezpieczniejsze, łatwiejsze i tańsze, jak wyjaśnił Digital Trends główny badacz Guillaume Avice.

„Po prostu prześlizgujesz się przez atmosferę po trajektorii balistycznej” – powiedział Avice. „Tak więc wystarczy rok, aby się tam udać, pobrać próbkę i wrócić na Ziemię”.

Planowanie na dłuższą metę

W dzisiejszych czasach planetarne misje naukowe zazwyczaj obejmują wysyłanie instrumentów (takich jak te na łazikach marsjańskich) w określone miejsce i wykonywanie przez nie pomiarów. Takie podejście opowiada się za zbieraniem materiału i sprowadzaniem go z powrotem na Ziemię, gdzie mamy znacznie bardziej wydajne i zróżnicowane instrumenty do badań.

A z cenną próbką z innej planety, trochę idzie daleko. Próbka kilku litrów gazu może zajmować naukowców przez lata.

„Naprawdę fajne jest to, że dostajesz dużo gazu i możesz go mierzyć nie w nieskończoność, ale przez długi czas na Ziemi” – wyjaśnił Avice. „Jeśli się nad tym zastanowisz, możesz zachować trochę tej próbki. Może za dekadę będziemy mieć na Ziemi nowy spektrometr, który będzie przydatny dla tej próbki”.

Takie planowanie na przyszłość ma sens, gdy spojrzy się na to, jak NASA podeszła do próbek księżycowych zebranych podczas misji Apollo na Księżyc. Niektóre próbki zostały przeanalizowane zaraz po powrocie na Ziemię, ale inne były przechowywane z założeniem, że przyszła technologia pozwoli na ich dogłębną analizę. I to długoterminowe podejście opłaciło się, z 50-letnią próbą otwarty dopiero w zeszłym roku i ujawnianie informacji o geologii i historii Księżyca.

Gdybyśmy byli w stanie pobrać podobną próbkę atmosfery Wenus, większość z nich mogłaby być przechowywana przez długi czas. A badaczom przydałaby się nawet garstka atomów próbki gazu, więc próbka kilku litrów wystarczyłaby do dostarczenia materiałów badawczych dla całej społeczności Wenus.

Zbliżająca się misja na Wenus o nazwie Davinci planuje wykonać podobne pomiary atmosfery, ale w tym przypadku następuje załamanie czasu rzeczywistego. Misja polega na zrzuceniu kuli próbki przez atmosferę, więc próbki muszą zostać pobrane i przetworzone w ciągu zaledwie jednej godziny.

Spowodowało to problemy z poprzednimi misjami Wenus we wcześniejszych dziesięcioleciach, co skutkowało zniekształconymi wynikami, prawdopodobnie z powodu nieprawidłowych kalibracji lub zatkanych otworów wentylacyjnych. Inżynierowie robią, co w ich mocy, aby przewidzieć wszelkie możliwe problemy z próbkowaniem, ale jest to trudne, gdy jest tak wiele niewiadomych na temat środowiska, w które wchodzi misja.

Jeśli jednak próbka zostanie przywieziona z powrotem na Ziemię, jest mnóstwo czasu na kalibrację instrumentów i podwójne sprawdzenie wyników, dzięki czemu wyniki będą bardziej wiarygodne.

Pobieranie próbki przy bardzo dużych prędkościach wiąże się z pewnymi komplikacjami. Następuje proces zwany frakcjonowaniem, który może podzielić próbkę na różne części, gdy jest ona zbierana tak szybko, ale powinno być możliwe skorygowanie tego.

Jak będzie działać misja pobierania próbek atmosferycznych

Istnieją dobre powody, dla których nikt wcześniej nie próbował misji powrotu próbki Wenus. Bo to nie jest łatwe.

Oczywistą analogią do misji powrotu próbki z Wenus byłaby misja Mars Sample Return, an nadchodzące wspólne przedsięwzięcie NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej, które ma wystartować późnym wieczorem 2020s. Ten plan pobrania próbki z Marsa obejmuje wiele łazików, lądowników lub helikopterów, jest opracowywany od dziesięcioleci i ma balonowy budżet, który niepokoi nawet zagorzałych entuzjastów Marsa.

A Wenus jest jeszcze bardziej niegościnna niż Mars, z gęstą atmosferą, chmurami kwasu siarkowego i ciśnieniem porównywalnym z głębinami oceanu. Próba zwrotu próbki z powierzchni Wenus byłaby „koszmarem”, powiedział Avice, i „prawdopodobnie droższa niż na Marsie”.

Dlatego grupa Avice proponuje zamiast tego pobranie próbki z atmosfery planety. „To super tanio”, powiedział relatywnie rzecz biorąc: grupa szacuje koszt takiej misji na 100 milionów euro (110 milionów dolarów), w porównaniu do Bieżące szacunki od 8 do 9 miliardów dolarów do zwrotu próbek z Marsa.

Jednak nawet przy względnej łatwości próbki atmosferycznej żaden stary fragment atmosfery nie wystarczy. Na bardzo dużych wysokościach atmosfera jest niezwykle rzadka, a niektóre cząsteczki są rozdzielane przez grawitację. Aby więc uzyskać reprezentatywną próbkę, należy zejść poniżej poziomu zwanego homopauzą, poniżej którego atmosfera jest wystarczająco dobrze wymieszana, aby zawierała wszystkie obecne cząsteczki.

Na Wenus homopauza znajduje się około 110 km (70 mil) od powierzchni, więc misja musi sięgać poniżej tego poziomu. Ale im głębiej schodzisz, tym trudniejsza staje się misja. „Tak więc celem jest znalezienie się tuż poniżej homopauzy, z pewnym marginesem bezpieczeństwa” – powiedział Avice. „Jeśli wejdziemy głębiej, stanie się to znacznie trudniejsze i droższe”.

