Planul sălbatic de a aduce acasă un pic din atmosfera lui Venus

Dacă ați urmărit recent știrile spațiale, probabil că ați auzit despre Mars Sample Return - planul ambițios al NASA de a colecta mostre de roci marțiane și de a le aduce înapoi pe Pământ pentru studiu. Misiunea respectivă este programată să fie lansată mai târziu în acest deceniu, dar va fi un proces de ani de zile și extrem de costisitor pentru a colecta și a prelua acele mostre.

Dar Marte nu este singura planetă aflată la o distanță de vizitare. De ce să nu sărim la celălalt vecin al nostru planetar, Venus, și să colectăm o probă și de acolo?

Acesta este ceea ce este propus de un grup de cercetători Venus. Am vorbit cu liderul grupului de propuneri pentru a afla mai multe.

O idee veche al cărei timp a venit

Oamenii de știință au discutat despre meritele încercării de a preleva un eșantion de pe Venus de zeci de ani, conceptele misiunii fiind studiate încă din anii 1980. Deși Marte a fost planeta care a primit cea mai mare atenție în ultimii ani, există un interes puternic pentru știința planetară. comunității în a afla mai multe despre Venus, în special pentru că ne-ar putea ajuta să înțelegem mai multe despre alte planete din afara soarelui nostru sistem.

Acum, asta s-ar putea schimba, pe măsură ce NASA începe deceniul lui Venus cu o pereche de misiuni pregătite să viziteze acolo, împreună cu o misiune a Agenției Spațiale Europene, toate programate pentru următorul deceniu.

Misiunile anterioare ale eșantioanelor Venus nu au demarat niciodată din câteva motive: concentrarea asupra lui Marte s-a încheiat Venus, lipsa tehnologiei care să permită o operație atât de complexă și inospitalitatea esențială a Venus. Venus este fierbinte, cu o atmosferă extrem de densă, creând un mediu foarte dur în care să funcționeze electronicele.

Încercarea de a zbura către Venus, trimite o sondă la suprafață, colectează o probă, aduce acea probă înapoi pe orbită și apoi returnarea lui pe Pământ ar fi atât prohibitiv de scumpă, cât și ar necesita tehnologia semnificativă evoluții.

De aceea, un grup de cercetători francezi are o abordare diferită. În loc să încercăm să colectăm o bucată din suprafața lui Venus, ar trebui să încercăm să prindem o parte din atmosfera ei. Misiunea Venus Atmospheric Sample Return sau VATMOS-SR este un concept de misiune al unui grup de la Institutul de Fizică Planetară din Paris, care încearcă să susțină ideea lor.

Marele avantaj al acestei abordări este relativa simplitate. Nu este nevoie să aterizați nimic la suprafață sau să reveniți pe orbită. În schimb, ați putea trimite o navă spațială pe o cale departe de Pământ și spre Venus, unde ar intra în atmosferă și va umple sticle cu aproximativ patru litri de gaz. Apoi va continua să călătorească înapoi pe Pământ.

Nava spațială nu ar avea instrumente și nu ar face citiri. Ar fi doar un vehicul de colectare. Acest lucru îl face mai sigur, mai ușor și mai ieftin, a explicat cercetătorul principal Guillaume Avice pentru Digital Trends.

„Doar răsfoiești atmosfera pe o traiectorie balistică”, a spus Avice. „Deci, durează doar un an pentru a merge acolo, pentru a-ți lua mostra și pentru a te întoarce pe Pământ.”

Planificare pe termen lung

În zilele noastre, misiunile de știință planetară implică de obicei trimiterea de instrumente (cum ar fi cele de pe roverele de pe Marte) într-o locație și solicitarea acestora să facă măsurători. Această abordare susține colectarea de materiale și aducerea lui înapoi pe Pământ, unde avem instrumente mult mai capabile și mai variate cu care să investigăm.

Și cu o mostră prețioasă de pe o altă planetă, puțin merge departe. O mostră de câțiva litri de gaz ar putea ține oamenii de știință ocupați ani de zile.

„Ceea ce este cu adevărat tare este că primești mult gaz și îl poți măsura, nu pentru totdeauna, ci pentru o lungă perioadă de timp pe Pământ”, a explicat Avice. „Dacă te gândești bine, poți păstra puțin din acea probă. Poate într-un deceniu, vom avea un nou spectrometru pe Pământ, care va fi util pentru această probă.”

Această planificare pentru viitor are sens când te uiți la modul în care NASA a abordat mostrele lunare colectate în timpul misiunilor Apollo pe Lună. Unele mostre au fost analizate imediat ce au fost returnate pe Pământ, dar altele au fost stocate pe baza faptului că tehnologia viitoare le-ar permite să fie analizate la o nouă profunzime. Și această abordare pe termen lung a dat roade, cu un eșantion vechi de 50 de ani deschis chiar anul trecut și dezvăluirea de informații despre geologia și istoria lunii.

