Arta delicată a aerofrânării: cheia pentru a explora Venus

Deceniul lui Venus este aproape la noi. Cu trei viitoare misiuni Venus planificat de la NASA și Agenția Spațială Europeană (ESA), suntem pe punctul de a afla mai multe despre planeta noastră vecină decât oricând.

Dar nu vom învăța doar despre știința planetară. De data aceasta, vom învăța și cum să controlăm o navă spațială într-o atmosferă extraterestră, datorită a două misiuni - ESA Imagina și VERITAS de la NASA – care urmează să folosească o nouă tehnică numită aerofrânare pentru a-și aduce nava spațială pe orbita potrivită pentru a-și face știința.

Am vorbit cu ingineri și oameni de știință din misiunea EnVision pentru a afla cum plănuiesc să o realizeze și ce ar putea învăța din asta.

Încetinirea utilizând atmosfera

În mod normal, ai încetini o navă spațială în același mod în care o accelerezi: prin arderea combustibilului. Propulsia chimică este o modalitate excelentă de a produce o mulțime de forță foarte rapid și este ceea ce aveți nevoie atât pentru lansare de la origine, cât și pentru intrarea pe orbită la destinație.

Cu toate acestea, combustibilul este și foarte greu. Și greutatea înseamnă bani când vine vorba de lansări de rachete. Cu cât o navă spațială transportă mai mult combustibil, cu atât va fi mai scumpă lansarea și cu atât va fi mai puțin permisiunea pentru instrumentele științifice.

Deci, în ultimele decenii, inginerii spațiali au dezvoltat o modalitate mai eficientă de a încetini o navă spațială. În loc să ardă combustibil, această nouă metodă profită de atmosfera care există în majoritatea locațiilor pe care am dori să le vizităm. Nava spațială se apropie de marginile superioare ale atmosferei și se cufundă, unde frecarea o va încetini cu o cantitate mică. Apoi, nava spațială se trage înapoi înainte de a se scufunda din nou, încetinind treptat peste mai multe căderi și coborând orbita în timp.

Această metodă, numită aerofrânare, a fost folosită de navele spațiale de pe Marte și chiar a fost experimentată pentru navele spațiale care se întorc pe Pământ. Dar acum echipele de misiune doresc să folosească tehnica și pentru două dintre misiunile viitoare Venus.

Câteva nave spațiale Venus anterioare precum Magellan și Venus Express au folosit aerofrânarea la sfârșitul misiunile lor, când munca lor științifică principală a fost încheiată și echipele au vrut să experimenteze cu tehnică. Dar EnVision și VERITAS vor fi prima navă spațială care va folosi aerofrânarea la începutul misiunilor lor pentru a ajunge pe orbita corectă.

Un maraton de 15 luni 

Când EnVision va ajunge la Venus, va orbita la o altitudine de 150.000 de mile. Și trebuie să coboare până la 300 de mile deasupra suprafeței pentru a obține citirile pe care le dorește echipa. Pentru a face acest lucru, se va scufunda în atmosferă de mii de ori pe o perioadă cuprinsă între 15 luni și doi ani, trecând treptat pe orbita corectă.

Acest lucru necesită o planificare meticuloasă, dar necesită și cunoștințe detaliate despre condițiile atmosferice pentru a prezice modul în care manevrele vor afecta nava spațială. Cei mai mari factori care afectează aerofrânarea vor fi temperatura, densitatea și viteza vântului, toate acestea variand considerabil în diferite părți ale atmosferei venusiene.

Asta face ca aerofrânarea la Venus să fie mult mai complicată decât aerofrânarea pe Marte, de exemplu. Venus are o gravitație mult mai mare decât Marte, ceea ce înseamnă că nava spațială va experimenta viteze mult mai mari atunci când trece prin atmosferă. De aceea procesul va dura atât de mult.

Mediul dur al lui Venus

O altă provocare este că Venus este un loc profund inospitalier, și asta se extinde și asupra atmosferei sale. Venus este mai aproape de Soare decât Pământ, așa că primește căldură considerabilă și radiații solare pe care nava spațială trebuie să le poată rezista. Și pe măsură ce nava spațială scade în atmosferă pentru aerofrânare, frecarea o face să încetinească - dar asta provoacă și încălzire.

