Kako bo Nasina nova sonda preživela peklensko pokrajino Venere

Ker je to naš sosednji sosed, si lahko predstavljate, da popolnoma razumemo planet Venero. Vendar bi se motili. NASA planeta ni obiskala že več kot 30 let, o mestu pa je toliko, da komaj razumeti, od njene geološke zgodovine do vrst kamnin na njeni površini, da velik del njenega okolje je v bistvu skrivnost.

Znanstveniki menijo, da je bila Venera nekoč kot Zemlja, vendar sta se na neki točki evolucije razšla in postala zelo različni mesti, kakršni sta danes. Vemo, da ima Venera gosto atmosfero, ki ohranja toploto in je zaradi tega najbolj vroč planet v sončnem sistemu. In vemo, da je njegovo površje prekrito z gorami, razpokami in vulkani, čeprav ne vemo, ali so ti še aktivni.

Eden od razlogov, da o Veneri ostaja toliko neznanega, je ta, da njena gosta atmosfera skriva večino njenega terena pred pogledom in je težko pokukati skozi plasti oblakov, da bi videli, kaj je pod njo. Drugi razlog je, da je to srhljivo negostoljubno mesto. Med temperaturo pečenja in gosto atmosfero, napolnjeno s kislino, nič, kar je ustvaril človek, ni preživelo na površini več kot nekaj minut.

A če želimo izvedeti več o tem skrivnostnem sosednjem planetu, ga moramo obiskati. In prav to namerava storiti NASA-ina misija DAVINCI, tako da spusti sondo skozi atmosfero, da bi odčitala vse do konca, ko pade na površje. Poslanstvo, ki bo eno od trio misij na Venero v naslednjem desetletju, naj bi se izstrelil leta 2029 in leta 2031 prispel na Venero, kjer bo strmoglavil skozi atmosfero.

Da bi ugotovili, kako zgraditi sondo, ki bo vzdržala to peklensko okolje, in kaj se lahko iz tega naučimo, smo se pogovarjali z dvema člana ekipe DAVINCI: Jim Garvin, glavni raziskovalec misije, in Mike Sekerak, sistemski projekt inženir.

Kaj je z Venerinim ozračjem?

Venera predstavlja mejo v planetarni znanosti, o kateri je zelo malo znanega, glede na to, kako relativno blizu nam je. Kaj se dogaja pod zgornjo plastjo oblakov, je še posebej zanimivo vprašanje.

»Karakterizacija ozračja, od vrha oblakov do površja – tako veliko, masivno atmosfera, katere 75 % mase je v spodnjih 15 do 20 kilometrih – je skoraj neraziskana,” Garvin rekel.

Sonde, poslane na Venero v 60. in 70. letih 20. stoletja, so poskušale zbrati podatke o atmosferi in dosegle nekaj uspeha. Toda prejšnje meritve atmosfere so bile nezanesljive zaradi fizičnih težav s prejšnjimi sondami, kot so zamašeni vstopi in omejena razpoložljiva tehnologija. To je pripeljalo do nekaterih zamegljenih odčitkov, o katerih Garvin pravi: "Nekateri od njih nimajo smisla."

Predvsem nižje ozračje je v mnogih pogledih skrivnost. Lahko bi bila superkritična tekočina, v kateri sta temperatura in tlak tako velika, da pljuskne naokoli kot tekočina. Obstaja tudi vprašanje, kako kamnine na površju planeta vplivajo na atmosfero.

In preučevanje atmosfere in površja bi lahko pomagalo odgovoriti na eno največjih vprašanj, ki jih imamo o Veneri: ali je nekoč imela na svoji površini oceane s tekočo vodo in če je, kaj se je zgodilo z njimi?

Dva velika izziva

Venera ni prijeten kraj za sondo: dvakrat je bolj vroča kot pečica in na površini je večji pritisk kot pod kilometrom oceana.

"Tehnični izzivi, ki jih imamo tukaj, so precej razburljivi," je dejal Sekerak. Največja težava za morebitno misijo na Venero je vročina, saj so temperature na površini lahko tudi do 900 stopinj Fahrenheita (475 stopinj Celzija). To je dovolj vroče, da stopi svinec, in povzroča opustošenje elektronike.

Vendar je to le en del okoljskega izziva. "Pritisk pa po težavah ne zaostaja," je dejal Šekerak. Tlak na površini je okoli 95 barov ali skoraj 100-kratnik atmosferskega tlaka na zemeljskega površja, zato je izdelava sonde za takšno okolje podobno izdelavi a podmornica.

Ko bo padel v ozračje, bo DAVINCI v tekmi s časom, da zbere vse informacije, ki jih potrebuje, preden vročina in pritisk uničita njegove komponente. Da bi sonda ostala aktivna čim dlje, je sferične oblike in prekrita z debelo lupino iz titana, ki vzdrži pritisk in izolira pred vročino. Potem je v notranjosti te lupine še več izolacije, izdelane iz posebnih materialov, vključno z astrokvarom, vrsto vlaken, izdelanih iz kremenovega kremena.