Dacă am fi capabili să luăm o mostră similară din atmosfera lui Venus, o mare parte din ea ar putea fi stocată și pe termen lung. Iar cercetătorii ar beneficia chiar și de doar o mână de atomi dintr-o probă de gaz, așa că o probă de câțiva litri ar fi suficientă pentru a oferi materiale de cercetare pentru întreaga comunitate Venus.

O misiune viitoare pe Venus numită Davinci intenționează să facă măsurători similare ale atmosferei, dar în acest caz, există o criză în timp real. Misiunea implică aruncarea unei sfere de probă prin atmosferă, așa că probele trebuie prelevate și procesate în doar o oră.

Acest lucru a cauzat probleme cu misiunile anterioare Venus din deceniile anterioare, ceea ce a dus la descoperiri confuze, probabil din cauza calibrărilor incorecte sau a orificiilor de ventilație înfundate. Inginerii fac tot posibilul pentru a anticipa eventualele probleme legate de eșantionare, dar acest lucru este greu de făcut atunci când există atât de multe necunoscute despre mediul în care o misiune intră.

Dacă o probă este adusă înapoi pe Pământ, totuși, există timp suficient pentru calibrarea instrumentelor și verificarea dublă a rezultatelor, făcând descoperirile mai fiabile.

Există unele complexități în prelevarea unei probe la viteze foarte mari. Are loc un proces numit fracționare care poate împărți o probă în diferite părți atunci când este colectată atât de repede, dar ar trebui să fie posibil să se corecteze acest lucru.

Cum ar funcționa misiunea de prelevare a probelor atmosferice

Există motive întemeiate pentru care nimeni nu a încercat până acum o misiune de returnare a mostrei lui Venus. Pentru ca nu este usor.

Paralela evidentă cu o misiune de returnare a probei lui Venus ar fi misiunea Mars Sample Return, an viitoare joint venture între NASA și Agenția Spațială Europeană, care este programată să fie lansată la sfârșitul anului anii 2020. Acest plan de a colecta un eșantion de pe Marte implică mai multe rovere, aterizare sau elicoptere, este în pregătire de zeci de ani și are un buget în plină expansiune care îi interesează chiar și pe pasionații înfocați de Marte.

Și Venus este chiar mai inospitalieră decât Marte, cu atmosfera sa groasă, norii de acid sulfuric și presiunea comparabilă cu adâncurile oceanului. O încercare de a returna o probă de pe suprafața lui Venus ar fi un „coșmar”, a spus Avice, și „probabil chiar mai scumpă decât pe Marte”.

De aceea, grupul lui Avice propune colectarea unei mostre din atmosfera planetei. „Este super ieftin”, a spus el, relativ vorbind: grupul estimează costul unei astfel de misiuni la 100 de milioane de euro (110 milioane de dolari), comparativ cu Estimări curente de la 8 la 9 miliarde de dolari pentru Mars Sample Return.

Chiar și cu relativa ușurință a unui eșantion atmosferic, totuși, nici un vechi fragment din atmosferă nu va funcționa. La altitudini foarte mari, atmosfera este extrem de subțire, iar unele molecule sunt separate de gravitație. Deci, pentru a obține o probă reprezentativă, trebuie să coborâți sub un nivel numit homopauză, sub care atmosfera este suficient de bine amestecată pentru a conține toate moleculele diferite prezente.

La Venus, homopauza se află la aproximativ 110 km (70 mile) de suprafață, așa că misiunea trebuie să ajungă sub acest nivel. Dar cu cât mergi mai adânc, cu atât misiunea devine mai grea. „Deci ținta este să fie chiar sub homopauză, cu o anumită marjă de siguranță”, a spus Avice. „Dacă mergem mai adânc, devine mult mai provocator și mai scump.”

Provocările

Totuși, chiar și doar să treci prin atmosfera planetei este dificil. O mare provocare este problema menținerii navei spațiale în siguranță de căldura uriașă care se acumulează din cauza frecării în atmosferă.

Nave spațiale care vor intra în atmosfera unei planete - fie că vizitează o altă planetă precum Marte sau o navă spațială care se întoarce către Pământ prin atmosfera propriei planete - au un scut termic gros care protejează componentele delicate din interior de la nivelul foarte înalt. temperaturile.

