Divoký plán priniesť domov trochu atmosféry Venuše

Ak ste nedávno sledovali vesmírne správy, pravdepodobne ste už počuli o Mars Sample Return – ambicióznom pláne NASA zbierať vzorky marťanských hornín a priviesť ich späť na Zem na štúdium. Táto misia je naplánovaná na spustenie neskôr v tomto desaťročí, ale zhromažďovanie a získavanie týchto vzoriek bude trvať roky a mimoriadne nákladný proces.

Mars však nie je jedinou planétou v dosahu návštevy. Prečo nepreskočíme k našej ďalšej planetárnej susedke, Venuši, a nezoberieme si vzorku aj odtiaľ?

To je práve to, čo navrhuje skupina výskumníkov Venuše. Hovorili sme s vedúcim skupiny návrhov, aby sme sa dozvedeli viac.

Stará myšlienka, ktorej čas prišiel

Vedci diskutujú o výhodách pokusu získať vzorku z Venuše už desaťročia, pričom koncepty misie boli študované už v 80. rokoch minulého storočia. Hoci Mars bol planétou, ktorej sa v posledných rokoch venovala najväčšia pozornosť, o planetárnu vedu je veľký záujem komunite, aby sme sa dozvedeli viac o Venuši – najmä preto, že by nám to mohlo pomôcť pochopiť viac o iných planétach mimo našej slnečnej systém.

Teraz by sa to mohlo zmeniť, keďže NASA začína desaťročie Venuše s dvojicou misií, ktoré tam majú navštíviť, spolu s misiou Európskej vesmírnej agentúry, všetky naplánované na nasledujúce desaťročie.

Predchádzajúce vzorové misie Venuše sa nikdy nerozbehli z niekoľkých dôvodov: zameranie sa na Mars skončilo Venuša, nedostatok technológie, ktorá by umožnila tak zložitú operáciu, a zásadná nehostinnosť Venuša. Venuša je horúca, s extrémne hustou atmosférou, čo vytvára veľmi drsné prostredie pre fungovanie elektroniky.

Pokúsiť sa letieť k Venuši, poslať sondu na povrch, odobrať vzorku, dostať ju späť na obežnú dráhu a jeho návrat na Zem by bol neúmerne drahý a vyžadoval by si značné technologické prostriedky vývoj.

Preto má skupina francúzskych výskumníkov odlišný prístup. Namiesto toho, aby sme sa pokúšali zhromaždiť kúsok povrchu Venuše, mali by sme sa pokúsiť zachytiť časť jej atmosféry. Misia Venus Atmospheric Sample Return alebo VATMOS-SR je koncept misie skupiny Parížskeho inštitútu planetárnej fyziky, ktorá sa snaží získať podporu pre svoj nápad.

Veľkou výhodou tohto prístupu je jeho relatívna jednoduchosť. Nie je potrebné nič pristávať na povrchu alebo sa vrátiť na obežnú dráhu. Namiesto toho by ste mohli poslať jednu kozmickú loď na cestu preč od Zeme a smerom k Venuši, kde by vstúpila do atmosféry a naplnila fľaše približne štyrmi litrami plynu. Potom by pokračovalo v ceste späť na Zem.

Kozmická loď by nemala žiadne prístroje a neurobila by žiadne údaje. Išlo by len o zberné vozidlo. Vďaka tomu je to bezpečnejšie, jednoduchšie a lacnejšie, vysvetlil vedúci výskumník Guillaume Avice pre Digital Trends.

"Len prechádzate atmosférou po balistickej trajektórii," povedal Avice. "Takže cesta tam trvá len jeden rok, odoberie si vzorku a dostane sa späť na Zem."

Plánovanie z dlhodobého hľadiska

V súčasnosti planetárne vedecké misie zvyčajne zahŕňajú posielanie nástrojov (ako sú tie na marsových roveroch) na miesto a ich vykonávanie meraní. Tento prístup obhajuje zhromažďovanie materiálu a jeho prinesenie späť na Zem, kde máme oveľa schopnejšie a rozmanitejšie nástroje na skúmanie.

A so vzácnou vzorkou z inej planéty je to trochu ďaleko. Vzorka niekoľkých litrov plynu by vedcov mohla zamestnať na roky.

„Naozaj skvelé je, že získate veľa plynu a môžete ho merať nie navždy, ale na dlhú dobu na Zemi,“ vysvetlil Avice. „Ak sa nad tým zamyslíte, môžete si uchovať trochu tej vzorky. Možno o desaťročie budeme mať na Zemi nový spektrometer, ktorý bude pre túto vzorku užitočný."

