แผนป่าเพื่อนำบรรยากาศของดาวศุกร์กลับบ้าน

หากคุณติดตามข่าวสารเกี่ยวกับอวกาศเมื่อเร็วๆ นี้ คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับ Mars Sample Return ซึ่งเป็นแผนการอันทะเยอทะยานของ NASA ในการรวบรวมตัวอย่างหินบนดาวอังคารและนำกลับมายังโลกเพื่อการศึกษา ภารกิจดังกล่าวมีกำหนดเปิดตัวในปลายทศวรรษนี้ แต่จะเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานหลายปีและมีราคาแพงมากในการรวบรวมและเรียกคืนตัวอย่างเหล่านั้น

แต่ดาวอังคารไม่ใช่ดาวเคราะห์ดวงเดียวที่อยู่ในระยะทางที่ไกลออกไป ทำไมเราไม่ข้ามไปยังเพื่อนบ้านดาวเคราะห์ดวงอื่นของเรา วีนัส และเก็บตัวอย่างจากที่นั่นด้วยล่ะ

นั่นเป็นเพียงสิ่งที่เสนอโดยกลุ่มนักวิจัยของวีนัส เราได้พูดคุยกับหัวหน้ากลุ่มข้อเสนอเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติม

ความคิดเก่า ๆ ซึ่งถึงเวลาแล้ว

นักวิทยาศาสตร์ได้ถกเถียงกันถึงประโยชน์ของการพยายามจับตัวอย่างจากดาวศุกร์มานานหลายทศวรรษ โดยมีการศึกษาแนวคิดเกี่ยวกับภารกิจย้อนหลังไปถึงปี 1980 แม้ว่าดาวอังคารจะเป็นดาวเคราะห์ที่ได้รับความสนใจมากที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ก็มีความสนใจอย่างมากในวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ชุมชนในการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวศุกร์ - โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะมันสามารถช่วยให้เราเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับดาวเคราะห์ดวงอื่นนอกระบบสุริยะของเรา ระบบ.

ตอนนี้อาจมีการเปลี่ยนแปลงได้ เมื่อ NASA เริ่มดำเนินการ ทศวรรษของวีนัส โดยมีภารกิจสองชุดที่จะไปที่นั่นพร้อมกับภารกิจของ European Space Agency ซึ่งทั้งหมดมีกำหนดในทศวรรษหน้า

ภารกิจตัวอย่างดาวศุกร์ก่อนหน้านี้ไม่เคยขึ้นจากพื้นด้วยเหตุผลบางประการ: มุ่งเน้นไปที่ดาวอังคารมากกว่า วีนัส การขาดเทคโนโลยีที่จะช่วยให้ปฏิบัติการที่ซับซ้อนเช่นนี้ได้ และการไม่ต้อนรับแขกที่จำเป็น ดาวศุกร์ ดาวศุกร์ร้อนและมีชั้นบรรยากาศหนาแน่นมาก ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

พยายามบินไปยังดาวศุกร์ ส่งยานสำรวจลงไปที่พื้นผิว เก็บตัวอย่าง นำตัวอย่างกลับขึ้นสู่วงโคจร และ จากนั้นส่งกลับไปยังโลกจะมีทั้งค่าใช้จ่ายสูงและต้องใช้เทคโนโลยีที่สำคัญ การพัฒนา

นั่นเป็นเหตุผลที่นักวิจัยชาวฝรั่งเศสกลุ่มหนึ่งมีแนวทางที่แตกต่างออกไป แทนที่จะพยายามรวบรวมพื้นผิวของดาวศุกร์ เราควรพยายามคว้าบรรยากาศบางส่วน ภารกิจ Venus Atmospheric Sample Return หรือ VATMOS-SR เป็นแนวคิดภารกิจของกลุ่มที่ Paris Institute of Planetary Physics ซึ่งกำลังพยายามสนับสนุนแนวคิดของพวกเขา

ข้อได้เปรียบที่ดีของวิธีนี้คือความเรียบง่ายแบบสัมพัทธ์ ไม่จำเป็นต้องลงจอดบนพื้นผิวหรือกลับสู่วงโคจร คุณสามารถส่งยานอวกาศหนึ่งลำไปตามเส้นทางที่ห่างจากโลกและไปยังดาวศุกร์ ซึ่งยานจะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศและเติมก๊าซประมาณสี่ลิตรลงในขวด จากนั้นมันก็จะเดินทางกลับมายังโลกทันที