Temperaturile exacte pe care le va experimenta nava spațială vor depinde de deciziile finale de proiectare, dar vor fi în regiune de „poate 200 sau 300 de grade Celsius pentru cea mai mare temperatură”, Adrian Tighe, cercetător al materialelor pentru EnVision, a spus. Există, de asemenea, radiația ultravioletă de la soare pe care nava spațială va trebui să le gestioneze. „Este un mediu destul de dur pentru materiale.”

Cea mai mare amenințare la adresa navei spațiale în timpul aerofrânării, totuși, nu este căldura sau radiația. Mai degrabă, este o componentă a atmosferei superioare, oxigenul atomic. Spre deosebire de majoritatea moleculelor de oxigen de pe Pământ, care sunt formate din doi atomi de oxigen, oxigenul atomic a fost divizat de radiația de la soare și, deci, are doar un atom de oxigen. Aceasta înseamnă că este foarte reactiv, astfel încât poate mânca materialele și le poate coroda.

Aceasta este o veste proastă pentru nava spațială, care trebuie să supraviețuiască fazei de aerofrânare de câteva luni și apoi să poată continua la misiunea sa științifică. Și nava spațială va fi literalmente bombardată de aceste particule, deoarece se va mișca cu o viteză mare de aproximativ cinci mile pe secundă. „Este o combinație a unei reacții chimice și a vitezei de impact” care va cauza problema, a explicat Tighe, cu particule lovind nava spațială „ca un glonț cu viteză”.

Găsirea materialelor rezistente la Venus

Oxigenul atomic poate oxida metalele, dar este și mai rău pentru polimeri. Aceste materiale asemănătoare plasticului, făcute din carbon, hidrogen și oxigen, reacționează cu oxigenul atomic pentru a forma compuși precum dioxidul de carbon care se evaporă și astfel materialul este pierdut în spațiu. Oxigenul atomic poate reacționa și cu vopselele, cum ar fi vopselele albe, care sunt necesare pentru a reflecta căldura care poate deveni maro și devine mai puțin eficient, precum și cu material izolator numit multistrat izolatie.

Cea mai mare îngrijorare sunt panourile solare ale navei spațiale, pentru că sunt atât de expuse. Celulele solare sunt acoperite cu sticlă, care este rezistentă la oxigenul atomic, dar acestea sunt așezate într-un substrat realizat de obicei din fibră de carbon, care este susceptibilă la eroziune. O altă componentă sensibilă este folia subțire folosită ca izolație între celulă și panou, numită kapton. Și există o folie subțire care conectează diferitele celule, care uneori este făcută din argint - și care este și sensibilă. Deci, inginerii lucrează fie la alegerea diferitelor materiale, fie la găsirea unor modalități de a proteja materialele de expunerea la oxigenul atomic.

Deși oxigenul atomic nu se găsește prea mult pe suprafața Pământului, avem o oarecare înțelegere a modului în care să-l tratăm așa cum se găsește pe orbita Pământului. Sateliții sunt proiectați să reziste la o anumită densitate de oxigen atomic, așa că inginerii folosesc principii similare pentru a proiecta nava spațială EnVision pentru a o face rezistentă. Dar mediul Pământului nu implică temperaturi atât de ridicate, așa că combinația de oxigen atomic și temperaturi ridicate este o nouă provocare.

„Așa că a trebuit să folosim cele mai robuste materiale”, a spus Tighe, al cărui grup a fost ocupat să testeze materiale precum izolația, vopseaua și energia solară. componentele panoului pentru a le găsi pe cele care vor fi capabile să reziste 15 luni din acest mediu dur înainte chiar de a-și începe misiunea principală.

Date științifice gratuit

Misiunea principală a EnVision nu va începe până când manevrele de aerofrânare nu vor aduce nava spațială pe orbita sa finală, între 130 și 340 de mile. Dar oamenii de știință nu lasă niciodată să treacă o oportunitate de a învăța, așa că o echipă de cercetare lucrează la ceea ce ar putea afla despre Venus și în timpul fazei de aerofrânare.

Oamenii de știință din atmosferă sunt încântați de posibilitatea de a obține o vedere de aproape a atmosferei superioare a planetei, care este rar studiată. Studierea atmosferei superioare este dificilă, potrivit cercetătorului EnVision Gabriella Gilli de la Instituto de Astrofísica de Andalucía din Spania, deoarece este atât de subțire în comparație cu densitatea inferioară atmosfera. „Este dificil de măsurat cu instrumente de teledetecție. Nu avem suficientă precizie pentru ca instrumentele să măsoare o densitate atât de mică”, a explicat Gilli.

