Cum va supraviețui noua sondă a NASA peisajului infernal al lui Venus

Deoarece se întâmplă să fie vecinul nostru de alături, vă puteți imagina că avem o înțelegere aprofundată a planetei Venus. Dar ai greși. NASA nu a mai vizitat planeta de mai bine de 30 de ani și sunt atât de multe despre loc încât abia dacă înțelegeți, de la istoria sa geologică până la ce tipuri de roci sunt pe suprafața sa, atât de mult din ea mediu este în esență un mister.

Oamenii de știință cred că Venus a fost cândva ca Pământul, dar cei doi s-au separat la un moment dat în evoluția lor pentru a deveni locurile foarte diferite în care se află astăzi. Știm că Venus are o atmosferă groasă care se menține în căldură și o face cea mai fierbinte planetă din sistemul solar. Și știm că suprafața sa este acoperită de munți, rupturi și vulcani, deși nu știm dacă aceștia sunt încă activi.

Un motiv pentru care rămân atât de multe necunoscute despre Venus este că atmosfera sa groasă ascunde cea mai mare parte a terenului din vedere și este greu să privești prin straturi de nori pentru a vedea ce este dedesubt. Un alt motiv este că este un loc înfiorător de neospitalier. Între temperaturile sale de coacere și atmosfera sa groasă, plină de acid, nimic produs de om nu a supraviețuit pe suprafața sa mai mult de câteva minute.

Dar dacă vrem să aflăm mai multe despre această planetă misterioasă de alături, trebuie să o vizităm. Și asta este ceea ce intenționează să facă misiunea DAVINCI a NASA, aruncând o sondă prin atmosferă pentru a face citiri până la capăt, în timp ce aceasta cade la suprafață. Misiunea, care va fi una dintre un trio de misiuni către Venus în următorul deceniu, este programat să se lanseze în 2029 și să ajungă la Venus pentru a se prăbuși prin atmosferă în 2031.

Pentru a afla cum construiți o sondă pentru a rezista acestui mediu infernal și ce am putea învăța din el, am vorbit cu doi membri ai echipei DAVINCI: Jim Garvin, investigator principal al misiunii, și Mike Sekerak, proiect de sisteme inginer.

Ce e cu atmosfera lui Venus?

Venus reprezintă o frontieră în știința planetară despre care se cunosc foarte puține, având în vedere cât de relativ aproape este de noi. Ce se întâmplă sub stratul de nor superior este o întrebare deosebit de interesantă.

„Caracterizarea atmosferei, de la vârful norilor până la suprafață – atât de mare, masivă atmosferă, a cărei masă 75% se află în cei 15 până la 20 de kilometri inferiori – este aproape neexplorată”, a spus Garvin. a spus.

Sondele trimise pe Venus în anii 1960 și 1970 au încercat să adune date despre atmosferă și au avut un oarecare succes. Dar măsurătorile anterioare efectuate ale atmosferei au fost nesigure, din cauza problemelor fizice cu sondele anterioare, cum ar fi prizele înfundate și tehnologia limitată disponibilă. Asta a dus la câteva lecturi amestecate, despre care Garvin spune: „Unele dintre ele nu au sens”.

Atmosfera inferioară în special este în multe privințe un mister. Ar putea fi un fluid supercritic, în care temperatura și presiunea sunt atât de mari încât zvâcnește ca un lichid. Există, de asemenea, întrebarea cum interacționează rocile de pe suprafața planetei cu atmosfera.

Și studierea atmosferei și a suprafeței ar putea ajuta să răspundă la una dintre cele mai mari întrebări pe care le avem despre Venus: a avut odată oceane cu apă lichidă la suprafața sa și, dacă da, ce s-a întâmplat cu ele?

Două mari provocări

Venus nu este un loc primitor pentru o sondă: este de două ori mai cald decât un cuptor și există mai multă presiune la suprafață decât sub un kilometru de ocean.

„Provocările tehnice pe care le avem aici sunt destul de interesante”, a spus Sekerak. Cea mai mare problemă pentru orice potențială misiune pe Venus este căldura, deoarece temperaturile de suprafață pot fi până la 900 de grade Fahrenheit (475 de grade Celsius). Este suficient de fierbinte pentru a topi plumbul și face ravagii electronice.

Totuși, aceasta este doar o parte a provocării de mediu. „Presiunea, însă, nu este cu mult în urmă în ceea ce privește dificultățile”, a spus Sekerak. Presiunea la suprafață este de aproximativ 95 de bari, sau de aproape 100 de ori presiunea atmosferică de pe Suprafața Pământului, așa că proiectarea unei sonde pentru acest tip de mediu este un fel de a construi un submarin.

Când va fi aruncat în atmosferă, DAVINCI va fi într-o cursă contra cronometru pentru a aduna toate informațiile de care are nevoie înainte ca căldura și presiunea să-i distrugă componentele. Pentru a menține sonda activă cât mai mult timp posibil, aceasta este sferică și acoperită cu o carcasă groasă de titan pentru a rezista la presiune și a izola împotriva căldurii. Apoi, există mai multă izolație în interiorul acestei carcase, realizate din materiale speciale, inclusiv astroquartz, un tip de fibră realizată din cuarț topit.

