Den vilda planen att ta hem lite av Venus-atmosfären

Om du har följt rymdnyheter nyligen har du förmodligen hört talas om Mars Sample Return - NASA: s ambitiösa plan att samla in prover av Mars-stenar och föra dem tillbaka till jorden för studier. Det uppdraget är planerat att starta senare detta årtionde, men det kommer att vara en årslång och extremt dyr process att samla in och hämta dessa prover.

Men Mars är inte den enda planeten inom besöksavstånd. Varför hoppar vi inte över till vår andra planetariska granne, Venus, och tar ett prov därifrån också?

Det är precis vad som föreslås av en grupp Venus-forskare. Vi pratade med ledaren för förslagsgruppen för att lära oss mer.

En gammal idé vars tid är inne

Forskare har diskuterat fördelarna med att försöka fånga ett prov från Venus i decennier, med uppdragskoncept studerade så långt tillbaka som på 1980-talet. Även om Mars har varit den planet som har fått mest uppmärksamhet de senaste åren, finns det ett starkt intresse för planetvetenskapen gemenskap för att lära oss mer om Venus - särskilt för att det kan hjälpa oss att förstå mer om andra planeter utanför vår sol systemet.

Nu kan det komma att ändras, när NASA drar igång decennium av Venus med ett par uppdrag som kommer att besöka där, tillsammans med ett uppdrag från Europeiska rymdorganisationen, alla planerade för nästa decennium.

Tidigare Venus-exempeluppdrag kom aldrig igång av flera anledningar: fokus på Mars över Venus, bristen på teknik för att möjliggöra en sådan komplex operation, och den väsentliga ogästvänligheten av Venus. Venus är het, med en extremt tät atmosfär, vilket skapar en mycket hård miljö för elektronik att verka i.

Försöker flyga till Venus, skicka en sond ner till ytan, samla ett prov, få upp det provet tillbaka till omloppsbanan och att sedan återföra den till jorden skulle vara både oöverkomligt dyrt och skulle kräva betydande tekniska lösningar utvecklingen.

Det är därför en grupp franska forskare har en annan inställning. Istället för att försöka samla en bit av Venus yta bör vi försöka fånga en del av dess atmosfär. Venus Atmospheric Sample Return-uppdrag eller VATMOS-SR är ett uppdragskoncept av en grupp vid Paris Institute of Planetary Physics, som försöker få stöd för sin idé.

Den stora fördelen med detta tillvägagångssätt är dess relativa enkelhet. Det finns inget behov av att landa något på ytan eller att gå tillbaka till omloppsbana. Istället skulle du kunna skicka en rymdfarkost på en väg bort från jorden och mot Venus, där den skulle komma in i atmosfären och fylla flaskor med cirka fyra liter gas. Sedan skulle den fortsätta att resa tillbaka till jorden.

Rymdfarkosten skulle inte ha några instrument och ta inga avläsningar. Det skulle bara vara ett insamlingsfordon. Det gör det säkrare, enklare och billigare, förklarade huvudforskaren Guillaume Avice för Digital Trends.

"Du bara skummar igenom atmosfären på en ballistisk bana," sa Avice. "Så det tar bara ett år att åka dit, att ta ditt prov och att komma tillbaka till jorden."

Planerar på lång sikt

Dessa dagar involverar planetariska vetenskapsuppdrag vanligtvis att skicka instrument (som de på Mars-rovers) till en plats och låta dem göra mätningar. Detta tillvägagångssätt förespråkar att samla in material och föra det tillbaka till jorden istället, där vi har mycket mer kapabla och varierande instrument att undersöka med.

Och med ett dyrbart prov från en annan planet räcker lite långt. Ett prov på flera liter gas kan hålla forskarna sysselsatta i flera år.

"Vad som är riktigt coolt är att du får mycket gas och du kan mäta det, inte för evigt, utan under en lång tid på jorden," förklarade Avice. "Om du tänker efter kan du bevara lite av det provet. Kanske om ett decennium kommer vi att ha en ny spektrometer på jorden som kommer att vara användbar för detta prov."

