Как новый зонд НАСА переживет ад Венеры

Поскольку это наш ближайший сосед, вы можете подумать, что мы хорошо понимаем планету Венера. Но вы ошибаетесь. НАСА не посещало эту планету более 30 лет, и в этом месте так много всего, что мы едва понять, от его геологической истории до того, какие породы находятся на его поверхности, что большая часть его окружающая среда по сути загадка.

Ученые полагают, что Венера была когда-то как Земля, но в какой-то момент своей эволюции они разошлись и стали совершенно разными местами, которыми они являются сегодня. Мы знаем, что Венера имеет плотную атмосферу, которая сохраняет тепло и делает ее самой горячей планетой в Солнечной системе. И мы знаем, что его поверхность покрыта горами, разломами и вулканами, хотя и не знаем, действуют ли они до сих пор.

Одна из причин, по которой о Венере так много остается неизвестным, заключается в том, что ее толстая атмосфера скрывает большую часть ее территории от глаз, и трудно заглянуть сквозь слои облаков, чтобы увидеть, что находится под ней. Другая причина в том, что это пугающе негостеприимное место. Из-за температуры обжига и густой, наполненной кислотой атмосферы, ничто искусственное не сохранилось на его поверхности более нескольких минут.

Но если мы хотим узнать больше об этой загадочной планете по соседству, нам нужно ее посетить. И это именно то, что планирует сделать миссия НАСА DAVINCI, запустив зонд в атмосферу, чтобы снимать показания на всем протяжении, пока он падает на поверхность. Миссия, которая станет одной из трио миссий на Венеру в следующем десятилетии, запуск запланирован на 2029 год, а прибытие на Венеру для падения через атмосферу - в 2031 году.

Чтобы узнать, как построить зонд, способный противостоять этой адской среде, и чему мы можем из этого научиться, мы поговорили с двумя члены команды DAVINCI: Джим Гарвин, главный исследователь миссии, и Майк Секерак, системный проект инженер.

Что случилось с атмосферой Венеры?

Венера представляет собой рубеж планетарной науки, о котором известно очень мало, учитывая, насколько она относительно близка к нам. Что происходит под верхним слоем облаков — особенно интригующий вопрос.

«Характеристика атмосферы, от вершин облаков до поверхности – это большое, массивное Атмосфера, 75% массы которой находится в нижних 15–20 километрах, практически не исследована», — заявил Гарвин. сказал.

Зонды, отправленные на Венеру в 1960-х и 1970-х годах, пытались собрать данные об атмосфере и добились определенного успеха. Но предыдущие измерения атмосферы были ненадежными из-за физических проблем с предыдущими зондами, таких как засорение входных отверстий и ограниченность доступных технологий. Это привело к искажению показаний, о которых Гарвин говорит: «Некоторые из них не имеют смысла».

В частности, нижние слои атмосферы во многом остаются загадкой. Это может быть сверхкритическая жидкость, в которой температура и давление настолько велики, что она хлещет, как жидкость. Существует также вопрос о том, как камни на поверхности планеты взаимодействуют с атмосферой.

А изучение атмосферы и поверхности могло бы помочь ответить на один из самых больших вопросов, которые у нас есть о Венере: были ли когда-то на ее поверхности океаны с жидкой водой, и если да, то что с ними случилось?

Две большие проблемы

Венера не самое подходящее место для зонда: здесь в два раза жарче, чем в духовке, а давление на поверхности больше, чем на глубине километра океана.

«Технические проблемы, с которыми мы сталкиваемся, весьма интересны», — сказал Секерак. Самой большой проблемой для любой потенциальной миссии на Венеру является жара, поскольку температура поверхности может достигать 900 градусов по Фаренгейту (475 градусов по Цельсию). Это достаточно горячо, чтобы расплавить свинец, и это наносит ущерб электронике.

Однако это только одна часть экологической проблемы. «Однако давление не сильно отстает с точки зрения трудностей», — сказал Секерак. Давление на поверхности составляет около 95 бар, что почти в 100 раз превышает атмосферное давление на Земле. Поверхность Земли, поэтому разработка зонда для такой среды — это все равно, что построить подводная лодка.

Когда он будет сброшен в атмосферу, DAVINCI будет участвовать в гонке со временем, чтобы собрать всю необходимую информацию, прежде чем жара и давление разрушат его компоненты. Чтобы зонд оставался активным как можно дольше, он имеет сферическую форму и покрыт толстой титановой оболочкой, которая выдерживает давление и изолирует от тепла. Кроме того, внутри этой оболочки есть еще изоляция, сделанная из специальных материалов, включая астрокварц, тип волокна, изготовленного из плавленого кварца.