Notranjost je zasnovana tako, da so komponente tudi toplotno izolirane od zunanjosti, da se prepreči prenos toplote iz ohišja. Nato se napolni z ogljikovim dioksidom, da zaščiti visokonapetostno elektroniko pred iskrenjem in prepreči uhajanje zemeljskih plinov med izstrelitvijo.

Na splošno je sonda, ki jo ekipa imenuje spustna sfera, široka približno en meter. Izpustili ga bodo iz orbiterja s padalom, da bi upočasnili spuščanje, čeprav atmosfera pomaga s tem, ker je tako debel, da je bolj podobno padcu sonde skozi vodo kot skozi zrak.

Skupno bo trajalo 63 minut, da bo sonda dosegla površje, in v tej eni uri bo zbrala čim več podatkov, preden jo bo surovo okolje neizogibno uničilo.

Vzorčenje vse do konca

Spuščajoča se krogla bo padala skozi atmosfero in vzorčila vse navzdol, da bi ustvarila sliko atmosfere od vrha do dna.

Znotraj krogle bodo instrumenti, kot so spektrometri, podobni instrumentom na Marsovih roverjih Curiosity in Perseverance, ki lahko izmeri kemično sestavo vzorcev z opazovanjem valovnih dolžin svetlobe, ki jih absorbirati. Toda za razliko od Marsovih roverjev, ki lahko trajajo ure ali dneve, da zberejo in natančno analizirajo vzorec, bo moral DAVINCI vzorčenje in analizo opraviti v nekaj minutah.

Na različnih točkah krogle so dovodni ventili s keramičnimi pokrovi, ki se odlomijo, da zaužijejo pline. Te pline je treba analizirati zelo hitro, nato pa jih odzračiti, da se lahko vzame več vzorcev. To bo sondi omogočilo najbolj podroben vpogled v kemijo atmosfere v vseh njenih plasteh.

Medtem ko se to dogaja, bodo drugi senzorji v sondi merili dejavnike, kot sta temperatura in tlak, da bi lažje razumeli strukturo ozračja. Nato bodo vsi ti podatki poslani nazaj v orbiter, preden bo sonda udarila na površje.

Sonda je zasnovana samo za vzorčenje atmosfere in ne za pristanek. Ko pa se dotakne površja, obstaja možnost, da bo preživelo. Gosta atmosfera in padalo bosta pripomogla k upočasnitvi njegovega spuščanja, toda "zagotovo bo udaril s hitrostjo, ki je, uhh, manj kot idealna za strojno opremo za vesoljske polete," je dejal Sekerak v smehu.

Če pa sonda preživi pristanek, lahko zbiranje podatkov traja do 20 minut, preden se toplota vpije skozi kroglo in ocvre elektroniko. In to bodo še dodatni dodatni podatki o površinski temperaturi in tlaku ter prisotnih plinih.

Razumevanje kemije ozračja je le en del ciljev družbe DAVINCI. Drugi del, ki bo morda najbolj vznemiril javnost, je fotografiranje skrivnostnega Venerinega površja.

Venera v človeškem merilu

Sonda se bo spustila "v gore Venere, na nekakšen teren, ki ga človeštvo še ni videlo", je dejal Garvin. In ekipa želi to izkušnjo zabeležiti tako vizualno kot kemično.

Krogla za spuščanje bo imela tudi kamero, ki bo posnela visokokontrastne slike površine, ki jih bo nato mogoče vgraditi v 3D zemljevide.

Za delovanje kamere iz kovinske krogle pa potrebujete okno. In steklo ni odličen material za obvladovanje okolja z intenzivnim visokim pritiskom. Zato okno DAVINCI ne bo iz stekla, ampak iz safirja.

"To je dobesedno zelo, zelo velik kos safirja," je dejal Sekerak. "Ker ima odlične optične lastnosti." Je zelo močan, a tudi zelo jasen, zato ne bo popačil slik, posnetih z njim. Toda neizogibno bo okno, ki prepušča svetlobo, prepuščalo tudi več toplote, zato so inženirji okoli okenskega sklopa dodali materiale za spreminjanje faze. Ta material se topi pri določeni temperaturi, da absorbira odvečno toploto iz okna.

To bo omogočilo kameri, da posname jasne in ostre slike med spuščanjem. Ti bodo uporabljeni za fotografiranje reliefa Venere, od višine in vse do same površine.

"Naše končne slike bodo imele 10-centimetrsko ločljivost," je dejal Garvin. "To je lestvica, ki bi jo videli v svoji dnevni sobi."

Poleg številnih znanstvenih podatkov Garvin upa, da bo zajem slik v tem obsegu uspel pomagajte javnosti, da se počuti, kot da vidi Venero kot resnično mesto, ne le kot piko, s katere jo je treba opazovati daleč.