Denna planering för framtiden är vettig när man tittar på hur NASA har närmat sig månproverna som samlades in under Apollo-uppdragen till månen. Vissa prover analyserades så snart de återfördes till jorden, men andra lagrades på grundval av att framtida teknik skulle göra det möjligt att analysera dem på nytt djup. Och det långsiktiga synsättet har gett resultat, med ett 50-årigt prov öppnade bara förra året och avslöjar information om månens geologi och historia.

Om vi ​​kunde ta ett liknande prov av Venus-atmosfären skulle mycket av den kunna lagras på lång sikt också. Och forskare skulle dra nytta av bara en handfull atomer i ett gasprov, så ett prov på flera liter skulle räcka för att tillhandahålla forskningsmaterial för hela Venus-samhället.

Ett kommande uppdrag till Venus som heter Davinci planerar att göra liknande mätningar av atmosfären, men i det här fallet är det en kris i realtid. Uppdraget går ut på att släppa en provsfär genom atmosfären, så prover måste tas och bearbetas inom bara en timme.

Detta har orsakat problem med tidigare Venus-uppdrag under tidigare decennier, vilket resulterade i förvrängda fynd troligtvis på grund av felaktiga kalibreringar eller igensatta ventiler. Ingenjörer gör sitt bästa för att förutse eventuella problem med provtagning, men det är svårt att göra när det finns så många okända om miljön som ett uppdrag går in i.

Om ett prov förs tillbaka till jorden finns det dock gott om tid för att kalibrera instrument och dubbelkontrollera resultaten, vilket gör resultaten mer tillförlitliga.

Det finns en del komplexitet med att ta ett prov i mycket höga hastigheter. En process som kallas fraktionering uppstår som kan dela upp ett prov i olika delar när det samlas in så snabbt, men det borde gå att korrigera för det.

Hur det atmosfäriska provtagningsuppdraget skulle fungera

Det finns goda skäl till att ingen har försökt med ett Venus-provuppdrag tidigare. För det är inte lätt.

Den uppenbara parallellen till ett Venus provreturuppdrag skulle vara Mars Sample Return-uppdraget kommande joint venture mellan NASA och European Space Agency som planeras att lanseras i slutet 2020-talet. Denna plan för att samla in ett prov från Mars involverar flera rovers, landare eller helikoptrar, är årtionden under färd och har en ballongbudget som till och med är ivrig Mars-entusiaster berörda.

Och Venus är ännu mer ogästvänlig än Mars, med sin tjocka atmosfär, moln av svavelsyra och tryck jämförbart med havets djup. Ett försök att returnera ett prov från Venus yta skulle vara en "mardröm", sa Avice, och "förmodligen ännu dyrare än på Mars."

Det är därför Avices grupp föreslår att man istället ska ta ett prov från planetens atmosfär. "Det är superbilligt", sa han relativt sett: Gruppen uppskattar kostnaden för ett sådant uppdrag till 100 miljoner euro (110 miljoner dollar), jämfört med $8 till $9 miljarder nuvarande uppskattningar för Mars Sample Return.

Även med den relativa lättheten av ett atmosfäriskt prov, men inte någon gammal bit av atmosfären duger. På mycket höga höjder är atmosfären extremt tunn, och vissa molekyler separeras ut av gravitationen. Så för att få ett representativt prov måste du gå under en nivå som kallas homopaus, under vilken atmosfären är tillräckligt väl blandad för att innehålla alla de olika molekylerna som finns.

På Venus är homopausen cirka 110 km (70 miles) från ytan, så uppdraget måste nå under den nivån. Men ju djupare du går, desto svårare blir uppdraget. "Så målet är att vara precis under homopausen, med viss säkerhetsmarginal," sa Avice. "Om vi ​​går djupare blir det mycket mer utmanande och dyrare."

Utmaningarna

Det är dock svårt att bara ta sig igenom planetens atmosfär. En stor utmaning är frågan om att hålla rymdfarkosten säker från den enorma värme som byggs upp på grund av friktion i atmosfären.

Rymdfarkoster som kommer in i atmosfären på en planet - oavsett om det besöker en annan planet som Mars eller en rymdfarkost som återvänder till jorden genom vår egen planets atmosfär - ha en tjock värmesköld som skyddar de känsliga komponenterna inuti från de mycket höga temperaturer.

