Divji načrt, da domov prinese delček Venerinega vzdušja

Če ste pred kratkim spremljali novice o vesolju, ste verjetno slišali za Mars Sample Return – Nasin ambiciozen načrt, da zbere vzorce marsovskih kamnin in jih prinese nazaj na Zemljo za študij. Ta misija naj bi se začela pozneje v tem desetletju, vendar bo zbiranje in pridobivanje teh vzorcev dolgotrajen in izjemno drag proces.

Vendar Mars ni edini planet v dosegu obiska. Zakaj ne skočimo do naše druge planetarne sosede, Venere, in od tam prav tako vzamemo vzorec?

To je tisto, kar predlaga skupina raziskovalcev Venere. Pogovarjali smo se z vodjo predlogne skupine, da bi izvedeli več.

Stara ideja, katere čas je prišel

Znanstveniki že desetletja razpravljajo o prednostih poskusa odvzema vzorca z Venere, pri čemer so koncepte misij preučevali že v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Čeprav je bil Mars planet, ki je v zadnjih letih prejel največ pozornosti, obstaja veliko zanimanje za planetarno znanost. skupnost pri učenju več o Veneri – zlasti zato, ker nam lahko pomaga razumeti več o drugih planetih zunaj našega osončja sistem.

Zdaj bi se to lahko spremenilo, saj NASA začenja dekada Venere z dvema misijama, ki naj bi tam obiskala, skupaj z misijo Evropske vesoljske agencije, vse pa je predvideno za naslednje desetletje.

Prejšnje misije z vzorci Venere se nikoli niso začele zaradi nekaj razlogov: osredotočenost na Mars je končana Venus, pomanjkanje tehnologije, ki bi omogočala tako kompleksno operacijo, in bistvena negostoljubnost Venera. Venera je vroča, z izjemno gosto atmosfero, kar ustvarja zelo ostro okolje za delovanje elektronike.

Poskus leteti na Venero, poslati sondo na površje, zbrati vzorec, spraviti ta vzorec nazaj v orbito in potem bi bila vrnitev na Zemljo previsoko draga in bi zahtevala precejšnje tehnološke stroške razvoj dogodkov.

Zato ima skupina francoskih raziskovalcev drugačen pristop. Namesto da poskušamo zbrati kos Venerinega površja, bi morali poskusiti zgrabiti nekaj njene atmosfere. Misija Venus Atmospheric Sample Return ali VATMOS-SR je koncept misije skupine na pariškem inštitutu za planetarno fiziko, ki poskuša pridobiti podporo za svojo idejo.

Velika prednost tega pristopa je njegova relativna enostavnost. Ničesar ni treba pristati na površini ali se vrniti v orbito. Namesto tega bi lahko poslali eno vesoljsko plovilo na pot stran od Zemlje proti Veneri, kjer bi vstopilo v ozračje in napolnilo steklenice s približno štirimi litri plina. Potem bi nadaljeval pot nazaj na Zemljo.

Vesoljsko plovilo ne bi imelo instrumentov in ne bi odčitavalo. To bi bilo samo zbirno vozilo. Zaradi tega je varnejši, lažji in cenejši, je za Digital Trends pojasnil vodilni raziskovalec Guillaume Avice.

"Samo preletite atmosfero na balistični poti," je dejal Avice. "Torej traja samo eno leto, da greste tja, da vzamete vzorec in se vrnete na Zemljo."

Načrtovanje na dolgi rok

Dandanes planetarne znanstvene misije običajno vključujejo pošiljanje instrumentov (kot so tisti na marsovskih roverjih) na lokacijo in jim naročijo, da opravijo meritve. Ta pristop zagovarja zbiranje materiala in njegovo prenašanje nazaj na Zemljo, kjer imamo veliko bolj zmogljive in raznolike instrumente za raziskovanje.

In z dragocenim vzorcem z drugega planeta malo gre daleč. Večlitrski vzorec plina bi lahko znanstvenike zaposloval leta.

"Kar je res kul, je, da dobite veliko plina in ga lahko merite, ne za vedno, ampak dolgo časa na Zemlji," je pojasnil Avice. »Če dobro premislite, lahko ohranite malo tega vzorca. Mogoče bomo čez desetletje imeli na Zemlji nov spektrometer, ki bo uporaben za ta vzorec.«

To načrtovanje za prihodnost je smiselno, če pogledate, kako je NASA pristopila k luninim vzorcem, zbranim med misijami Apollo na Luno. Nekateri vzorci so bili analizirani takoj, ko so bili vrnjeni na Zemljo, drugi pa so bili shranjeni na podlagi predvidevanja, da bo prihodnja tehnologija omogočila njihovo analizo v novi globini. In ta dolgoročni pristop se je obrestoval s 50 let starim vzorcem odprl šele lani in razkrivanje informacij o lunini geologiji in zgodovini.

