Hur NASA: s nya sond kommer att överleva Venus helveteslandskap

Eftersom det råkar vara vår närmaste granne, kanske du föreställer dig att vi har en grundlig förståelse för planeten Venus. Men du skulle ha fel. NASA har inte besökt planeten på mer än 30 år, och det finns så mycket om platsen att vi knappt förstå, från dess geologiska historia till vilka typer av stenar som finns på dess yta, att mycket av dess miljön är i grunden ett mysterium.

Forskare tror att Venus var det en gång som jorden, men de två divergerade någon gång i sin utveckling för att bli de vitt skilda platser de är idag. Vi vet att Venus har en tjock atmosfär som håller värmen och gör den till den hetaste planeten i solsystemet. Och vi vet att dess yta är täckt av berg, klyftor och vulkaner, även om vi inte vet om dessa fortfarande är aktiva.

En anledning till att så mycket förblir okänt om Venus är att dess tjocka atmosfär döljer det mesta av dess terräng från insyn, och det är svårt att titta genom lager av moln för att se vad som finns under. En annan anledning är att det är en kyligt ogästvänlig plats. Mellan dess bakningstemperaturer och dess tjocka, syrafyllda atmosfär har inget konstgjort överlevt på dess yta i mer än några minuter.

Men om vi vill veta mer om denna mystiska planet bredvid måste vi besöka den. Och det är precis vad NASA: s DAVINCI-uppdrag planerar att göra, genom att släppa en sond genom atmosfären för att ta avläsningar hela vägen ner när den faller till ytan. Uppdraget, som kommer att vara ett av en trio av uppdrag till Venus under det kommande decenniet, planeras att lanseras 2029 och anlända till Venus för dess störtdykning genom atmosfären 2031.

För att ta reda på hur du bygger en sond för att motstå denna helvetesmiljö, och vad vi kan lära oss av den, pratade vi med två medlemmar av DAVINCI-teamet: Jim Garvin, huvudutredare för uppdraget, och Mike Sekerak, systemprojekt ingenjör.

Vad är det med Venus atmosfär?

Venus representerar en gräns inom planetvetenskapen som mycket lite är känt om, med tanke på hur relativt nära den är oss. Vad som händer under det övre molnlagret är en särskilt spännande fråga.

"Karakteriseringen av atmosfären, från toppen av molnen till ytan - den här stora, massiva atmosfären, vars massa är 75 % i de nedre 15 till 20 kilometerna – är nästan outforskad, säger Garvin sa.

Sonder som skickades till Venus på 1960- och 1970-talen försökte samla in data om atmosfären och hade viss framgång. Men tidigare mätningar av atmosfären har varit otillförlitliga, på grund av fysiska problem med tidigare sonder som tilltäppta inlopp och den begränsade tekniken som finns tillgänglig. Det ledde till några förvrängda läsningar, om vilka Garvin säger: "Vissa av dem är inte vettiga."

Särskilt den lägre atmosfären är på många sätt ett mysterium. Det kan vara en superkritisk vätska, där temperaturen och trycket är så högt att det skvalpar runt som en vätska. Det finns också frågan om hur stenarna på planetens yta interagerar med atmosfären.

Och att studera atmosfären och ytan kan hjälpa till att svara på en av de största frågorna vi har om Venus: Hade den en gång flytande vattenhav på sin yta, och i så fall vad hände med dem?

Två stora utmaningar

Venus är inte en välkomnande plats för en sond: Det är dubbelt så varmt som en ugn och det är mer tryck på ytan än att vara under en kilometer hav.

"De tekniska utmaningarna vi har här är ganska spännande," sa Sekerak. Det största problemet för alla potentiella uppdrag till Venus är värmen, eftersom yttemperaturerna kan vara så höga som 900 grader Fahrenheit (475 grader Celsius). Det är tillräckligt varmt för att smälta bly, och det orsakar förödelse med elektronik.

Det är dock bara en del av miljöutmaningen. "Trycket är dock inte långt efter när det gäller svårigheter," sa Sekerak. Trycket vid ytan är cirka 95 bar, eller nästan 100 gånger det atmosfäriska trycket på Jordens yta, så att konstruera en sond för denna typ av miljö är ungefär som att bygga en u-båt.

När den tappas i atmosfären kommer DAVINCI att vara i en kapplöpning mot tiden för att samla all information den behöver innan värmen och trycket förstör dess komponenter. För att hålla sonden aktiv så länge som möjligt är den sfärisk och täckt av ett tjockt titanskal för att stå emot trycket och isolera mot värmen. Sedan finns det mer isolering inuti detta skal, tillverkat av speciella material inklusive astrokvarts, en typ av fiber gjord av smält kvarts.