Att leverera en rover till Mars, till exempel, innebär att linda in roveren i en värmesköld och sedan försegla hela saken - rover och värmesköld tillsammans, tillsammans med thrusters och andra rymdskeppsdelar — in i noskonen på en raket för uppskjutning. Väl i rymden utplaceras rymdfarkosten och reser till Mars, sedan skyddar värmeskölden rovern när den passerar genom atmosfären för att landa.

För ett atmosfäriskt provuppdrag skulle du dock behöva en värmesköld för att fungera två gånger - både under provtagningen på Venus och igen när provet returneras till jorden. Det är inte klart om nuvarande värmesköldteknologi skulle klara uppgiften att skydda en rymdfarkost genom två sådana exponeringar.

Att få en värmesköld att fungera två gånger är "något som vi inte riktigt vet hur man gör", sa Avice. Och det kan kräva år av utveckling för att fungera, om det ens är möjligt.

Vad ska man göra med provet när det är tillbaka på jorden

En annan utmaning är överraskande. Du kanske tror att det är svårt att samla in ett prov, och att analysera det när det väl är tillbaka på jorden skulle vara enkelt. Men det visar sig att det är svårare att arbeta med gasprover än man kan föreställa sig.

Venusatmosfären är full av ämnen som lätt avdunstar, så kallade flyktiga ämnen. Dessa inkluderar ädelgaser och föreningar inklusive kväve, väte, kol och svavel. Att studera dessa är nyckeln till att förstå Venus atmosfär, men de är inte lätta att transportera eller studera.

För att fånga ett flyktigt ämne på rätt sätt i en provflaska behöver du en mycket bra ventil - båda så att ingen av de provet rymmer, och så att ingen av gaserna från andra miljöer som jordens atmosfär läcker in. Detta var ett problem för Hayabusa2-uppdraget som lyckades returnera ett prov från en asteroid men som upplevde det ett läckage av jordens atmosfär troligen orsakad av chocken av fallskärmsutplaceringen när den återvände till jorden.

Även om provet tar sig tillbaka till jorden helt orörda, utan några som helst läckor, måste du fortfarande gå snabbt för att överföra provet från dess flaska till en säkrare behållare. Även de tätaste ventilerna kommer att läcka lite över månader, så du behöver ett system med flera behållare som kan fånga upp allt som läcker från provet och bevara så mycket som möjligt möjlig.

Forskare utvecklas vakuumsystem för att utvinna och analysera gaser, inklusive de används för Hayabusa2-provet, men detta är fortfarande ett nytt teknikområde som måste utvecklas för att ett återvändande uppdrag med atmosfäriskt prov ska vara fullt effektivt.

Planetvetenskapens framtid: in situ vs. provretur

Det atmosfäriska provtagningsuppdraget är fortfarande stadigt i konceptstadiet, och gruppen hoppas kunna få det upp i nästa omgång av förslag för Europeiska rymdorganisationen eller kanske NASA.

Det är en ambitiös plan, men det är inte ett så besynnerligt koncept som det skulle ha varit för några år sedan. "För årtionden sedan var provretur bara en dröm och inte riktigt allvarligt," sa Avice, men nu med tidigare uppdrag som Hayabusa2 och kommande uppdrag som Mars Sample Return, det börjar bli en verklig möjlighet.

Och det finns potential att visa att provretur kan göras relativt snabbt och billigt, på grund av de banor som är möjliga mellan jorden och Venus och för att en rymdfarkost inte skulle behöva sakta ner, ta sig upp till ytan och gå tillbaka till omloppsbana innan den återvände till Jorden.

Uppdraget kan potentiellt vara en snabb piska fram och tillbaka, och returnera ett prov inom ett år.

"Vad som är riktigt coolt är att vi skulle få ett Venus-atmosfärprov innan vi får prover från Mars," sa Avice. "Så det skulle vara det första provet från en annan planet."

Redaktörens rekommendationer

• Här är anledningen till att forskare tror att livet kan ha frodats på "helvetesplaneten" Venus
• Inuti Vera C. Rubin Observatory, hemmet för världens största digitalkamera
• Rocket Lab planerar att skicka det första privata uppdraget till Venus
• MIT-forskare detaljerar planer för privata uppdrag för att söka efter liv på Venus
• NASA-video visar hur det är att störta genom Venus atmosfär