Če bi nam uspelo vzeti podoben vzorec atmosfere Venere, bi lahko velik del tega shranili tudi dolgoročno. In raziskovalcem bi koristila že samo peščica atomov v vzorcu plina, tako da bi vzorec več litrov zadostoval za zagotovitev raziskovalnega gradiva za celotno skupnost Venere.

Prihajajoča misija na Venero, imenovana Davinci, načrtuje podobne meritve atmosfere, vendar v tem primeru prihaja do resnične časovne stiske. Misija vključuje spuščanje vzorčne krogle skozi ozračje, zato je treba vzorce vzeti in obdelati v samo eni uri.

To je povzročilo težave pri prejšnjih misijah Venere v prejšnjih desetletjih, kar je povzročilo popačene ugotovitve, verjetno zaradi nepravilnih kalibracij ali zamašenih zračnikov. Inženirji se po svojih najboljših močeh trudijo predvideti morebitne težave z vzorčenjem, vendar je to težko narediti, ko je toliko neznank o okolju, v katerega vstopa misija.

Če vzorec prinesemo nazaj na Zemljo, pa je dovolj časa za umerjanje instrumentov in dvojno preverjanje rezultatov, zaradi česar so ugotovitve zanesljivejše.

Pri jemanju vzorca pri zelo visokih hitrostih je nekaj zapletenih. Pride do postopka, imenovanega frakcioniranje, ki lahko razdeli vzorec na različne dele, ko je zbran tako hitro, vendar bi to moralo biti mogoče popraviti.

Kako bi delovala misija vzorčenja atmosfere

Obstajajo dobri razlogi, da še nihče ni poskušal vrniti vzorce z Venere. Ker ni enostavno.

Očitna vzporednica z misijo vračanja vzorcev z Venere bi bila misija vrnitve vzorcev Mars, an prihajajoče skupno podjetje Nase in Evropske vesoljske agencije, ki naj bi se začelo pozno 2020-ih. Ta načrt za zbiranje vzorca z Marsa vključuje več roverjev, pristajalnikov ali helikopterjev, nastaja desetletja in ima izjemno velik proračun, ki skrbi celo goreče navdušence nad Marsom.

In Venera je še bolj negostoljubna kot Mars, s svojo gosto atmosfero, oblaki žveplove kisline in pritiskom, primerljivim z globinami oceana. Poskus vrnitve vzorca s površja Venere bi bil "nočna mora", je dejal Avice, in "verjetno celo dražji kot na Marsu."

Zato Aviceova skupina namesto tega predlaga zajemanje vzorca iz atmosfere planeta. "To je super poceni," je rekel relativno: Skupina ocenjuje stroške takšne misije na 100 milijonov evrov (110 milijonov dolarjev) v primerjavi z Trenutne ocene so od 8 do 9 milijard dolarjev za Mars Sample Return.

Tudi z relativno lahkotnostjo atmosferskega vzorca pa noben stari košček atmosfere ne bo zadostoval. Na zelo velikih nadmorskih višinah je ozračje izredno tanko in nekatere molekule se ločijo zaradi gravitacije. Če želite torej dobiti reprezentativen vzorec, morate iti pod raven, imenovano homopavza, pod katero je atmosfera dovolj dobro premešana, da vsebuje vse različne prisotne molekule.

Na Veneri je homopavza približno 110 km (70 milj) od površja, zato mora misija doseči pod to raven. Toda globlje kot greste, težja postaja misija. "Torej cilj je biti tik pod homopavzo, z nekaj varnostne rezerve," je dejal Avice. "Če gremo globlje, postane veliko bolj zahtevno in dražje."

Izzivi

Težko pa je že samo preiti skozi atmosfero planeta. Velik izziv je ohraniti vesoljsko plovilo pred izjemno vročino, ki nastane zaradi trenja v ozračju.

Vesoljska plovila, ki bodo vstopila v atmosfero planeta - ne glede na to, ali gre za obisk drugega planeta, kot je Mars, ali vesoljsko plovilo, ki se vrača na Zemljo skozi atmosfero našega planeta – imajo debel toplotni ščit, ki ščiti občutljive komponente v notranjosti pred zelo visokimi temperature.

