ยานสำรวจใหม่ของ NASA จะรอดพ้นจากขุมนรกของดาวศุกร์ได้อย่างไร

เนื่องจากเป็นเพื่อนบ้านข้างบ้านของเรา คุณอาจจินตนาการว่าเราเข้าใจดาวศุกร์อย่างถ่องแท้ แต่คุณจะคิดผิด NASA ไม่ได้ไปเยือนโลกนี้มานานกว่า 30 ปีแล้ว และยังมีสถานที่อีกมากมายที่เราแทบไม่ได้ไปเยือน ทำความเข้าใจตั้งแต่ประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาไปจนถึงหินชนิดใดที่อยู่บนพื้นผิว สิ่งแวดล้อมก็คือ โดยพื้นฐานแล้วเป็นเรื่องลึกลับ.

นักวิทยาศาสตร์คิดว่าดาวศุกร์เป็น ครั้งหนึ่งเหมือนโลกแต่ทั้งสองได้แยกจากกันในช่วงหนึ่งของวิวัฒนาการจนกลายเป็นสถานที่ที่แตกต่างกันอย่างมากมายอย่างที่พวกเขาเป็นอยู่ทุกวันนี้ เรารู้ว่าดาวศุกร์มีชั้นบรรยากาศหนาทึบซึ่งกักเก็บความร้อนและทำให้เป็นดาวเคราะห์ที่ร้อนที่สุดในระบบสุริยะ และเรารู้ว่าพื้นผิวของมันปกคลุมไปด้วยภูเขา รอยแยก และภูเขาไฟ แม้ว่าเราจะไม่รู้ว่าสิ่งเหล่านี้ยังคงคุกรุ่นอยู่หรือไม่

เหตุผลหนึ่งที่ยังไม่มีใครทราบเกี่ยวกับดาวศุกร์มากนักก็คือบรรยากาศหนาทึบของมันบดบังภูมิประเทศส่วนใหญ่จากการมองเห็น และเป็นการยากที่จะมองผ่านชั้นเมฆเพื่อดูว่ามีอะไรอยู่ข้างใต้ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือว่ามันเป็นสถานที่ที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างหนาวเหน็บ ระหว่างอุณหภูมิอบกับบรรยากาศที่เต็มไปด้วยกรด ไม่มีสิ่งใดที่มนุษย์สร้างขึ้นสามารถอยู่รอดได้บนพื้นผิวของมันนานกว่าสองสามนาที

แต่ถ้าเราอยากรู้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวเคราะห์ลึกลับดวงนี้ที่อยู่ถัดไป เราก็ต้องเข้าไปเยี่ยมชมมัน และนั่นคือสิ่งที่ภารกิจ DAVINCI ของ NASA วางแผนจะทำ โดยการปล่อยยานสำรวจผ่านชั้นบรรยากาศเพื่ออ่านค่าทั้งหมดในขณะที่ตกลงสู่พื้นผิว ซึ่งภารกิจดังกล่าวจะเป็นภารกิจหนึ่งของ ภารกิจทั้งสาม สู่ดาวศุกร์ในทศวรรษหน้า มีกำหนดเปิดตัวในปี 2572 และจะมาถึงดาวศุกร์เพื่อดิ่งลงสู่ชั้นบรรยากาศในปี 2574

เพื่อค้นหาว่าคุณสร้างยานสำรวจเพื่อต้านทานสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายนี้ได้อย่างไร และสิ่งที่เราอาจเรียนรู้จากมัน เราได้พูดคุยกับสองคน สมาชิกของทีม DAVINCI: Jim Garvin ผู้ตรวจสอบหลักของภารกิจ และ Mike Sekerak โครงการระบบ วิศวกร.

บรรยากาศของดาวศุกร์เป็นอย่างไรบ้าง?

ดาวศุกร์เป็นพรมแดนในวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับดาวเคราะห์ซึ่งไม่ค่อยมีใครรู้จัก เมื่อพิจารณาว่าดาวศุกร์อยู่ใกล้เรามากเพียงใด สิ่งที่เกิดขึ้นใต้ชั้นเมฆชั้นบนเป็นคำถามที่น่าสนใจอย่างยิ่ง

“ลักษณะเฉพาะของบรรยากาศ ตั้งแต่ด้านบนของเมฆไปจนถึงพื้นผิว – ใหญ่โตมหึมาขนาดนี้ ชั้นบรรยากาศ 75% ของมวลซึ่งอยู่ต่ำกว่า 15 ถึง 20 กิโลเมตร แทบไม่มีการสำรวจเลย” การ์วิน พูดว่า.

ยานสำรวจที่ส่งไปยังดาวศุกร์ในช่วงทศวรรษปี 1960 และ 1970 พยายามรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับบรรยากาศ และประสบความสำเร็จบ้าง แต่การตรวจวัดบรรยากาศก่อนหน้านี้ไม่น่าเชื่อถือ เนื่องจากปัญหาทางกายภาพกับหัววัดแบบเก่า เช่น ทางเข้าอุดตันและเทคโนโลยีที่มีอยู่อย่างจำกัด นั่นนำไปสู่การอ่านที่มีสัญญาณรบกวน ซึ่ง Garvin พูดว่า: "บางส่วนก็ไม่สมเหตุสมผล"

โดยเฉพาะบรรยากาศชั้นล่างถือเป็นเรื่องลึกลับในหลายๆ ด้าน มันอาจเป็นของไหลวิกฤตยิ่งยวดซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงจนไหลเป็นของเหลว นอกจากนี้ยังมีคำถามว่าหินบนพื้นผิวโลกมีปฏิกิริยาอย่างไรกับชั้นบรรยากาศ

