Ako nová sonda NASA prežije pekelnú krajinu Venuše

Keďže ide o nášho suseda, môžete si predstaviť, že planéte Venuša dokonale rozumieme. Ale mýlili by ste sa. NASA nenavštívila planétu už viac ako 30 rokov a je toho o mieste toľko, že sme sotva pochopiť, od jeho geologickej histórie až po to, aké druhy hornín sú na jeho povrchu prostredie je v podstate záhada.

Vedci si myslia, že to bola Venuša raz ako Zem, ale tieto dve sa v určitom bode svojho vývoja rozišli, aby sa stali úplne odlišnými miestami, akými sú dnes. Vieme, že Venuša má hustú atmosféru, ktorá udržuje teplo a robí z nej najteplejšiu planétu v slnečnej sústave. A vieme, že jeho povrch je pokrytý horami, trhlinami a sopkami, aj keď nevieme, či sú stále aktívne.

Jedným z dôvodov, prečo je o Venuši toľko neznámych, je to, že jej hustá atmosféra skrýva väčšinu jej terénu pred pohľadom a je ťažké nahliadnuť cez vrstvy mrakov, aby ste videli, čo je pod ňou. Ďalším dôvodom je, že je to mrazivo nehostinné miesto. Medzi teplotami pečenia a hustou atmosférou naplnenou kyselinou neprežilo na jeho povrchu nič vyrobené človekom dlhšie ako pár minút.

Ak sa však chceme dozvedieť viac o tejto tajomnej planéte vedľa, musíme ju navštíviť. A to je presne to, čo má v pláne urobiť misia NASA DAVINCI tým, že pustí sondu cez atmosféru, aby namerala údaje až nadol, keď padá na povrch. Misia, ktorá bude jednou z trio misií k Venuši v nasledujúcom desaťročí, je naplánovaný štart v roku 2029 a doraziť k Venuši, aby prepadla atmosférou v roku 2031.

Aby sme zistili, ako si postaviť sondu, aby obstála v tomto pekelnom prostredí, a čo by sme sa z nej mohli naučiť, oslovili sme dvoch členovia tímu DAVINCI: Jim Garvin, hlavný vyšetrovateľ misie, a Mike Sekerak, systémový projekt inžinier.

Čo sa deje s atmosférou Venuše?

Venuša predstavuje hranicu v planetárnej vede, o ktorej sa vie veľmi málo, ak vezmeme do úvahy, aká je od nás relatívne blízko. Čo sa deje pod hornou vrstvou oblakov, je obzvlášť zaujímavá otázka.

„Charakteristika atmosféry, od vrchu oblakov po povrch – taká veľká, masívna Atmosféra, ktorej 75 % hmoty je v dolných 15 až 20 kilometroch – je takmer nepreskúmaná,“ Garvin povedal.

Sondy vyslané k Venuši v 60. a 70. rokoch sa pokúsili zhromaždiť údaje o atmosfére a mali určitý úspech. Predchádzajúce merania atmosféry však boli nespoľahlivé kvôli fyzickým problémom s predchádzajúcimi sondami, ako sú upchaté vstupy a obmedzená dostupná technológia. To viedlo k niektorým zakódovaným údajom, o ktorých Garvin hovorí: „Niektoré z nich nedávajú zmysel.“

Najmä nižšia atmosféra je v mnohých ohľadoch záhadou. Mohla by to byť superkritická tekutina, v ktorej je teplota a tlak také veľké, že sa šmýka ako kvapalina. Je tu tiež otázka, ako horniny na povrchu planéty interagujú s atmosférou.

Štúdium atmosféry a povrchu by mohlo pomôcť zodpovedať jednu z najväčších otázok, ktoré o Venuši máme: Mala kedysi na svojom povrchu tekuté vodné oceány, a ak áno, čo sa s nimi stalo?

Dve veľké výzvy

Venuša nie je pre sondu vítaným miestom: je dvakrát taká horúca ako rúra a na povrchu je väčší tlak ako pod kilometer oceánu.

"Technické výzvy, ktoré tu máme, sú celkom vzrušujúce," povedal Sekerak. Najväčším problémom každej potenciálnej misie na Venuši je teplo, pretože povrchové teploty môžu dosahovať až 900 stupňov Fahrenheita (475 stupňov Celzia). To je dosť horúce na roztavenie olova a spôsobuje zmätok s elektronikou.

To je však len jedna časť environmentálnej výzvy. "Tlak však nie je pozadu, pokiaľ ide o ťažkosti," povedal Sekerak. Tlak na povrchu je okolo 95 barov alebo takmer 100-násobok atmosférického tlaku Zemský povrch, takže skonštruovanie sondy pre tento druh prostredia je niečo ako budovanie a ponorka.

Keď spadne do atmosféry, DAVINCI bude pretekať s časom, aby zhromaždil všetky potrebné informácie skôr, ako teplo a tlak zničia jeho komponenty. Aby sonda zostala aktívna čo najdlhšie, je guľatá a pokrytá hrubým titánovým plášťom, aby odolala tlaku a izolovala proti teplu. Potom je vo vnútri tohto plášťa viac izolácie, vyrobená zo špeciálnych materiálov vrátane astroquartzu, typu vlákna vyrobeného z taveného kremeňa.