Dostava roverja na Mars na primer vključuje zavijanje roverja v toplotni ščit in nato zapiranje celotne stvari - rover in toplotni ščit skupaj s potisnimi motorji in drugimi deli vesoljskega plovila — v nosni stožec rakete za izstrelitev. Ko je v vesolju, se vesoljsko plovilo razporedi in potuje na Mars, nato pa toplotni ščit ščiti rover, ko potuje skozi atmosfero in pristane.

Za misijo atmosferskega vzorca pa bi potrebovali en toplotni ščit, ki bi deloval dvakrat - med vzorčenjem na Veneri in ponovno, ko vzorec vrnete na Zemljo. Ni jasno, ali bi bila trenutna tehnologija toplotnega ščita kos nalogi zaščite vesoljskega plovila z dvema takšnima izpostavljenostima.

Dvakratno delovanje toplotnega ščita je "nekaj, česar pravzaprav ne vemo, kako narediti", je dejal Avice. Za delovanje bodo morda potrebna leta razvoja, če je to sploh mogoče.

Kaj storiti z vzorcem, ko se vrne na Zemljo

Drug izziv je presenetljiv. Morda mislite, da je zbiranje vzorca težka stvar in da bi bilo njegovo analiziranje, ko se vrne na Zemljo, preprosto. Toda izkazalo se je, da je delo z vzorci plina težje, kot si lahko predstavljate.

Atmosfera Venere je polna snovi, ki zlahka izhlapijo, imenujemo jih hlapne snovi. Ti vključujejo žlahtne pline in spojine, vključno z dušikom, vodikom, ogljikom in žveplom. Preučevanje teh je ključno za razumevanje Venerinega ozračja, vendar jih ni enostavno prevažati ali preučevati.

Če želite pravilno ujeti hlapno snov v steklenico z vzorcem, potrebujete zelo dober ventil – tako da nobena vzorec uhaja in tako da nobeden od plinov iz drugih okolij, kot je Zemljina atmosfera, ne uhaja. To je bila težava za misijo Hayabusa2, ki je uspela vrniti vzorec z asteroida, vendar je imela izkušnje uhajanje Zemljine atmosfere najverjetneje posledica šoka, ki ga je sprožilo padalo med vrnitvijo na Zemljo.

Tudi če se vzorec vrne na Zemljo popolnoma nedotaknjen, brez kakršnega koli puščanja, se morate vseeno hitro premakniti, da vzorec prenesete iz stekleničke v bolj varno posodo. Celo najbolj tesni ventili bodo čez nekaj mesecev nekoliko puščali, zato potrebujete sistem več posode, ki lahko zajamejo vse, kar izteče iz vzorca, in ohranijo čim več tega mogoče.

Raziskovalci se razvijajo vakuumski sistemi za ekstrakcijo in analizo plinov, vključno s tistimi uporabljen za vzorec Hayabusa2, vendar je to še vedno novo področje tehnologije, ki ga je treba razviti, da bo misija vračanja atmosferskega vzorca popolnoma učinkovita.

Prihodnost planetarne znanosti: in situ vs. vrnitev vzorca

Misija za vzorčenje atmosfere je še vedno trdno v fazi koncepta in skupina upa, da jo bo izbrala v naslednjem krogu predlogov za Evropsko vesoljsko agencijo ali morda NASA.

To je ambiciozen načrt, vendar ni tako nenavaden koncept, kot bi bil pred nekaj leti. "Pred desetletji je bila vrnitev vzorcev le sanje in neresna," je dejal Avice, zdaj pa s prejšnjim misije, kot je Hayabusa2, in prihajajoče misije, kot je Mars Sample Return, postaja resnična možnost.

Poleg tega obstaja možnost, da se pokaže, da je vrnitev vzorcev mogoče opraviti razmeroma hitro in poceni zaradi poti, ki so možne med Zemljo in Venero in ker vesoljskemu plovilu ne bi bilo treba upočasniti, priti na površje in se vrniti v orbito, preden se vrne v Zemlja.

Misija bi lahko bila hitra pot naprej in nazaj, vrnitev vzorca v enem letu.

"Res kul je, da bi dobili vzorec atmosfere Venere, preden dobimo vzorce z Marsa," je dejal Avice. "Torej bi bil to prvi vzorec z drugega planeta."

Priporočila urednikov

• Zato znanstveniki menijo, da je na "peklenskem planetu" Veneri morda uspevalo življenje
• Znotraj Vera C. Observatorij Rubin, dom največje digitalne kamere na svetu
• Rocket Lab namerava poslati prvo zasebno misijo na Venero
• Raziskovalci MIT podrobno pripravljajo načrte za zasebne misije za iskanje življenja na Veneri
• Nasin video prikazuje, kako je potopiti se skozi Venerino atmosfero