ยานอวกาศจะไม่มีเครื่องมือและไม่มีการอ่าน มันจะเป็นรถสะสมเท่านั้น นั่นทำให้ปลอดภัยขึ้น ง่ายขึ้น และถูกลง หัวหน้านักวิจัย Guillaume Avice อธิบายกับ Digital Trends

“คุณเพียงแค่ร่อนผ่านชั้นบรรยากาศด้วยวิถีกระสุน” Avice กล่าว “จึงใช้เวลาเพียงหนึ่งปีในการไปที่นั่น เก็บตัวอย่างของคุณ และกลับมายังโลก”

การวางแผนระยะยาว

ทุกวันนี้ ภารกิจด้านวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับดาวเคราะห์มักเกี่ยวข้องกับการส่งเครื่องมือ (เช่น เครื่องมือบนยานสำรวจดาวอังคาร) ไปยังตำแหน่งและให้พวกเขาทำการวัด วิธีการนี้สนับสนุนการรวบรวมวัสดุและนำกลับมายังโลกแทน ซึ่งเรามีเครื่องมือที่มีความสามารถและหลากหลายมากขึ้นในการตรวจสอบ

และด้วยตัวอย่างที่มีค่าจากดาวเคราะห์ดวงอื่น เพียงเล็กน้อยไปไกล ตัวอย่างก๊าซหลายลิตรอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์ยุ่งเป็นเวลาหลายปี

“สิ่งที่ยอดเยี่ยมจริงๆ คือคุณได้รับก๊าซจำนวนมากและคุณสามารถวัดได้ ไม่ใช่ตลอดไป แต่เป็นเวลานานบนโลก” Avice อธิบาย “ถ้าคุณคิดเกี่ยวกับมัน คุณสามารถเก็บตัวอย่างนั้นไว้เล็กน้อย บางทีในทศวรรษนี้ เราอาจมีสเปกโตรมิเตอร์ใหม่บนโลก ซึ่งจะเป็นประโยชน์กับตัวอย่างนี้”

การวางแผนสำหรับอนาคตนี้สมเหตุสมผลเมื่อคุณดูว่า NASA เข้าใกล้ตัวอย่างดวงจันทร์ที่เก็บรวบรวมระหว่างภารกิจอะพอลโลไปยังดวงจันทร์ได้อย่างไร ตัวอย่างบางตัวอย่างได้รับการวิเคราะห์ทันทีที่พวกเขากลับมายังโลก แต่ตัวอย่างอื่นๆ ถูกเก็บไว้บนพื้นฐานที่ว่าเทคโนโลยีในอนาคตจะช่วยให้สามารถวิเคราะห์ในเชิงลึกใหม่ได้ และวิธีการระยะยาวนั้นได้ผลด้วยกลุ่มตัวอย่างอายุ 50 ปี เพิ่งเปิดเมื่อปีที่แล้ว และเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับธรณีวิทยาและประวัติศาสตร์ของดวงจันทร์

หากเราสามารถเก็บตัวอย่างชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ที่คล้ายคลึงกันได้ ส่วนมากก็สามารถเก็บไว้ได้ในระยะยาวเช่นกัน และนักวิจัยจะได้รับประโยชน์จากตัวอย่างก๊าซแม้เพียงไม่กี่อะตอม ดังนั้น ตัวอย่างปริมาณหลายลิตรก็เพียงพอที่จะจัดหาเอกสารการวิจัยสำหรับชุมชนวีนัสทั้งหมด

ภารกิจที่กำลังจะมาถึงดาวศุกร์ที่เรียกว่า Davinci วางแผนที่จะทำการวัดชั้นบรรยากาศที่คล้ายกัน แต่ในกรณีนี้ มีปัญหาตามเวลาจริง ภารกิจเกี่ยวข้องกับการปล่อยตัวอย่างทรงกลมสู่ชั้นบรรยากาศ ดังนั้นตัวอย่างจะต้องได้รับและดำเนินการภายในเวลาเพียงหนึ่งชั่วโมง

สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหากับภารกิจก่อนหน้าของดาวศุกร์ในทศวรรษก่อนหน้า ซึ่งส่งผลให้การค้นพบที่คลาดเคลื่อนน่าจะเกิดจากการสอบเทียบที่ไม่ถูกต้องหรือช่องระบายอากาศอุดตัน วิศวกรพยายามอย่างดีที่สุดเพื่อคาดการณ์ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับการสุ่มตัวอย่าง แต่นั่นเป็นเรื่องยากที่จะทำเมื่อมีสิ่งไม่รู้มากมายเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่ภารกิจกำลังเข้ามา

อย่างไรก็ตาม หากตัวอย่างถูกส่งกลับมายังโลก คุณจะมีเวลาอีกมากในการสอบเทียบเครื่องมือและตรวจสอบผลซ้ำอีกครั้ง ซึ่งจะทำให้ผลการวิจัยมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น

มีความซับซ้อนบางประการในการเก็บตัวอย่างด้วยความเร็วสูง กระบวนการที่เรียกว่าการแยกส่วนเกิดขึ้นซึ่งสามารถแยกตัวอย่างออกเป็นส่วนๆ เมื่อมีการรวบรวมอย่างรวดเร็ว แต่ควรแก้ไขให้ถูกต้องได้

ภารกิจการสุ่มตัวอย่างบรรยากาศจะทำงานอย่างไร

มีเหตุผลที่ดีที่ไม่มีใครพยายามทำภารกิจส่งคืนตัวอย่างวีนัสมาก่อน เพราะมันไม่ใช่เรื่องง่าย

คู่ขนานที่ชัดเจนกับภารกิจส่งคืนตัวอย่างดาวศุกร์คือภารกิจส่งคืนตัวอย่างดาวอังคาร การร่วมทุนที่จะเกิดขึ้นระหว่าง NASA และ European Space Agency ซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในช่วงปลายปี 2020. แผนการเก็บตัวอย่างจากดาวอังคารนี้ต้องใช้ยานสำรวจ ยานลงจอด หรือเฮลิคอปเตอร์หลายลำ ซึ่งใช้เวลานานหลายทศวรรษในการสร้าง และมีงบประมาณมหาศาลที่แม้แต่ผู้ที่ชื่นชอบดาวอังคารที่กระตือรือร้นกังวล

และดาวศุกร์ก็ไม่เอื้ออำนวยยิ่งกว่าดาวอังคาร ด้วยชั้นบรรยากาศที่หนาทึบ เมฆกรดกำมะถัน และแรงดันที่เทียบได้กับความลึกของมหาสมุทร ความพยายามที่จะคืนตัวอย่างจากพื้นผิวดาวศุกร์จะเป็น "ฝันร้าย" Avice กล่าว และ "อาจมีราคาแพงกว่าบนดาวอังคารด้วยซ้ำ"

นั่นเป็นเหตุผลที่กลุ่มของ Avice เสนอให้เก็บตัวอย่างจากชั้นบรรยากาศของโลกแทน “มันถูกมาก” เขากล่าวโดยค่อนข้างพูด: กลุ่มประเมินค่าใช้จ่ายของภารกิจดังกล่าวที่ 100 ล้านยูโร (110 ล้านดอลลาร์) เมื่อเทียบกับ ประมาณการปัจจุบัน 8 ถึง 9 พันล้านดอลลาร์ สำหรับการส่งคืนตัวอย่างดาวอังคาร

แม้จะมีความง่ายในตัวอย่างบรรยากาศ แต่ไม่มีบรรยากาศเก่า ๆ ที่จะทำ ในระดับความสูงที่สูงมาก ชั้นบรรยากาศจะเบาบางมาก และโมเลกุลบางส่วนจะถูกแยกออกด้วยแรงโน้มถ่วง ดังนั้น เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่เป็นตัวแทน คุณต้องไปต่ำกว่าระดับที่เรียกว่าโฮโมพอส ซึ่งด้านล่างนั้นบรรยากาศจะผสมกันดีพอที่จะบรรจุโมเลกุลต่างๆ ที่มีอยู่ทั้งหมด