Livrarea unui rover pe Marte, de exemplu, implică învelirea roverului într-un scut termic și apoi sigilarea întregului lucru - roverul și scutul termic împreună, împreună cu propulsoarele și alte părți ale navelor spațiale - în partea de sus a unei rachete pentru lansare. Odată ajunsă în spațiu, nava spațială este desfășurată și călătorește spre Marte, apoi scutul termic protejează roverul în timp ce trece prin atmosferă pentru a ateriza.

Pentru o misiune de eșantionare atmosferică, totuși, veți avea nevoie de un scut termic pentru a funcționa de două ori - atât în ​​timpul prelevării de probe de la Venus, cât și din nou la returnarea probei pe Pământ. Nu este clar dacă tehnologia actuală a scutului termic ar fi la înălțimea sarcinii de a proteja o navă spațială prin două astfel de expuneri.

A face un scut termic să funcționeze de două ori este „ceva pe care nu știm cu adevărat cum să facem”, a spus Avice. Și ar putea necesita ani de dezvoltare pentru a funcționa, dacă este chiar posibil.

Ce să faci cu eșantionul odată ce se întoarce pe Pământ

O altă provocare este una surprinzătoare. S-ar putea să credeți că colectarea unei probe este cea mai grea, iar analizarea acesteia odată ce se întoarce pe Pământ ar fi ușoară. Dar se dovedește că lucrul cu mostre de gaz este mai greu decât ți-ai putea imagina.

Atmosfera lui Venus este plină de substanțe care se evaporă ușor, numite volatile. Acestea includ gaze nobile și compuși, inclusiv azot, hidrogen, carbon și sulf. Studierea acestora este cheia pentru înțelegerea atmosferei lui Venus, dar nu sunt ușor de transportat sau studiat.

Pentru a prinde corect o substanță volatilă într-o sticlă de probă, aveți nevoie de o supapă foarte bună - ambele astfel încât niciunul dintre proba scapă și astfel încât niciunul dintre gazele din alte medii precum atmosfera Pământului să nu se scurgă înăuntru. Aceasta a fost o problemă pentru misiunea Hayabusa2, care a reușit să returneze o probă de la un asteroid, dar a avut experiență o scurgere a atmosferei Pământului probabil cauzat de șocul desfășurat de parașute în timpul întoarcerii sale pe Pământ.

Chiar dacă eșantionul se întoarce pe Pământ complet impecabil, fără nicio scurgere, trebuie totuși să vă mișcați rapid pentru a transfera proba din sticlă într-un recipient mai sigur. Chiar și cele mai strânse supape se vor scurge puțin peste luni de timp, așa că aveți nevoie de un sistem multiplu containere care pot capta orice se scurge din probă și pot păstra cât mai mult din ea posibil.

Cercetătorii se dezvoltă sisteme de vid pentru extragerea și analiza gazelor, inclusiv acelea utilizat pentru proba Hayabusa2, dar aceasta este încă o nouă zonă de tehnologie care trebuie dezvoltată pentru ca o misiune de returnare a probei atmosferice să fie pe deplin eficientă.

Viitorul științei planetare: in situ vs. returnarea probei

Misiunea de prelevare a probelor atmosferice este încă ferm în stadiul de concept, iar grupul speră să o primească în următoarea rundă de propuneri pentru Agenția Spațială Europeană sau poate pentru NASA.

Este un plan ambițios, dar nu este un concept atât de ciudat cum ar fi fost acum câțiva ani. „Cu zeci de ani în urmă, returnarea probei a fost doar un vis și nu chiar serios”, a spus Avice, Dar acum cu precedentul misiuni precum Hayabusa2 și misiuni viitoare precum Mars Sample Return, devine o posibilitate reală.

Și există potențialul de a arăta că returnarea eșantionului poate fi realizată relativ rapid și ieftin, datorită traiectoriilor care sunt posibile. între Pământ și Venus și pentru că o navă spațială nu ar trebui să încetinească, să ajungă la suprafață și să revină pe orbită înainte de a se întoarce la Pământ.

Misiunea ar putea fi o lovitură rapidă înainte și înapoi, returnând o mostră într-un an.

„Ceea ce este cu adevărat tare este că am obține o probă de atmosferă Venus înainte de a obține mostre de pe Marte”, a spus Avice. „Deci acesta ar fi primul eșantion de pe o altă planetă.”

Recomandările editorilor

• Iată de ce oamenii de știință cred că viața poate să fi prosperat pe „planeta iadului” Venus
• În interiorul Vera C. Observatorul Rubin, casa celei mai mari camere digitale din lume
• Rocket Lab plănuiește să trimită prima misiune privată pe Venus
• Cercetătorii MIT detaliază planurile pentru misiuni private de căutare a vieții pe Venus
• Videoclipul NASA vă arată cum este să vă aruncați prin atmosfera lui Venus