Como a nova sonda da NASA sobreviverá à paisagem infernal de Vênus

Como é nosso vizinho, você pode imaginar que temos um conhecimento profundo do planeta Vênus. Mas você estaria errado. A NASA não visita o planeta há mais de 30 anos, e há tanta coisa sobre o lugar que mal conseguimos compreender, desde a sua história geológica até que tipos de rochas existem na sua superfície, que grande parte da sua ambiente é essencialmente um mistério.

Os cientistas pensam que Vênus foi uma vez como a Terra, mas os dois divergiram em algum momento de sua evolução para se tornarem os lugares muito diferentes que são hoje. Sabemos que Vênus tem uma atmosfera espessa que mantém o calor e o torna o planeta mais quente do sistema solar. E sabemos que a sua superfície está coberta de montanhas, fendas e vulcões, embora não saibamos se estes ainda estão activos.

Uma razão pela qual ainda há tanta coisa desconhecida sobre Vénus é que a sua espessa atmosfera esconde a maior parte do seu terreno da vista, e é difícil espiar através das camadas de nuvens para ver o que está por baixo. Outra razão é que é um lugar assustadoramente inóspito. Entre as temperaturas de cozimento e a atmosfera espessa e cheia de ácido, nada feito pelo homem sobreviveu em sua superfície por mais do que alguns minutos.

Mas se quisermos saber mais sobre este misterioso planeta vizinho, precisamos visitá-lo. E é exatamente isso que a missão DAVINCI da NASA planeia fazer, lançando uma sonda através da atmosfera para fazer leituras até à superfície. A missão, que será uma das um trio de missões a Vênus na próxima década, está programado para ser lançado em 2029 e chegar a Vênus para sua queda pela atmosfera em 2031.

Para descobrir como construir uma sonda para resistir a esse ambiente infernal e o que podemos aprender com isso, conversamos com dois membros da equipe DAVINCI: Jim Garvin, investigador principal da missão, e Mike Sekerak, projeto de sistemas engenheiro.

O que há com a atmosfera de Vênus?

Vênus representa uma fronteira na ciência planetária sobre a qual muito pouco se sabe, considerando o quão relativamente próximo está de nós. O que está acontecendo abaixo da camada superior de nuvens é uma questão particularmente intrigante.

“A caracterização da atmosfera, desde o topo das nuvens até à superfície – esta grande e massiva atmosfera, 75% da massa da qual está nos 15 a 20 quilômetros inferiores – é quase inexplorada”, Garvin disse.

Sondas enviadas a Vénus nas décadas de 1960 e 1970 tentaram recolher dados sobre a atmosfera e tiveram algum sucesso. Mas as medições anteriores da atmosfera não foram fiáveis, devido a problemas físicos com sondas anteriores, como entradas entupidas e a tecnologia limitada disponível. Isso levou a algumas leituras confusas, das quais Garvin diz: “Algumas delas não fazem sentido”.

A baixa atmosfera, em particular, é, em muitos aspectos, um mistério. Poderia ser um fluido supercrítico, no qual a temperatura e a pressão são tão altas que se espalham como um líquido. Há também a questão de como as rochas da superfície do planeta interagem com a atmosfera.

E estudar a atmosfera e a superfície pode ajudar a responder a uma das maiores questões que temos sobre Vénus: será que alguma vez teve oceanos de água líquida na sua superfície e, em caso afirmativo, o que aconteceu com eles?

Dois grandes desafios

Vênus não é um lugar acolhedor para uma sonda: é duas vezes mais quente que um forno e há mais pressão na superfície do que sob um quilômetro de oceano.

“Os desafios técnicos que temos aqui são muito emocionantes”, disse Sekerak. O maior problema para qualquer missão potencial a Vênus é o calor, já que as temperaturas da superfície podem chegar a 475 graus Celsius (900 graus Fahrenheit). Isso é quente o suficiente para derreter chumbo e causa estragos na eletrônica.

No entanto, essa é apenas uma parte do desafio ambiental. “A pressão, no entanto, não fica atrás em termos de dificuldades”, disse Sekerak. A pressão na superfície é de cerca de 95 bars, ou quase 100 vezes a pressão atmosférica na superfície. superfície da Terra, então projetar uma sonda para esse tipo de ambiente é como construir um submarino.