Toto plánovanie do budúcnosti dáva zmysel, keď sa pozriete na to, ako NASA pristúpila k lunárnym vzorkám zozbieraným počas misií Apollo na Mesiac. Niektoré vzorky boli analyzované hneď, ako sa vrátili na Zem, ale iné boli uložené na základe toho, že budúca technológia by umožnila ich analýzu do novej hĺbky. A tento dlhodobý prístup sa vyplatil, pri vzorke starej 50 rokov otvorili len minulý rok a odhaľovanie informácií o geológii a histórii Mesiaca.

Ak by sa nám podarilo odobrať podobnú vzorku atmosféry Venuše, veľká časť by sa dala uložiť aj dlhodobo. A výskumníkom by prospela čo i len hŕstka atómov vzorky plynu, takže vzorka niekoľkých litrov by stačila na poskytnutie výskumných materiálov pre celú komunitu Venuše.

Nadchádzajúca misia na Venuši s názvom Davinci plánuje vykonať podobné merania atmosféry, ale v tomto prípade je tu kríza v reálnom čase. Misia zahŕňa vrhnutie vzorky gule cez atmosféru, takže vzorky musia byť odobraté a spracované do jednej hodiny.

To spôsobilo problémy s predchádzajúcimi misiami Venuše v predchádzajúcich desaťročiach, čo viedlo k skomoleným nálezom pravdepodobne v dôsledku nesprávnej kalibrácie alebo upchatých prieduchov. Inžinieri robia všetko, čo je v ich silách, aby predvídali možné problémy s odberom vzoriek, ale to je ťažké urobiť, keď existuje toľko neznámych o prostredí, do ktorého misia vstupuje.

Ak je však vzorka prinesená späť na Zem, je tu dostatok času na kalibráciu prístrojov a dvojitú kontrolu výsledkov, vďaka čomu sú zistenia spoľahlivejšie.

Odoberanie vzorky pri veľmi vysokých rýchlostiach má určité komplikácie. Vyskytuje sa proces nazývaný frakcionácia, ktorý môže rozdeliť vzorku na rôzne časti, keď sa odoberie tak rýchlo, ale malo by byť možné to opraviť.

Ako by fungovala misia odberu vzoriek atmosféry

Existujú dobré dôvody, prečo sa nikto predtým nepokúsil o návrat vzorky Venuše. Pretože to nie je ľahké.

Zjavnou paralelou s návratovou misiou vzorky Venuše by bola misia Mars Sample Return, an nadchádzajúci spoločný podnik medzi NASA a Európskou vesmírnou agentúrou, ktorý sa má spustiť koncom roka 20. roky 20. Tento plán zhromaždiť vzorku z Marsu zahŕňa viacero roverov, pristávacích modulov alebo helikoptér, prebieha desaťročia a má nafúknutý rozpočet, ktorý znepokojuje aj zanietených nadšencov Marsu.

A Venuša je s hustou atmosférou, oblakmi kyseliny sírovej a tlakom porovnateľným s hĺbkami oceánu ešte nehostinnejšia ako Mars. Pokus o vrátenie vzorky z povrchu Venuše by bol „nočnou morou“, povedal Avice, a „pravdepodobne ešte drahší ako na Marse“.

To je dôvod, prečo skupina Avice navrhuje namiesto toho odobrať vzorku z atmosféry planéty. „Je to super lacné,“ povedal relatívne: Skupina odhaduje náklady na takúto misiu na 100 miliónov eur (110 miliónov dolárov) v porovnaní s Aktuálne odhady 8 až 9 miliárd USD pre Mars Sample Return.

Ani s relatívnou ľahkosťou atmosférickej vzorky sa však nepodarí žiadny starý kúsok atmosféry. Vo veľmi vysokých nadmorských výškach je atmosféra extrémne tenká a niektoré molekuly sú oddelené gravitáciou. Ak chcete získať reprezentatívnu vzorku, musíte ísť pod úroveň nazývanú homopauza, pod ktorou je atmosféra dostatočne dobre premiešaná, aby obsahovala všetky rôzne prítomné molekuly.

Na Venuši je homopauza približne 110 km (70 míľ) od povrchu, takže misia sa musí dostať pod túto úroveň. Ale čím hlbšie idete, tým je misia ťažšia. "Takže cieľom je byť tesne pod homopauzou s určitou bezpečnostnou rezervou," povedal Avice. "Ak pôjdeme hlbšie, bude to oveľa náročnejšie a drahšie."

Výzvy

Aj keď len dostať sa cez atmosféru planéty je ťažké. Jednou veľkou výzvou je otázka udržania kozmickej lode v bezpečí pred obrovským teplom, ktoré sa hromadí v dôsledku trenia v atmosfére.

Kozmické lode, ktoré vstúpia do atmosféry planéty – či už ide o návštevu inej planéty, ako je Mars, alebo návrat kozmickej lode na Zem cez atmosféru našej vlastnej planéty – majú silný tepelný štít, ktorý chráni citlivé komponenty vo vnútri pred veľmi vysokými teplotami teploty.