Внутренняя часть спроектирована так, чтобы компоненты были термически изолированы от внешней среды, чтобы предотвратить передачу тепла от корпуса. Затем он заполняется углекислым газом, чтобы защитить высоковольтную электронику от искрения и предотвратить утечку земных газов во время запуска.

В целом зонд, который команда называет сферой спуска, имеет диаметр около одного метра. Его спустят с орбитального корабля на парашюте, чтобы замедлить спуск, хотя атмосфера помогает. это потому, что он настолько толстый, что это больше похоже на падение зонда в воду, чем в воздух.

В общей сложности зонду потребуется 63 минуты, чтобы достичь поверхности, и за этот час он соберет как можно больше данных, прежде чем он будет неизбежно уничтожен жестокой окружающей средой.

Отбор проб до конца

Спускающаяся сфера будет проходить сквозь атмосферу и брать образцы на всем протяжении, чтобы построить картину атмосферы сверху вниз.

Внутри сферы будут находиться такие инструменты, как спектрометры, подобные приборам марсоходов Curiosity и Настойчивость, которая позволяет измерять химический состав образцов, глядя на длины волн света, которые они поглощать. Но в отличие от марсоходов, сбор и тщательный анализ образца которых могут занять часы или дни, DAVINCI придется провести отбор проб и анализ за считанные минуты.

В разных точках сферы есть впускные клапаны с керамическими крышками, которые отрываются для всасывания газов. Эти газы необходимо очень быстро проанализировать, а затем выпустить наружу, чтобы можно было взять больше проб. Это позволит зонду получить наиболее детальное представление о химическом составе атмосферы во всех ее слоях.

Пока это происходит, другие датчики зонда будут измерять такие факторы, как температура и давление, чтобы помочь понять структуру атмосферы. Затем все эти данные будут отправлены обратно на орбитальный аппарат до того, как зонд достигнет поверхности.

Зонд предназначен только для отбора проб в атмосферу, а не для приземления. Но когда он приземлится на поверхность, есть вероятность, что он выживет. Плотная атмосфера и парашют помогут замедлить его спуск, но «он определенно достигнет скорости, которая, ух, не идеальна для космического оборудования», — со смехом сказал Секерак.

Однако, если зонд выживет при приземлении, сбор данных может длиться до 20 минут, прежде чем тепло проникнет в сферу и поджарит электронику. И это будет еще больше дополнительных данных о температуре и давлении поверхности, а также о присутствующих газах.

Понимание химии атмосферы — лишь часть целей DAVINCI. Другая часть, которая может быть наиболее интересной для публики, — это фотографирование загадочной поверхности Венеры.

Венера в человеческом масштабе

Зонд приземлится «в горах Венеры, в местности, которую человечество никогда раньше не видело», сказал Гарвин. И команда хочет записать этот опыт как визуально, так и химически.

На сфере спуска также будет установлена ​​камера, которая будет делать высококонтрастные изображения поверхности, которые затем можно будет встроить в 3D-карты.

Однако для того, чтобы камера могла работать изнутри металлической сферы, вам нужно окно. А стекло — не лучший материал для работы в средах с очень высоким давлением. Именно поэтому окно DAVINCI будет сделано не из стекла, а из сапфира.

«Это буквально очень, очень большой кусок сапфира», — сказал Секерак. «Потому что у него отличные оптические свойства». Он очень сильный, но в то же время очень четкий, поэтому не искажает изображения, снятые через него. Но неизбежно, что окно, пропускающее свет, также пропускает больше тепла, поэтому инженеры добавили материалы с фазовым переходом вокруг оконного узла. Этот материал плавится при определенной температуре, поглощая избыточное тепло от окна.

Это позволит камере делать четкие и четкие изображения во время спуска. Они будут использоваться для фотографирования местности Венеры, сверху и до самой поверхности.

«Наши окончательные изображения будут иметь разрешение 10 сантиметров», — сказал Гарвин. «Это масштаб, который вы увидите, глядя на свою гостиную».

Гарвин не только предлагает множество научных данных, но и надеется, что получение изображений такого масштаба поможет помочь публике почувствовать, что они могут видеть Венеру как реальное место, а не просто точку, за которой можно наблюдать издалека.