Quando for lançado na atmosfera, DAVINCI estará numa corrida contra o tempo para reunir todas as informações necessárias antes que o calor e a pressão destruam seus componentes. Para manter a sonda ativa pelo maior tempo possível, ela é esférica e coberta por uma espessa camada de titânio para suportar a pressão e isolar do calor. Depois, há mais isolamento dentro desta concha, feita de materiais especiais, incluindo astroquartzo, um tipo de fibra feita de quartzo fundido.

O interior também foi projetado para manter os componentes termicamente isolados do exterior, para evitar que o calor seja transferido do casco. Em seguida, é preenchido com gás dióxido de carbono para proteger os componentes eletrônicos de alta tensão contra faíscas e para impedir o vazamento de gases da Terra durante o lançamento.

No geral, a sonda, que a equipe chama de esfera de descida, tem cerca de um metro de diâmetro. Ele será liberado de um orbitador com pára-quedas para retardar sua descida, embora a atmosfera ajude com isso porque é tão espesso que é mais como deixar cair a sonda na água do que no ar.

No total, a sonda demorará 63 minutos a chegar à superfície e, nessa hora, recolherá o máximo de dados possível antes de ser inevitavelmente destruída pelo ambiente brutal.

Amostragem até o fim

A esfera de descida cairá através da atmosfera e fará amostragem por todo o caminho, para construir uma imagem da atmosfera de cima para baixo.

Dentro da esfera estarão instrumentos como espectrômetros, semelhantes aos instrumentos dos rovers de Marte Curiosity e Perseverance, que pode medir a composição química de amostras observando os comprimentos de onda da luz que elas absorver. Mas, ao contrário dos rovers de Marte, que podem levar horas ou dias para recolher e analisar cuidadosamente uma amostra, o DAVINCI terá de fazer a sua amostragem e análise numa questão de minutos.

Existem válvulas de entrada em vários pontos da esfera, com tampas de cerâmica que se rompem para a ingestão de gases. Esses gases precisam ser analisados ​​com extrema rapidez e depois liberados para que mais amostras possam ser coletadas. Isso permitirá que a sonda obtenha a visão mais detalhada da química da atmosfera em todas as suas camadas.

Enquanto isso acontece, outros sensores da sonda medirão fatores como temperatura e pressão, para ajudar a compreender a estrutura da atmosfera. Então, todos esses dados serão enviados de volta ao orbitador antes que a sonda atinja a superfície.

A sonda foi projetada apenas para coletar amostras da atmosfera, e não para pousar. Mas quando pousar na superfície, existe a possibilidade de sobreviver. A espessa atmosfera e o pára-quedas ajudarão a retardar sua descida, mas “certamente atingirá uma velocidade que é, uhh, menos do que ideal para hardware de voo espacial”, disse Sekerak rindo.

Porém, se a sonda sobreviver ao pouso, poderá levar até 20 minutos coletando dados antes que o calor penetre na esfera e frite os componentes eletrônicos. E serão ainda mais dados extras sobre a temperatura e pressão da superfície, bem como sobre os gases presentes.

Compreender a química da atmosfera é apenas uma parte dos objetivos do DAVINCI. A outra parte, que pode ser mais emocionante para o público, é tirar fotos da misteriosa superfície venusiana.

Vênus em escala humana

A sonda descerá “nas montanhas de Vénus, num tipo de terreno que nunca foi visto pela humanidade antes”, disse Garvin. E a equipe quer registrar essa experiência tanto visual quanto quimicamente.

A esfera de descida também terá uma câmera que capturará imagens de alto contraste da superfície, que poderão então ser transformadas em mapas 3D.

Para que uma câmera opere de dentro de uma esfera de metal, você precisa de uma janela. E o vidro não é um ótimo material para lidar com ambientes de alta pressão. É por isso que a janela da DAVINCI não será feita de vidro, mas de safira.

“É literalmente um pedaço de safira muito, muito grande”, disse Sekerak. “Porque tem ótimas propriedades ópticas.” É muito forte, mas também muito claro, por isso não distorce as imagens tiradas através dele. Mas, inevitavelmente, uma janela que permite a entrada de luz também permitirá a entrada de mais calor, por isso os engenheiros adicionaram materiais de mudança de fase ao redor do conjunto da janela. Este material derrete a uma temperatura específica para absorver o excesso de calor da janela.

Isso permitirá que a câmera tire imagens claras e nítidas durante a descida. Eles serão usados ​​para fotografar o terreno de Vênus, desde o alto até a própria superfície.