Dodanie roveru na Mars napríklad zahŕňa zabalenie roveru do tepelného štítu a následné utesnenie celej veci – rover a tepelný štít spolu s tryskami a ďalšími časťami kozmickej lode – do predného kužeľa rakety na štart. Keď je vesmírna loď vo vesmíre, je nasadená a cestuje na Mars, potom tepelný štít chráni rover pri prechode atmosférou na pristátie.

Na misiu s atmosférickou vzorkou by ste však potrebovali jeden tepelný štít, ktorý by fungoval dvakrát - počas vzorkovania na Venuši a znova pri návrate vzorky na Zem. Nie je jasné, či súčasná technológia tepelného štítu bude schopná chrániť kozmickú loď prostredníctvom dvoch takýchto expozícií.

Aby tepelný štít fungoval dvakrát, je „niečo, čo v skutočnosti nevieme, ako urobiť,“ povedal Avice. A môže to vyžadovať roky vývoja, aby to fungovalo, ak je to vôbec možné.

Čo robiť so vzorkou, keď bude späť na Zemi

Ďalšia výzva je prekvapivá. Mohli by ste si myslieť, že zozbierať vzorku je najťažšia vec a analyzovať ju, keď sa vráti na Zem, by bolo jednoduché. Ukazuje sa však, že práca so vzorkami plynu je ťažšia, než si dokážete predstaviť.

Atmosféra Venuše je plná látok, ktoré sa ľahko vyparujú, nazývané prchavé látky. Patria sem vzácne plyny a zlúčeniny vrátane dusíka, vodíka, uhlíka a síry. Ich štúdium je kľúčom k pochopeniu atmosféry Venuše, ale nie je ľahké ich prepravovať alebo študovať.

Na správne zachytenie prchavých látok vo vzorkovnici potrebujete veľmi dobrý ventil – oboje, aby nič z toho nebolo vzorka unikne, a tak neunikne žiadny z plynov z iných prostredí, ako je zemská atmosféra. To bol problém pre misiu Hayabusa2, ktorá dokázala vrátiť vzorku z asteroidu, ale zažila únik zemskej atmosféry pravdepodobne spôsobené otrasom rozmiestnenia padáka počas jeho návratu na Zem.

Aj keď sa vzorka dostane späť na Zem úplne nedotknutá, bez akýchkoľvek únikov, stále sa musíte rýchlo pohybovať, aby ste preniesli vzorku z fľaše do bezpečnejšej nádoby. Dokonca aj tie najtesnejšie ventily budú v priebehu mesiacov trochu presakovať, takže potrebujete systém viacerých nádoby, ktoré dokážu zachytiť všetko, čo unikne zo vzorky, a zakonzervovať z nej čo najviac možné.

Výskumníci sa vyvíjajú vákuové systémy na extrakciu a analýzu plynovvrátane tých použitý pre vzorku Hayabusa2, ale toto je stále nová oblasť technológie, ktorú je potrebné vyvinúť, aby bola misia s návratom vzorky atmosféry plne efektívna.

Budúcnosť planetárnej vedy: in situ vs. vzorový návrat

Misia vzorkovania atmosféry je stále pevne v štádiu koncepcie a skupina dúfa, že ju získa v ďalšom kole návrhov pre Európsku vesmírnu agentúru alebo možno NASA.

Je to ambiciózny plán, ale nie je to taký bizarný koncept, ako by to bolo pred niekoľkými rokmi. "Pred desiatkami rokov bol návrat vzoriek len snom a nebol to naozaj vážny," povedal Avice, ale teraz s predchádzajúcim misie ako Hayabusa2 a nadchádzajúce misie ako Mars Sample Return sa stáva reálnou možnosťou.

A je tu potenciál ukázať, že návrat vzorky sa dá urobiť relatívne rýchlo a lacno, kvôli možným trajektóriám medzi Zemou a Venušou a pretože kozmická loď by nemusela spomaliť, dostať sa na povrch a vrátiť sa na obežnú dráhu predtým, než sa vráti na Zem.

Misia by potenciálne mohla byť rýchlym švihom tam a späť a vrátiť vzorku do roka.

„Naozaj skvelé je, že by sme získali vzorku atmosféry Venuše skôr, ako získame vzorky z Marsu,“ povedal Avice. "Takže to by bola prvá vzorka z inej planéty."

Odporúčania redaktorov

• Tu je dôvod, prečo si vedci myslia, že život mohol prosperovať na „pekelnej planéte“ Venuši
• Vo vnútri Vera C. Rubin Observatory, domov najväčšieho digitálneho fotoaparátu na svete
• Rocket Lab plánuje vyslať prvú súkromnú misiu na Venuši
• Vedci z MIT podrobne opisujú plány súkromných misií na hľadanie života na Venuši
• Video NASA vám ukáže, aké to je ponoriť sa do atmosféry Venuše