De aceea manevra de aerofrânare oferă o oportunitate științifică atât de unică. Prin măsurători de factori precum densitatea și temperatura în timpul manevrelor, oamenii de știință își pot construi o imagine mai cuprinzătoare a regiunii superioare a atmosferei.

„Vrem cu adevărat să știm care este starea atmosferei în fiecare parte a planetei”, a spus Gilli. Dar în prezent, datele limitate pe care le avem de la Venus se limitează la observații foarte localizate. Există, de asemenea, diferențe mari între modul în care atmosfera se comportă în timpul zilei și în timpul nopții, pe care abia începem să le înțelegem.

Dacă oamenii de știință pot obține date despre atmosfera superioară în această fază, le pot compara cu datele din alte misiuni ca DaVinci să încerce să pună cap la cap ceea ce se întâmplă în atmosferă în ansamblu, mai degrabă decât într-o singură Locație.

Adaptarea la condiții

Observațiile colectate în timpul fazei de aerofrânare nu vor fi însă doar de interes științific. Aceștia vor fi, de asemenea, transmisi echipei navei spațiale, care poate ajusta modul în care sunt manevrele planificat dacă, să zicem, se dovedește că densitatea într-o parte a atmosferei este diferită de ceea ce a fost așteptat.

„Atmosfera lui Venus este extrem de variabilă”, a explicat Gilli, ceea ce înseamnă că temperatura și densitatea ei se modifică în moduri complexe. „Și variabilitatea este și mai mare în partea superioară a atmosferei.”

Asta înseamnă că previziunile limitate pe care le avem despre ce să ne așteptăm ar putea avea nevoie de ajustări considerabile odată ce nava spațială ajunge la Venus. Modelarea condițiilor pe care le va întâlni nava spațială va fi „o activitate continuă până la lansare”, conform lui Thomas Voirin, managerul studiului EnVision.

Și chiar și după lansare, reglarea manevrelor de aerofrânare este un proces iterativ. Echipa misiunii are modele despre ceea ce se pot aștepta să găsească, dar „cu siguranță, realitatea va fi diferită”, a spus Voirin. Întregul proces este proiectat cu marje largi, pentru a permite diferite abateri posibile de la predicții.

O fază delicată

Lansarea oricărei misiuni interplanetare este dificilă, dar aerofrânarea la Venus este o provocare deosebită. De la rotația rapidă a unor părți ale atmosferei până la efectele activității solare, cu vânturi rapide și variabilitate ridicată, există o mulțime de factori pe care navele spațiale precum EnVision vor trebui să le facă față cu.

„Aceasta este o fază foarte provocatoare. O fază foarte delicată”, a spus Gilli.

Dar dacă funcționează, ar putea demonstra o modalitate nouă și mai accesibilă de a introduce navele spațiale pe orbită — și asta înseamnă că misiunile pot fi mai ambițioase în ceea ce privește obiectivele lor științifice, fără a fi mai multe scump.

Procesul este lung și va necesita răbdare din partea cercetătorilor și a publicului, dar are potențialul de a schimba modul în care facem științe planetare la Venus.

„Pare un lucru destul de complicat. Te gândești, ei bine, de ce ai face asta? De ce ai petrece doi ani așteptând o manevră destul de riscantă? Pentru că permite cu adevărat misiunea”, a spus Tighe. Și există și ceva în mod inerent satisfăcător. „Este pur și simplu îngrijit, folosind atmosfera în sine pentru a vă permite să intrați pe orbită. Este un mod frumos de a face asta.”

Recomandările editorilor

• Iată de ce oamenii de știință cred că viața poate să fi prosperat pe „planeta iadului” Venus
• Vedeți luna și Jupiter devenind confortabil în momentele de observare a cerului din luna mai
• Cum clasa de astronauți a NASA din 1978 a schimbat fața explorării spațiului
• Activitatea vulcanică a lui Venus a lăsat-o cu o înveliș exterioară moale
• Două nave spațiale au lucrat împreună pentru a afla despre câmpul magnetic al lui Venus