Interiören är utformad för att hålla komponenter termiskt isolerade från utsidan också, för att förhindra att värme överförs från skalet. Den fylls sedan med koldioxidgas för att skydda högspänningselektroniken från gnistor och för att förhindra att jordgaser läcker in under uppskjutningen.

Totalt sett är sonden, som teamet kallar nedstigningssfären, cirka en meter tvärs över. Den kommer att släppas ut från en orbiter med en fallskärm för att bromsa nedstigningen, även om atmosfären hjälper med detta eftersom det är så tjockt att det är mer som att tappa sonden genom vatten än genom luft.

Totalt kommer det att ta 63 minuter för sonden att nå ytan och på den ena timmen kommer den att samla in så mycket data som möjligt innan den oundvikligen förstörs av den brutala miljön.

Sampling hela vägen ner

Nedstigningssfären kommer att falla genom atmosfären och ta prov hela vägen ner för att bygga upp en bild av atmosfären från toppen till botten.

Inuti sfären kommer att finnas instrument som spektrometrar, liknande instrumenten på Mars rovers Curiosity och Uthållighet, som kan mäta den kemiska sammansättningen av prover genom att titta på ljusets våglängder som de absorbera. Men till skillnad från Mars-rovers, som kan ta timmar eller dagar att samla in och noggrant analysera ett prov, måste DAVINCI göra sin provtagning och analys inom några minuter.

Det finns inloppsventiler på olika ställen över sfären, med keramiska lock som bryter av för att få i sig gaser. Dessa gaser måste analyseras extremt snabbt och sedan ventileras så att fler prover kan tas. Detta kommer att göra det möjligt för sonden att få den mest detaljerade titten ännu på atmosfärens kemi genom alla dess lager.

Medan detta händer kommer andra sensorer i sonden att mäta faktorer som temperatur och tryck, för att hjälpa till att förstå atmosfärens struktur. Då kommer all denna data att skickas tillbaka till orbiter innan sonden träffar ytan.

Sonden är endast utformad för att ta prov till atmosfären och inte för att landa. Men när det landar på ytan, finns det en möjlighet att det kommer att överleva. Den tjocka atmosfären och fallskärmen kommer att hjälpa till att bromsa nedstigningen, men "den kommer definitivt att slå med en hastighet som är, ehh, mindre än idealisk för rymdfärdshårdvara", sa Sekerak med ett skratt.

Om sonden överlever landningen kan det dock ta upp till 20 minuter att samla in data innan värmen tränger igenom sfären och friterar elektroniken. Och det kommer att vara ännu mer bonusdata om yttemperatur och tryck, såväl som gaserna som finns.

Att förstå atmosfärens kemi är bara en del av DAVINCIs mål. Den andra delen, som kan vara mest spännande för allmänheten, är att ta bilder av den mystiska Venusiska ytan.

Venus i mänsklig skala

Sonden kommer att komma ner "i bergen på Venus, i en sorts terräng som aldrig har setts av mänskligheten förut", sa Garvin. Och teamet vill registrera denna upplevelse visuellt såväl som kemiskt.

Nedstigningssfären kommer också att ha en kamera som tar bilder med hög kontrast av ytan, som sedan kan byggas upp till 3D-kartor.

För att en kamera ska kunna fungera inifrån en metallkula behöver du dock ett fönster. Och glas är inte ett bra material för att hantera miljöer med intensivt högt tryck. Det är därför DAVINCIs fönster inte kommer att göras av glas utan av safir.

"Det är bokstavligen en väldigt, väldigt stor bit safir," sa Sekerak. "Eftersom det har fantastiska optiska egenskaper." Den är väldigt stark men också väldigt tydlig, så den kommer inte att förvränga bilder som tas genom den. Men oundvikligen kommer ett fönster som släpper in ljus också att släppa in mer värme, så ingenjörerna lade till fasförändringsmaterial runt fönsterenheten. Detta material smälter vid en specifik temperatur för att absorbera överskottsvärmen från fönstret.

Detta gör att kameran kan ta tydliga, skarpa bilder under nedstigningen. Dessa kommer att användas för att fotografera Venus terräng, från högt upp och ända ner till själva ytan.

"Våra slutliga bilder kommer att ha 10-centimeters upplösning," sa Garvin. "Det är den skala du ser ut över ditt vardagsrum."

Förutom att erbjuda en mängd vetenskapliga data, hoppas Garvin att ta bilder i denna skala hjälpa allmänheten att känna att de kan se Venus som en verklig plats, inte bara en prick att observera från fjärran.