Interiorul este conceput pentru a menține componentele izolate termic și de exterior, pentru a preveni transferul căldurii din carcasă. Este apoi umplut cu dioxid de carbon pentru a proteja electronicele de înaltă tensiune de scântei și pentru a împiedica scurgerea oricăror gaze Pământului în timpul lansării.

În general, sonda, pe care echipa o numește sfera de coborâre, are aproximativ un metru diametru. Va fi eliberat dintr-un orbiter cu o parașută pentru a-și încetini coborârea, deși atmosfera ajută cu asta pentru că este atât de groasă încât este mai mult ca să scapi sonda prin apă decât prin aer.

În total, va dura 63 de minute pentru ca sonda să ajungă la suprafață, iar în acea oră va aduna cât mai multe date posibil înainte de a fi inevitabil distrusă de mediul brutal.

Eșantionarea până la capăt

Sfera de coborâre va cădea prin atmosferă și va eșantiona până în jos, pentru a construi o imagine a atmosferei de sus în jos.

În interiorul sferei vor fi instrumente precum spectrometre, similare cu instrumentele de pe roverele Marte Curiosity și Perseverența, care poate măsura compoziția chimică a probelor privind lungimile de undă ale luminii pe care le absorbi. Dar, spre deosebire de roverele de pe Marte, care poate dura ore sau zile pentru a colecta și analiza cu atenție o probă, DAVINCI va trebui să-și facă eșantionarea și analiza în câteva minute.

Există supape de admisie în diferite puncte peste sferă, cu capace ceramice care se desprind pentru a ingera gaze. Aceste gaze trebuie analizate extrem de rapid, apoi ventilate, astfel încât să poată fi prelevate mai multe probe. Acest lucru va permite sondei să obțină cea mai detaliată privire de până acum asupra chimiei atmosferei în toate straturile sale.

În timp ce se întâmplă acest lucru, alți senzori din sondă vor măsura factori precum temperatura și presiunea, pentru a ajuta la înțelegerea structurii atmosferei. Apoi toate aceste date vor fi trimise înapoi la orbiter înainte ca sonda să lovească suprafața.

Sonda este proiectată doar pentru a preleva probe în atmosferă, și nu pentru a ateriza. Dar când aterizează la suprafață, există posibilitatea ca acesta să supraviețuiască. Atmosfera groasă și parașuta îi vor ajuta la încetinirea coborârii, dar „cu siguranță va lovi la o viteză care este, uhh, mai puțin decât ideală pentru hardware-ul de zbor spațial”, a spus Sekerak râzând.

Dacă sonda supraviețuiește totuși aterizării, ar putea dura până la 20 de minute de colectare a datelor înainte ca căldura să treacă prin sferă și să prăjească electronicele. Și acestea vor fi și mai multe date bonus privind temperatura și presiunea suprafeței, precum și gazele prezente.

Înțelegerea chimiei atmosferei este doar o parte a obiectivelor lui DAVINCI. Cealaltă parte, care ar putea fi cea mai incitantă pentru public, este fotografiarea misterioasei suprafețe venusiane.

Venus la scară umană

Sonda va coborî „în munții lui Venus, pe un fel de teren care nu a mai fost văzut niciodată de omenire”, a spus Garvin. Și echipa vrea să înregistreze această experiență atât vizual, cât și chimic.

Sfera de coborâre va avea, de asemenea, o cameră care va capta imagini cu contrast ridicat ale suprafeței, care pot fi apoi încorporate în hărți 3D.

Pentru ca o cameră să funcționeze din interiorul unei sfere de metal, totuși, aveți nevoie de o fereastră. Iar sticla nu este un material grozav pentru a face față unor medii cu presiuni intense. De aceea fereastra lui DAVINCI nu va fi făcută din sticlă, ci din safir.

„Este literalmente o bucată foarte, foarte mare de safir”, a spus Sekerak. „Pentru că are proprietăți optice grozave.” Este foarte puternic, dar și foarte clar, așa că nu va distorsiona imaginile realizate prin el. Dar, inevitabil, o fereastră care lasă să pătrundă lumina va lăsa și mai multă căldură, așa că inginerii au adăugat materiale pentru schimbarea fazei în jurul ansamblului ferestrei. Acest material se topește la o anumită temperatură pentru a absorbi căldura în exces de la fereastră.

Acest lucru va permite camerei să realizeze imagini clare și clare în timpul coborârii sale. Acestea vor fi folosite pentru a fotografia terenul lui Venus, de la sus și până la suprafață.

„Imaginile noastre finale vor avea o rezoluție de 10 centimetri”, a spus Garvin. „Acesta este cântarul pe care ai vedea-o privind în camera ta de zi.”

Pe lângă faptul că oferă o mulțime de date științifice, Garvin speră că capturarea imaginilor la această scară va fi ajuta publicul să simtă că poate vedea Venus ca un loc real, nu doar un punct de observat departe.