«Мы хотим перенести на Венеру человеческое зрение и наше сенсорное восприятие», — сказал он. «Мы начнем ощущать Венеру в человеческом масштабе».

Тестирование неизвестного

Самая сложная часть миссии на Венеру даже не связана с известными нам проблемами, такими как температура и давление. Он пытается предвидеть, какие проблемы могут возникнуть в среде, о которой у нас так мало информации.

Вот почему тестирование и подготовка станут важной частью того, что команда DAVINCI будет делать в течение следующих семи лет, готовясь к запуску, запланированному на 2029 год.

«Мы проводим тестирование в худшем случае», — объяснил Секерак. «Поэтому мы проверяем, какой может быть худшая среда».

Например, исследователи знают, что в облаках Венеры есть капли серной кислоты, а серная кислота разъедает материалы. Особое беспокойство вызывает кевларовый шнур, которым прикрепляется спускаемая сфера к парашюту. Поэтому, чтобы проверить, выдержит ли шнурок кислотную среду, инженеры не просто подвешивают его в нескольких каплях кислоты – они покрывают всю поверхность. в кислоте, затем проверьте силу натяжения шнура, чтобы убедиться, что он сможет продержаться достаточно долго, чтобы провести зонд через атмосферу даже в самых худших возможных условиях. случай.

Что касается того, как тестировать оборудование в условиях, столь непохожих на Землю, вам придется проявить творческий подход. Чтобы посмотреть, сколько времени потребуется, чтобы металлическая сфера нагрелась, команда отвезла ее в литейный цех. «Их работа — плавить металл», — сказал Секерак. «И мы поместили туда наши приборы, чтобы попрактиковаться в нагреве и измерить этот тепловой поток».

Идея состоит в том, чтобы создать достаточный запас в каждой критической системе, чтобы учесть любые неизвестные, которые планета может бросить в сферу. Гарвин объяснил: «Мы вложили… много инженерных идей и мер по снижению рисков в то, как мы это делаем».

Это даже влияет на способ сбора данных. «Если у нас будет хороший день на Венере, мы, вероятно, получим обратно 500 изображений спуска», — сказал он. «Если у нас будет самый худший день, известный человечеству, мы, вероятно, вернем 35 дней. Но 35 — это намного больше, чем нам нужно для такого картографирования». Конечно, больше изображений означает больше информации, и это предпочтительнее, поскольку открывает больше научных возможностей. Но даже в самых худших условиях они узнают бесценную информацию.

Всегда что-то новое, чему можно научиться

Посещение Венеры — огромная задача даже по амбициозным стандартам крупных космических миссий. Но потенциальная отдача от того, чему мы можем научиться, огромна.

Изучение Венеры само по себе будет увлекательным. Но это также важно для нашего понимания экзопланет. Поскольку такие миссии, как космический телескоп Джеймса Уэбба, открывают и исследуют новые планеты за пределами нашей Солнечной системы, нам понадобится ориентир для скалистых планет, таких как Земля, Марс и Венера.

У нас есть довольно четкое представление об основных характеристиках Земли и Марса, и, добавив данные с Венеры, мы сможем гораздо лучше понять далекие планеты.

«Венера станет калибровочной точкой для больших, скалистых планет с атмосферой. что мы сможем увидеть и понять с помощью Уэбба и больших телескопов, которые появятся за его пределами», — Гарвин сказал.

И, конечно же, есть самый человеческий инстинкт — учиться, исследовать и путешествовать в новые места. «Это одна из причин, почему мне нравится работать над этими миссиями по исследованию космоса – мы отправляемся в место, о котором мало что знаем», – сказал Секерак.

Мы многое узнали о строительстве для окружающей среды Земли и Марса, и теперь мы можем взять часть этих знаний и применить их где-нибудь в другом месте. Создание такой среды расширит возможности наших технологий, а посещение ее с помощью зонда может начать разгадывать некоторые из ее тайн. Как сказал Секерак, посещая новую космическую среду, «всегда можно узнать что-то новое».

Рекомендации редакции

• Внутри безумного плана собрать и привезти домой немного атмосферы Венеры.
• Как посмотреть, как частная миссия НАСА прибывает на космическую станцию
• Как класс астронавтов НАСА в 1978 году изменил облик освоения космоса
• Как посмотреть, как НАСА представляет скафандр следующего поколения
• Венера, Юпитер и Церера фигурируют в мартовских советах НАСА по наблюдению за небом