"Na Venero želimo pripeljati človeški vid in naše čutno zaznavanje," je dejal. "Začeli bomo čutiti Venero v človeškem merilu."

Testiranje za neznano

Resnično zapleten del misije na Venero se sploh ne ukvarja z izzivi, ki jih poznamo, kot sta temperatura in pritisk. Poskuša predvideti, kakšni izzivi se lahko pojavijo v okolju, o katerem imamo tako malo informacij.

Zato bodo testiranje in priprave velik del tega, kar ekipa DAVINCI počne naslednjih sedem let, v pripravah na lansiranje, načrtovano za leto 2029.

"Izvajamo testiranje v najslabšem primeru," je pojasnil Sekerak. "Zato preizkušamo, kaj bi lahko bilo najslabše okolje."

Raziskovalci na primer vedo, da imajo Venerini oblaki kapljice žveplove kisline – in žveplova kislina razjeda materiale. Posebna skrb je za vrvico iz kevlarja, ki bo pritrdila kroglo za spuščanje na padalo. Inženirji, da bi preizkusili, ali lahko vrvica prenese kislo okolje, je ne suspendirajo le v nekaj kapljicah kisline – prekrijejo celotno površino v kislini, nato preizkusite vlečno moč vrvice, da se prepričate, da lahko preživi dovolj dolgo, da sondo popelje skozi atmosfero tudi v najslabšem možnem Ovitek.

Glede tega, kako preizkušate strojno opremo v okoljih, ki so tako drugačna od Zemlje, morate biti ustvarjalni. Da bi videli, kako dolgo bo trajalo, da se kovinska krogla segreje, jo je ekipa odnesla v livarno kovin. "Njihova naloga je taljenje kovine," je dejal Sekerak. "In notri smo postavili naše instrumente, da vadimo segrevanje, da izmerimo ta toplotni tok."

Ideja je, da se v vsak kritični sistem vgradi dovolj rezerve, da se omogoči kakršna koli neznanka, ki bi jo planet lahko vrgel v kroglo. Garvin je pojasnil: "V to, kako to počnemo, smo vgradili... veliko inženirske misli in zmanjšanja tveganja."

To celo vpliva na način zbiranja podatkov. "Če bomo imeli na Veneri dober dan, bomo verjetno dobili nazaj 500 slik spuščanja," je dejal. »Če imamo absolutno najslabši dan, kar jih pozna človeštvo, jih bomo verjetno dobili 35 nazaj. Toda 35 je veliko več, kot potrebujemo za tovrstno kartiranje.« Seveda več slik pomeni več informacij in to je bolje, saj omogoča več znanosti. Toda tudi v najslabših razmerah bodo izvedeli neprecenljive informacije.

Vedno se je treba naučiti kaj novega

Obisk Venere je ogromen izziv, tudi po ambicioznih standardih velikih vesoljskih misij. Toda potencialni dobiček v smislu tega, kar se lahko naučimo, je ogromen.

Spoznavanje Venere bo fascinantno že samo po sebi. Vendar je pomembno tudi za naše razumevanje eksoplanetov. Ko misije, kot je vesoljski teleskop James Webb, odkrivajo in raziskujejo nove planete zunaj našega sončnega sistema, bomo potrebovali referenčno točko za kamnite planete, kot so Zemlja, Mars in Venera.

Precej dobro razumemo bistvene značilnosti Zemlje in Marsa, z dodajanjem podatkov z Venere pa bomo lahko veliko bolje razumeli oddaljene planete.

"Venera bo postala umeritvena točka za vrste velikih, kamnitih planetov z atmosfero ki jih bomo lahko videli in razumeli z Webbom in velikimi teleskopi, ki prihajajo onstran,« Garvin rekel.

In seveda, tu je tisti najbolj človeški nagon, po učenju in raziskovanju ter potovanju v nove kraje. "To je eden od razlogov, zakaj rad delam na teh misijah raziskovanja vesolja - gremo nekam, o katerem ne vemo prav veliko," je dejal Sekerak.

Veliko smo se naučili o gradnji za okolja Zemlje in Marsa, zdaj pa lahko vzamemo nekaj tega znanja in ga uporabimo nekje drugje. Gradnja za to okolje bo razširila našo tehnologijo in obisk s sondo lahko začne razkrivati ​​nekatere njegove skrivnosti. Kot je dejal Sekerak, je ob obisku novega vesoljskega okolja "vedno nekaj novega, kar se lahko naučiš."

Priporočila urednikov

• Znotraj norega načrta, da poberem in prinesem domov delček Venerinega vzdušja
• Kako gledati prihod Nasine zasebne misije na vesoljsko postajo
• Kako je Nasin razred astronavtov leta 1978 spremenil podobo raziskovanja vesolja
• Kako gledati, kako NASA razkrije vesoljsko obleko naslednje generacije
• Venera, Jupiter in Ceres so predstavljeni v Nasinih nasvetih za opazovanje neba za marec