ที่ดาวศุกร์ โฮโมพอสอยู่ห่างจากพื้นผิวประมาณ 110 กม. (70 ไมล์) ดังนั้นภารกิจจำเป็นต้องไปให้ต่ำกว่าระดับนั้น แต่ยิ่งลึกลงไปเท่าไหร่ ภารกิจก็ยิ่งยากขึ้นเท่านั้น “ดังนั้น เป้าหมายจะต้องอยู่ต่ำกว่ากลุ่มโฮโมพอส โดยมีส่วนต่างที่ปลอดภัย” Avice กล่าว “หากเราลงลึกไป ก็ยิ่งท้าทายและมีราคาแพงมาก”

ความท้าทาย

แม้ว่าการผ่านชั้นบรรยากาศของโลกจะเป็นเรื่องยาก ความท้าทายที่สำคัญประการหนึ่งคือปัญหาในการรักษายานอวกาศให้ปลอดภัยจากความร้อนมหาศาลซึ่งสะสมตัวขึ้นเนื่องจากแรงเสียดทานในชั้นบรรยากาศ

ยานอวกาศที่กำลังจะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ - ไม่ว่าจะเป็นการไปเยือนดาวเคราะห์ดวงอื่นเช่นดาวอังคารหรือยานอวกาศที่กลับมา สู่โลกผ่านชั้นบรรยากาศของโลกเราเอง — มีเกราะป้องกันความร้อนหนาที่ปกป้องชิ้นส่วนที่บอบบางภายในจากที่สูง อุณหภูมิ

ตัวอย่างเช่น การส่งยานสำรวจไปยังดาวอังคาร เกี่ยวข้องกับการห่อหุ้มยานโรเวอร์ไว้ในแผ่นกันความร้อน และจากนั้นปิดผนึกสิ่งของทั้งหมด — โรเวอร์และแผ่นกันความร้อนพร้อมกับเครื่องขับดันและชิ้นส่วนยานอวกาศอื่น ๆ เข้าไปในฐานจมูกของจรวดเพื่อปล่อย เมื่ออยู่ในอวกาศ ยานอวกาศจะถูกนำไปใช้และเดินทางไปยังดาวอังคาร จากนั้นแผ่นกันความร้อนจะปกป้องยานโรเวอร์ขณะที่มันผ่านชั้นบรรยากาศเพื่อลงจอด

อย่างไรก็ตาม สำหรับภารกิจเก็บตัวอย่างในชั้นบรรยากาศ คุณจะต้องใช้แผ่นกันความร้อนหนึ่งอันเพื่อทำงานสองครั้ง — ทั้งระหว่างการเก็บตัวอย่างที่ดาวศุกร์ และอีกครั้งเมื่อส่งตัวอย่างกลับมายังโลก ยังไม่ชัดเจนว่าเทคโนโลยีฮีทชิลด์ในปัจจุบันจะขึ้นอยู่กับภารกิจในการปกป้องยานอวกาศผ่านการสัมผัสสองครั้งดังกล่าวหรือไม่

การทำให้แผ่นกันความร้อนทำงานสองครั้งเป็น “สิ่งที่เราไม่รู้จริงๆ ว่าต้องทำอย่างไร” Avice กล่าว และอาจต้องใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาหากเป็นไปได้

จะทำอย่างไรกับตัวอย่างเมื่อกลับมายังโลก

อีกหนึ่งความท้าทายที่น่าประหลาดใจ คุณอาจคิดว่าการเก็บตัวอย่างเป็นเรื่องยาก และการวิเคราะห์เมื่อกลับมายังโลกจะเป็นเรื่องง่าย แต่ปรากฎว่าการทำงานกับตัวอย่างก๊าซนั้นยากกว่าที่คุณคิด

บรรยากาศของดาวศุกร์เต็มไปด้วยสารที่ระเหยได้ง่ายซึ่งเรียกว่าสารระเหย ซึ่งรวมถึงก๊าซมีตระกูลและสารประกอบ เช่น ไนโตรเจน ไฮโดรเจน คาร์บอน และกำมะถัน การศึกษาสิ่งเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจบรรยากาศของดาวศุกร์ แต่มันไม่ง่ายเลยที่จะขนส่งหรือศึกษา