„Vrem să aducem viziunea umană și percepția noastră senzorială asupra lui Venus”, a spus el. „Vom începe să simțim Venus la scara umană.”

Testarea pentru necunoscut

Adevărata parte dificilă a unei misiuni către Venus nu este nici măcar de a face față provocărilor despre care știm, cum ar fi temperatura și presiunea. Încearcă să anticipăm ce provocări ar putea apărea dintr-un mediu despre care avem atât de puține informații.

De aceea, testarea și pregătirea vor fi o mare parte din ceea ce face echipa DAVINCI în următorii șapte ani, în pregătirea pentru o lansare programată pentru 2029.

„Facem teste în cel mai rău caz”, a explicat Sekerak. „Așa că testăm care ar putea fi cel mai rău mediu.”

De exemplu, cercetătorii știu că norii lui Venus au picături de acid sulfuric în ei – iar acidul sulfuric mănâncă prin materiale. Este o preocupare deosebită pentru șnurul Kevlar care va atașa sfera de coborâre la parașută. Deci, pentru a testa dacă șnurul poate rezista la mediul acid, inginerii nu îl suspendă doar în câteva picături de acid, ci acoperă întreaga suprafață. în acid, apoi testați puterea de tracțiune a șnurului pentru a vă asigura că poate supraviețui suficient de mult pentru a duce sonda prin atmosferă chiar și în cel mai rău posibil caz.

În ceea ce privește modul în care testați hardware-ul în medii atât de diferite de Pământ, trebuie să fiți creativ. Pentru a vedea cât timp va dura până se încălzește sfera de metal, echipa a dus-o la o turnătorie de metal. „Slujba lor este să topească metalul”, a spus Sekerak. „Și am pus instrumentele noastre acolo înăuntru pentru a exersa încălzirea, pentru a măsura fluxul de căldură.”

Ideea este de a construi o marjă suficientă în fiecare sistem critic pentru a permite orice necunoscute ar putea arunca planeta sferei. Garvin a explicat: „Am construit... multă gândire inginerească și reducerea riscurilor în modul în care facem asta.”

Acest lucru afectează chiar și modul în care vor fi colectate datele. „Dacă avem o zi bună pe Venus, probabil vom primi înapoi 500 de imagini de coborâre”, a spus el. „Dacă avem cea mai proastă zi cunoscută omenirii, probabil că vom primi 35 înapoi. Dar 35 este mult mai mult decât avem nevoie pentru a face acest tip de cartografiere.” Desigur, mai multe imagini înseamnă mai multe informații, iar acest lucru este de preferat, deoarece permite mai multă știință. Dar chiar și în cele mai rele condiții, vor afla informații neprețuite.

Întotdeauna ceva nou de învățat

Vizitarea lui Venus este o provocare enormă, chiar și după standardele ambițioase ale marilor misiuni spațiale. Dar potențialul câștig în ceea ce privește ceea ce putem învăța este uriaș.

Învățarea despre Venus va fi fascinantă de dragul ei. Dar este, de asemenea, important pentru înțelegerea noastră despre exoplanete. Pe măsură ce misiuni precum telescopul spațial James Webb descoperă și investighează noi planete din afara sistemului nostru solar, vom avea nevoie de un punct de referință pentru planetele stâncoase precum Pământul, Marte și Venus.

Avem o înțelegere destul de solidă a caracteristicilor esențiale ale Pământului și Marte și, adăugând date de la Venus, vom putea înțelege mult mai bine planetele îndepărtate.

„Venus va deveni un punct de calibrare, pentru tipurile de planete mari, stâncoase, purtătoare de atmosferă. pe care îl vom putea vedea și înțelege cu Webb și cu telescoapele mari care vin dincolo”, Garvin a spus.

Și, desigur, există cel mai uman dintre instinctele, de a învăța și de a explora și de a călători în locuri noi. „Acesta este unul dintre motivele pentru care îmi place să lucrez la aceste misiuni de explorare spațială – mergem într-un loc despre care nu știm prea multe”, a spus Sekerak.

Am învățat multe despre construirea pentru mediul Pământului și al lui Marte și acum putem lua o parte din aceste cunoștințe și le putem aplica într-un loc diferit. Construirea pentru acel mediu va extinde tehnologia noastră, iar vizitarea acesteia cu o sondă poate începe să dezvăluie unele dintre misterele sale. După cum a spus Sekerak, atunci când vizitezi un nou mediu spațial, „există întotdeauna ceva nou pe care îl poți învăța”.

Recomandările editorilor

• În planul nebunesc de a culege și aduce acasă un pic din atmosfera lui Venus
• Cum să urmăriți cum misiunea privată a NASA ajunge la stația spațială
• Cum clasa de astronauți a NASA din 1978 a schimbat fața explorării spațiului
• Cum să urmăriți NASA dezvăluind costumul său spațial de generație următoare
• Venus, Jupiter și Ceres figurează în sfaturile NASA privind observarea cerului pentru luna martie