“Nossas imagens finais terão resolução de 10 centímetros”, disse Garvin. “Essa é a escala que você veria na sua sala de estar.”

Além de oferecer uma riqueza de dados científicos, Garvin espera que a captura de imagens nesta escala ajudar o público a sentir que pode ver Vênus como um lugar real, não apenas um ponto a ser observado de longe.

“Queremos trazer a visão humana e a nossa percepção sensorial para Vênus”, disse ele. “Começaremos a sentir Vénus à escala humana.”

Testando o desconhecido

A parte realmente complicada de uma missão a Vénus não é sequer lidar com os desafios que conhecemos, como a temperatura e a pressão. É tentar antecipar quais desafios podem surgir em um ambiente sobre o qual temos tão poucas informações.

É por isso que os testes e a preparação serão uma grande parte do que a equipa DAVINCI fará nos próximos sete anos, em preparação para um lançamento previsto para 2029.

“Fazemos testes no pior caso”, explicou Sekerak. “Portanto, testamos qual poderia ser o pior ambiente.”

Por exemplo, os investigadores sabem que as nuvens de Vénus contêm gotas de ácido sulfúrico – e o ácido sulfúrico corrói os materiais. É uma preocupação particular o talabarte de Kevlar que irá prender a esfera de descida ao pára-quedas. Portanto, para testar se o talabarte pode suportar o ambiente ácido, os engenheiros não apenas o suspendem em algumas gotas de ácido – eles cobrem toda a superfície em ácido e, em seguida, teste a força de tração do talabarte para ter certeza de que ele pode sobreviver o tempo suficiente para levar a sonda através da atmosfera, mesmo nas piores condições possíveis caso.

Quanto à forma como você testa o hardware em ambientes tão diferentes da Terra, é preciso ser criativo. Para ver quanto tempo levaria para a esfera metálica aquecer, a equipe a levou a uma fundição de metal. “O trabalho deles é derreter metal”, disse Sekerak. “E colocamos nossa instrumentação lá dentro para praticar o aquecimento, para medir esse fluxo de calor.”

A ideia é criar margem suficiente em cada sistema crítico para permitir quaisquer incógnitas que o planeta possa lançar na esfera. Garvin explicou: “Incorporámos… muito pensamento de engenharia e redução de riscos na forma como fazemos isto”.

Isso afeta até mesmo a forma como os dados serão coletados. “Se tivermos um bom dia em Vênus, provavelmente receberemos 500 imagens de descida”, disse ele. “Se tivermos o pior dia conhecido pela humanidade, provavelmente teremos 35 de volta. Mas 35 é muito mais do que precisamos para fazer esse tipo de mapeamento.” É claro que mais imagens significam mais informação, e isso é preferível porque permite mais ciência. Mas mesmo nas piores condições, eles encontrarão informações valiosas.

Sempre algo novo para aprender

Visitar Vénus é um enorme desafio, mesmo para os padrões ambiciosos das grandes missões espaciais. Mas a recompensa potencial em termos do que podemos aprender é enorme.

Aprender sobre Vênus será fascinante por si só. Mas também é importante para a nossa compreensão dos exoplanetas. À medida que missões como o Telescópio Espacial James Webb descobrem e investigam novos planetas fora do nosso sistema solar, precisaremos de um ponto de referência para planetas rochosos como a Terra, Marte e Vénus.

Temos uma compreensão bastante sólida das características essenciais da Terra e de Marte e, ao adicionar dados de Vênus, seremos capazes de compreender muito melhor os planetas distantes.

“Vênus se tornará um ponto de calibração para os tipos de planetas grandes, rochosos e com atmosfera que seremos capazes de ver e compreender com Webb e os grandes telescópios que vêm além”, Garvin disse.

E, claro, existe o instinto mais humano, de aprender, explorar e viajar para novos lugares. “Esta é uma das razões pelas quais adoro trabalhar nestas missões de exploração espacial – vamos a algum lugar sobre o qual não sabemos muito”, disse Sekerak.

Aprendemos muito sobre construção para os ambientes da Terra e de Marte e agora podemos pegar parte desse conhecimento e aplicá-lo em algum lugar diferente. Construir para esse ambiente irá ampliar a nossa tecnologia, e visitá-lo com uma sonda pode começar a desvendar alguns dos seus mistérios. Como disse Sekerak, ao visitar um novo ambiente espacial, “há sempre algo novo que você pode aprender”.

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