"Vi vill föra mänsklig vision och vår sensoriska perception till Venus," sa han. "Vi kommer att börja känna Venus i mänsklig skala."

Testar för det okända

Den verkliga knepiga delen av ett uppdrag till Venus är inte ens att hantera de utmaningar vi känner till, som temperaturen och trycket. Den försöker förutse vilka utmaningar som kan uppstå från en miljö som vi har så lite information om.

Det är därför testning och förberedelser kommer att vara en stor del av vad DAVINCI-teamet gör under de kommande sju åren, som förberedelse för en lansering planerad till 2029.

"Vi gör värsta tänkbara tester," förklarade Sekerak. "Så vi testar vad den värsta miljön kan vara."

Forskare vet till exempel att Venus moln har droppar av svavelsyra i sig – och svavelsyra äter genom material. Det är ett särskilt problem för Kevlar-linan som kommer att fästa nedstigningssfären till fallskärmen. Så för att testa om linan tål den sura miljön, suspenderar ingenjörerna den inte bara i några droppar syra – de täcker hela ytan i syra, testa sedan linans dragstyrka för att se till att den kan överleva tillräckligt länge för att ta sonden genom atmosfären även i värsta möjliga fall.

När det gäller hur du testar hårdvara i miljöer så olik jorden, måste du vara kreativ. För att se hur lång tid det skulle ta för metallsfären att värmas upp tog teamet den till ett metallgjuteri. "Deras jobb är att smälta ner metall," sa Sekerak. "Och vi lägger in vår instrumentering där för att öva på att få den varm, för att mäta värmeflödet."

Tanken är att bygga in tillräckligt med marginal i varje kritiskt system för att tillåta allt okänt som planeten kan kasta mot sfären. Garvin förklarade: "Vi har byggt in... mycket teknisk tanke och riskminskning i hur vi gör detta."

Detta påverkar till och med hur data kommer att samlas in. "Om vi ​​har en bra dag på Venus kommer vi förmodligen att få tillbaka 500 nedstigningsbilder," sa han. "Om vi ​​har den absolut värsta dagen som mänskligheten känner till, kommer vi förmodligen att få 35 tillbaka. Men 35 är mycket mer än vad vi behöver för att göra den här typen av kartläggning." Naturligtvis betyder fler bilder mer information, och det är att föredra eftersom det möjliggör mer vetenskap. Men även under de värsta förhållandena kommer de att få reda på ovärderlig information.

Alltid något nytt att lära sig

Att besöka Venus är en enorm utmaning, även med de ambitiösa normerna för stora rymduppdrag. Men den potentiella vinsten när det gäller vad vi kan lära oss är enorm.

Att lära sig om Venus kommer att vara fascinerande för sin egen skull. Men det är också viktigt för vår förståelse av exoplaneter. När uppdrag som rymdteleskopet James Webb upptäcker och undersöker nya planeter utanför vårt solsystem, behöver vi en referenspunkt för steniga planeter som Jorden, Mars och Venus.

Vi har en ganska gedigen förståelse för de väsentliga egenskaperna hos Jorden och Mars, och genom att lägga till data från Venus kommer vi att kunna förstå avlägsna planeter mycket bättre.

"Venus kommer att bli en kalibreringspunkt för de typer av stora, steniga, atmosfärbärande planeter som vi kommer att kunna se och förstå med Webb och de stora teleskopen som kommer bortom, säger Garvin sa.

Och naturligtvis finns det den mest mänskliga instinkten, att lära sig och utforska och att resa till nya platser. "Detta är en av anledningarna till att jag älskar att arbeta med dessa rymdutforskningsuppdrag - vi ska någonstans som vi inte vet så mycket om," sa Sekerak.

Vi har lärt oss mycket om att bygga för jordens och Mars miljöer, och nu kan vi ta del av den kunskapen och tillämpa den på någon annanstans. Att bygga för den miljön kommer att sträcka ut vår teknik, och att besöka den med en sond kan börja reda ut några av dess mysterier. Som Sekerak sa, när du besöker en ny rymdmiljö, "det finns alltid något nytt som du kan lära dig."

Redaktörens rekommendationer

• Inuti den galna planen att ösa på och ta hem lite av Venus-atmosfären
• Hur man ser NASA: s privata uppdrag anlända till rymdstationen
• Hur NASA: s astronautklass från 1978 förändrade rymdutforskningens ansikte
• Hur man ser NASA avslöja sin nästa generations rymddräkt
• Venus, Jupiter och Ceres finns med i NASAs skywatchingstips för mars