Interiér je navrhnutý tak, aby boli komponenty tepelne izolované aj od exteriéru, aby sa zabránilo prenosu tepla z plášťa. Potom sa naplní plynným oxidom uhličitým, aby sa chránila vysokonapäťová elektronika pred iskrením a aby sa zabránilo úniku zemných plynov počas štartu.

Celkovo má sonda, ktorú tím nazýva zostupová guľa, asi jeden meter naprieč. Z orbiteru sa uvoľní pomocou padáka, aby sa spomalil jeho zostup, hoci pomáha atmosféra s tým, pretože je taká hrubá, že je to skôr ako pád sondy cez vodu ako cez vzduch.

Celkovo bude trvať sonde 63 minút, kým sa dostane na povrch a za tú jednu hodinu nazbiera toľko dát, koľko len dokáže, kým ju brutálne prostredie nevyhnutne zničí.

Odber vzoriek úplne dole

Zostupná guľa bude klesať atmosférou a vzorkovať celú cestu dole, aby sa vytvoril obraz atmosféry zhora nadol.

Vo vnútri gule budú prístroje ako spektrometre, podobné prístrojom na Mars roveroch Curiosity a Vytrvalosť, ktorá dokáže merať chemické zloženie vzoriek pohľadom na vlnové dĺžky svetla, ktoré majú absorbovať. Ale na rozdiel od marťanských roverov, ktorým môže zhromažďovanie a starostlivá analýza vzorky trvať hodiny alebo dni, DAVINCI bude musieť urobiť odber vzoriek a analýzu v priebehu niekoľkých minút.

Na rôznych miestach nad guľou sú vstupné ventily s keramickými krytmi, ktoré sa odlomia a pohltia plyny. Tieto plyny sa musia extrémne rýchlo analyzovať a potom vypustiť, aby bolo možné odobrať viac vzoriek. To umožní sonde získať doteraz najpodrobnejší pohľad na chémiu atmosféry vo všetkých jej vrstvách.

Zatiaľ čo sa to deje, ďalšie senzory v sonde budú merať faktory ako teplota a tlak, aby pomohli pochopiť štruktúru atmosféry. Potom budú všetky tieto údaje odoslané späť na orbiter predtým, ako sonda dopadne na povrch.

Sonda je navrhnutá len na odber vzoriek do atmosféry a nie na pristátie. Ale keď sa dotkne povrchu, existuje možnosť, že prežije. Hustá atmosféra a padák pomôžu spomaliť jeho zostup, ale „určite zasiahne rýchlosťou, ktorá je, uh, menej ako ideálna pre hardvér vesmírnych letov,“ povedal Sekerak so smiechom.

Ak však sonda prežije pristátie, môže trvať až 20 minút zhromažďovania údajov, kým teplo presiahne guľu a smaží elektroniku. A to budú ešte bonusové údaje o povrchovej teplote a tlaku, ako aj o prítomných plynoch.

Pochopenie chémie atmosféry je len jednou časťou cieľov spoločnosti DAVINCI. Druhá časť, ktorá môže byť pre verejnosť najvzrušujúcejšia, je fotenie tajomného povrchu Venuše.

Venuša v ľudskom meradle

Sonda zostúpi „v horách Venuše, v takom teréne, aký ľudstvo ešte nikdy nevidelo,“ povedal Garvin. A tím chce tento zážitok zaznamenať vizuálne aj chemicky.

Zostupová guľa bude mať aj kameru, ktorá bude snímať vysoko kontrastné snímky povrchu, ktoré sa potom dajú zabudovať do 3D máp.

Aby však kamera fungovala zvnútra kovovej gule, potrebujete okno. A sklo nie je skvelý materiál na zvládanie intenzívneho vysokotlakového prostredia. Preto okno DAVINCI nebude vyrobené zo skla, ale zo zafíru.

"Je to doslova veľmi, veľmi veľký kus zafíru," povedal Sekerak. "Pretože má skvelé optické vlastnosti." Je veľmi silný, ale zároveň veľmi jasný, takže nebude skresľovať obrázky nasnímané cez neho. Okno, ktoré prepúšťa svetlo, však nevyhnutne prepustí aj viac tepla, takže inžinieri okolo zostavy okna pridali materiály na zmenu fázy. Tento materiál sa topí pri určitej teplote, aby absorboval prebytočné teplo z okna.

To umožní fotoaparátu vytvárať jasné a ostré snímky počas jeho zostupu. Tie budú použité na fotografovanie terénu Venuše, od výšky až po samotný povrch.

"Naše konečné obrázky budú mať rozlíšenie 10 centimetrov," povedal Garvin. "To je mierka, ktorú by ste videli cez svoju obývačku."

Garvin okrem toho, že ponúka množstvo vedeckých údajov, dúfa, že zachytenie obrázkov v tejto mierke bude fungovať pomôcť verejnosti cítiť sa, že môže vidieť Venušu ako skutočné miesto, nie len bodku, z ktorej sa dá pozorovať ďaleko.