Wyzwania

Jednak nawet samo przedostanie się przez atmosferę planety jest trudne. Dużym wyzwaniem jest ochrona statku kosmicznego przed ogromnym ciepłem, które gromadzi się w wyniku tarcia w atmosferze.

Statki kosmiczne, które wejdą w atmosferę planety — niezależnie od tego, czy odwiedzają inną planetę, taką jak Mars, czy statek kosmiczny powracający na Ziemię przez atmosferę naszej planety — mieć grubą osłonę termiczną, która chroni delikatne elementy wewnątrz przed bardzo wysokimi temperaturami temperatury.

Na przykład dostarczenie łazika na Marsa obejmuje owinięcie łazika osłoną termiczną, a następnie uszczelnienie całości — łazika i osłony termicznej wraz z silnikami odrzutowymi i innymi częściami statku kosmicznego — w dziób rakiety do wystrzelenia. Po znalezieniu się w kosmosie statek kosmiczny jest uruchamiany i leci na Marsa, a następnie osłona termiczna chroni łazik podczas przechodzenia przez atmosferę w celu wylądowania.

Jednak w przypadku misji pobierania próbek atmosferycznych potrzebna byłaby jedna osłona termiczna, która zadziałałaby dwukrotnie — zarówno podczas pobierania próbek na Wenus, jak i ponownie podczas zwracania próbki na Ziemię. Nie jest jasne, czy obecna technologia osłon termicznych byłaby w stanie sprostać zadaniu ochrony statku kosmicznego przez dwie takie ekspozycje.

Dwukrotne uruchomienie osłony termicznej to „coś, czego tak naprawdę nie wiemy, jak zrobić” – powiedział Avice. I może wymagać lat rozwoju, aby zadziałało, jeśli to w ogóle możliwe.

Co zrobić z próbką po powrocie na Ziemię

Kolejne wyzwanie jest zaskakujące. Można by pomyśleć, że zebranie próbki jest trudne, a analiza jej po powrocie na Ziemię byłaby łatwa. Okazuje się jednak, że praca z próbkami gazu jest trudniejsza, niż można sobie wyobrazić.

Atmosfera Wenus jest pełna łatwo parujących substancji, zwanych lotnymi. Należą do nich gazy i związki szlachetne, w tym azot, wodór, węgiel i siarka. Badanie ich jest kluczem do zrozumienia atmosfery Wenus, ale nie są łatwe do transportu ani badania.

Aby właściwie uwięzić substancję lotną w butelce z próbką, potrzebujesz bardzo dobrego zaworu — zarówno, aby żaden z nich nie został usunięty próbka wydostaje się i aby żaden gaz z innych środowisk, takich jak atmosfera ziemska, nie przedostał się do środka. Był to problem dla misji Hayabusa2, której udało się zwrócić próbkę z asteroidy, ale miała doświadczenie wyciek atmosfery ziemskiej prawdopodobnie spowodowane wstrząsem podczas otwierania spadochronu podczas jego powrotu na Ziemię.

Nawet jeśli próbka wróci na Ziemię całkowicie nieskazitelna, bez żadnych wycieków, nadal musisz działać szybko, aby przenieść próbkę z butelki do bezpieczniejszego pojemnika. Nawet najszczelniejsze zawory będą przeciekać przez kilka miesięcy, więc potrzebny jest system wielokrotny pojemniki, które mogą uchwycić wszystko, co wycieka z próbki i zachować jak najwięcej możliwy.

Badacze rozwijają się systemy próżniowe do ekstrakcji i analizy gazów, w tym te użyty do próbki Hayabusa2, ale wciąż jest to nowy obszar technologii, który należy opracować, aby misja pobierania próbek atmosferycznych była w pełni skuteczna.

Przyszłość nauk planetarnych: in situ vs. zwrot próbki

Misja pobierania próbek atmosfery jest wciąż mocno na etapie koncepcji, a grupa ma nadzieję, że zostanie wybrana w następnej rundzie propozycji dla Europejskiej Agencji Kosmicznej lub być może NASA.

To ambitny plan, ale nie tak dziwaczny, jak kilka lat temu. „Dziesięciolecia temu zwrot próbki był tylko snem i niezbyt poważnym”, powiedział Avice, ale teraz z poprzednim misjach takich jak Hayabusa2 i nadchodzących misjach, takich jak Mars Sample Return, staje się to realną możliwością.

I istnieje potencjał, aby pokazać, że zwrot próbki można wykonać stosunkowo szybko i tanio, ze względu na możliwe trajektorie między Ziemią a Wenus i dlatego, że statek kosmiczny nie musiałby zwalniać, wydostawać się na powierzchnię i wracać na orbitę przed powrotem do Ziemia.

Misja może potencjalnie polegać na szybkim biczu tam i z powrotem, zwracając próbkę w ciągu roku.

„Naprawdę fajne jest to, że otrzymalibyśmy próbkę atmosfery Wenus, zanim pobierzemy próbki z Marsa” – powiedział Avice. „Więc to byłaby pierwsza próbka z innej planety”.

Zalecenia redaktorów

• Oto dlaczego naukowcy uważają, że życie mogło kwitnąć na „piekielnej planecie” Wenus
• Wewnątrz Vera C. Obserwatorium Rubina, w którym znajduje się największy na świecie aparat cyfrowy
• Rocket Lab planuje wysłać pierwszą prywatną misję na Wenus
• Naukowcy z MIT szczegółowo planują prywatne misje poszukiwania życia na Wenus
• Film NASA pokazuje, jak to jest zanurzyć się w atmosferze Wenus