ในการดักจับสารระเหยในขวดตัวอย่างอย่างถูกต้อง คุณต้องมีวาล์วที่ดีมาก — ทั้งสองอย่างต้องไม่มีวาล์วใดเลย ตัวอย่างหลุดออกไป และเพื่อไม่ให้ก๊าซจากสภาพแวดล้อมอื่นๆ เช่น ชั้นบรรยากาศของโลกรั่วไหลเข้ามา นี่เป็นปัญหาสำหรับภารกิจ Hayabusa2 ซึ่งสามารถส่งคืนตัวอย่างจากดาวเคราะห์น้อยได้ แต่ก็ประสบ การรั่วไหลของชั้นบรรยากาศโลก น่าจะเกิดจากการกระแทกของร่มชูชีพระหว่างกลับสู่โลก

แม้ว่าตัวอย่างจะกลับมายังโลกโดยสมบูรณ์ ไม่มีการรั่วไหลใดๆ คุณยังคงต้องเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วเพื่อย้ายตัวอย่างจากขวดไปยังภาชนะที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น แม้แต่วาล์วที่ขันแน่นที่สุดก็ยังรั่วได้เล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปหลายเดือน คุณจึงจำเป็นต้องมีระบบหลายตัว คอนเทนเนอร์ที่สามารถดักจับสิ่งที่รั่วไหลจากตัวอย่างและรักษาไว้ได้มากเท่า เป็นไปได้.

นักวิจัยกำลังพัฒนา ระบบสุญญากาศเพื่อสกัดและวิเคราะห์ก๊าซรวมถึงผู้ที่ ใช้สำหรับตัวอย่าง Hayabusa2แต่นี่ยังเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ต้องพัฒนาเพื่อให้ภารกิจส่งคืนตัวอย่างในชั้นบรรยากาศมีประสิทธิภาพเต็มที่

อนาคตของวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์: ในแหล่งกำเนิดเทียบกับ การคืนตัวอย่าง

ภารกิจการสุ่มตัวอย่างในชั้นบรรยากาศยังคงอยู่ในขั้นแนวคิดอย่างมั่นคง และทางกลุ่มก็หวังว่าจะได้รับข้อเสนอในรอบต่อไปสำหรับ European Space Agency หรือ NASA

เป็นแผนการที่ทะเยอทะยาน แต่ก็ไม่ใช่แนวคิดที่แปลกใหม่อย่างที่เคยเป็นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา “เมื่อหลายสิบปีก่อน การกลับมาของตัวอย่างเป็นเพียงความฝันและไม่ได้จริงจังมากนัก” Avice กล่าว แต่ในตอนนี้กลับมาพร้อมกับก่อนหน้า ภารกิจเช่น Hayabusa2 และภารกิจที่จะเกิดขึ้นเช่น Mars Sample Return เป็นไปได้จริง

และมีศักยภาพที่จะแสดงให้เห็นว่าการส่งคืนตัวอย่างสามารถทำได้ค่อนข้างเร็วและราคาถูก เนื่องจากวิถีที่เป็นไปได้ ระหว่างโลกกับดาวศุกร์ และเนื่องจากยานอวกาศไม่ต้องลดความเร็วลง ขึ้นสู่พื้นผิว และกลับสู่วงโคจรก่อนกลับสู่ โลก.

ภารกิจนี้อาจเป็นการแส้กลับไปกลับมาอย่างรวดเร็วและส่งคืนตัวอย่างภายในหนึ่งปี

“สิ่งที่เจ๋งจริงๆ คือเราจะได้ตัวอย่างชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ก่อนที่เราจะเก็บตัวอย่างจากดาวอังคาร” Avice กล่าว “นั่นจะเป็นตัวอย่างแรกจากดาวเคราะห์ดวงอื่น”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสิ่งมีชีวิตอาจเติบโตบนดาวศุกร์ 'ดาวเคราะห์นรก'
• ภายในเวร่าซี หอดูดาวรูบิน บ้านของกล้องดิจิตอลที่ใหญ่ที่สุดในโลก
• Rocket Lab วางแผนที่จะส่งภารกิจส่วนตัวครั้งแรกไปยังดาวศุกร์
• นักวิจัยของ MIT ให้รายละเอียดเกี่ยวกับแผนสำหรับภารกิจส่วนตัวในการค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวศุกร์
• วิดีโอของ NASA แสดงให้คุณเห็นว่าการพุ่งผ่านชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์นั้นเป็นอย่างไร