"Chceme priniesť na Venuši ľudské videnie a naše zmyslové vnímanie," povedal. "Začneme vnímať Venušu v ľudskom meradle."

Testovanie na neznáme

Skutočná zložitá časť misie na Venuši sa ani nezaoberá výzvami, o ktorých vieme, ako je teplota a tlak. Snaží sa predvídať, aké výzvy môžu vyplynúť z prostredia, o ktorom máme tak málo informácií.

Preto bude testovanie a príprava veľkou súčasťou toho, čo tím DAVINCI robí počas nasledujúcich siedmich rokov, v rámci prípravy na spustenie naplánované na rok 2029.

"Robíme testovanie v najhoršom prípade," vysvetlil Sekerak. "Takže testujeme, aké najhoršie prostredie môže byť."

Vedci napríklad vedia, že oblaky Venuše majú v sebe kvapky kyseliny sírovej – a kyselina sírová prejedá materiály. Ide najmä o kevlarové lano, ktoré pripevní zostupovú guľu k padáku. Aby sme otestovali, či lano odolá kyslému prostrediu, inžinieri ho nielen zavesia do niekoľkých kvapiek kyseliny, ale potiahnu celý povrch. v kyseline, potom otestujte silu ťahu lana, aby ste sa uistili, že dokáže prežiť dostatočne dlho na to, aby sondu preniesla atmosférou aj v tom najhoršom možnom prípad.

Čo sa týka toho, ako testujete hardvér v prostrediach, ktoré sú tak odlišné od Zeme, musíte byť kreatívni. Aby tím zistil, ako dlho bude trvať, kým sa kovová guľa zahreje, vzal ju do zlievarne kovov. "Ich úlohou je roztaviť kov," povedal Sekerak. "A vložili sme tam naše prístroje, aby sme to precvičili, aby sme ho zohriali, aby sme zmerali tok tepla."

Myšlienkou je vybudovať dostatočnú rezervu v každom kritickom systéme, aby umožnila akékoľvek neznáme, ktoré by planéta mohla vrhnúť na sféru. Garvin vysvetlil: "Do toho, ako to robíme, sme zabudovali... veľa inžinierskych myšlienok a zníženia rizika."

To dokonca ovplyvňuje spôsob zhromažďovania údajov. „Ak budeme mať na Venuši dobrý deň, pravdepodobne získame späť 500 zostupových snímok,“ povedal. „Ak zažijeme absolútne najhorší deň, aký ľudstvo pozná, pravdepodobne dostaneme späť 35. Ale 35 je oveľa viac, ako potrebujeme na tento druh mapovania." Samozrejme, viac obrázkov znamená viac informácií, a to je lepšie, pretože to umožňuje viac vedy. Ale aj v tých najhorších podmienkach zistia neoceniteľné informácie.

Vždy sa niečo nové naučiť

Návšteva Venuše je obrovskou výzvou, dokonca aj podľa ambicióznych štandardov veľkých vesmírnych misií. Ale potenciálna odmena z hľadiska toho, čo sa môžeme naučiť, je obrovská.

Učenie o Venuši bude fascinujúce samo o sebe. Je to však dôležité aj pre naše pochopenie exoplanét. Keďže misie ako vesmírny teleskop Jamesa Webba objavujú a skúmajú nové planéty mimo našej slnečnej sústavy, budeme potrebovať referenčný bod pre skalnaté planéty ako Zem, Mars a Venuša.

Máme celkom solídne pochopenie základných charakteristík Zeme a Marsu a pridaním údajov z Venuše budeme schopní porozumieť vzdialeným planétam oveľa lepšie.

„Venuša sa stane kalibračným bodom pre druhy veľkých, skalnatých planét nesúcich atmosféru ktoré budeme môcť vidieť a pochopiť s Webbom a veľkými ďalekohľadmi, ktoré presahujú,“ Garvin povedal.

A samozrejme, je tu väčšina ľudských inštinktov, učiť sa a skúmať a cestovať na nové miesta. „Toto je jeden z dôvodov, prečo milujem prácu na týchto vesmírnych prieskumných misiách – ideme niekam, o ktorých toho veľa nevieme,“ povedal Sekerak.

Naučili sme sa veľa o stavaní pre prostredie Zeme a Marsu a teraz môžeme niektoré z týchto vedomostí použiť a použiť ich niekde inde. Budovanie pre toto prostredie predĺži našu technológiu a návšteva sondy môže začať odhaľovať niektoré z jej tajomstiev. Ako povedal Sekerak, pri návšteve nového vesmírneho prostredia „vždy existuje niečo nové, čo sa môžete naučiť“.

Odporúčania redaktorov

• Vnútri bláznivého plánu nabrať a priniesť domov trochu atmosféry Venuše
• Ako sledovať príchod súkromnej misie NASA na vesmírnu stanicu
• Ako trieda astronautov NASA z roku 1978 zmenila tvár vesmírneho prieskumu
• Ako sledovať, ako NASA predstavuje svoj skafander novej generácie
• Venuša, Jupiter a Ceres sú súčasťou marcových tipov NASA na sledovanie oblohy