การศึกษาชั้นบรรยากาศและพื้นผิวสามารถช่วยตอบคำถามที่ใหญ่ที่สุดข้อหนึ่งที่เรามีเกี่ยวกับดาวศุกร์ได้ ครั้งหนึ่งเคยมีมหาสมุทรที่มีน้ำเป็นของเหลวอยู่บนพื้นผิวหรือไม่ และหากเป็นเช่นนั้น เกิดอะไรขึ้นกับดาวศุกร์

ความท้าทายใหญ่สองประการ

ดาวศุกร์ไม่ใช่สถานที่ที่ยินดีต้อนรับสำหรับการสำรวจ เนื่องจากมันร้อนเป็นสองเท่าของเตาอบ และมีแรงกดดันบนพื้นผิวมากกว่าการอยู่ใต้มหาสมุทรหนึ่งกิโลเมตร

“ความท้าทายทางเทคนิคที่เรามีที่นี่ค่อนข้างน่าตื่นเต้น” Sekerak กล่าว ปัญหาใหญ่ที่สุดสำหรับภารกิจที่เป็นไปได้ไปยังดาวศุกร์คือความร้อน เนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวอาจสูงถึง 900 องศาฟาเรนไฮต์ (475 องศาเซลเซียส) มันร้อนพอที่จะละลายตะกั่ว และสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

นั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม “อย่างไรก็ตาม ความกดดันนั้นตามหลังความยากลำบากไม่มากนัก” Sekerak กล่าว ความดันที่พื้นผิวอยู่ที่ประมาณ 95 บาร์ หรือเกือบ 100 เท่าของความดันบรรยากาศ พื้นผิวโลก ดังนั้นวิศวกรรมศาสตร์สำหรับการสำรวจสภาพแวดล้อมประเภทนี้จึงเหมือนกับการสร้าง เรือดำน้ำ

เมื่อมันตกลงสู่ชั้นบรรยากาศ DAVINCI จะต้องแข่งกับเวลาเพื่อรวบรวมข้อมูลทั้งหมดที่ต้องการก่อนที่ความร้อนและความดันจะทำลายส่วนประกอบต่างๆ เพื่อให้โพรบใช้งานได้นานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โพรบจึงเป็นทรงกลมและหุ้มด้วยเปลือกไทเทเนียมหนาเพื่อทนทานต่อแรงกดและเป็นฉนวนป้องกันความร้อน ภายในเปลือกนี้ยังมีฉนวนเพิ่มเติม ซึ่งทำจากวัสดุพิเศษ รวมถึงแอสโทรควอตซ์ ซึ่งเป็นเส้นใยประเภทหนึ่งที่ทำจากควอตซ์หลอมละลาย

ภายในได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ส่วนประกอบแยกความร้อนจากภายนอกเช่นกัน เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนถูกถ่ายเทออกจากเปลือก จากนั้นจะเติมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฟฟ้าแรงสูงไม่ให้เกิดประกายไฟ และเพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซโลกรั่วไหลเข้ามาในระหว่างการปล่อย

โดยรวมแล้ว ยานสำรวจซึ่งทีมงานเรียกว่าทรงกลมตกลงมา มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เมตร มันจะถูกปล่อยออกจากยานอวกาศพร้อมกับร่มชูชีพเพื่อชะลอการลงมา แม้ว่าบรรยากาศจะช่วยได้ก็ตาม ด้วยเหตุนี้เพราะมันหนามากจนเหมือนปล่อยโพรบผ่านน้ำมากกว่าทางอากาศ

โดยรวมแล้ว ยานสำรวจจะใช้เวลา 63 นาทีจึงจะไปถึงพื้นผิว และในหนึ่งชั่วโมงนั้น มันจะรวบรวมข้อมูลให้ได้มากที่สุดก่อนที่มันจะถูกทำลายโดยสภาพแวดล้อมที่โหดร้ายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

สุ่มตัวอย่างตลอดทางลง

ทรงกลมลงมาจะตกลงผ่านชั้นบรรยากาศและสุ่มตัวอย่างลงไปจนสุดเพื่อสร้างภาพบรรยากาศจากบนลงล่าง

ภายในทรงกลมจะมีเครื่องมือคล้ายสเปกโตรมิเตอร์คล้ายกับเครื่องมือบนยานสำรวจดาวอังคาร Curiosity และ ความเพียรซึ่งสามารถวัดองค์ประกอบทางเคมีของตัวอย่างโดยดูจากความยาวคลื่นของแสงนั้น ดูดซับ. แต่แตกต่างจากยานสำรวจดาวอังคารซึ่งอาจใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันในการรวบรวมและวิเคราะห์ตัวอย่างอย่างระมัดระวัง DAVINCI จะต้องทำการสุ่มตัวอย่างและวิเคราะห์ภายในไม่กี่นาที

มีวาล์วทางเข้าอยู่ที่จุดต่างๆ เหนือทรงกลม โดยมีฝาปิดเซรามิกที่แตกออกเพื่อกลืนก๊าซเข้าไป ก๊าซเหล่านี้ต้องได้รับการวิเคราะห์อย่างรวดเร็ว จากนั้นจึงระบายออกเพื่อให้สามารถเก็บตัวอย่างได้มากขึ้น วิธีนี้จะช่วยให้โพรบสามารถดูรายละเอียดเคมีของบรรยากาศได้อย่างละเอียดที่สุดตลอดทุกชั้นของมัน

ในขณะที่สิ่งนี้เกิดขึ้น เซ็นเซอร์อื่นๆ ในโพรบจะตรวจวัดปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิและความดัน เพื่อช่วยให้เข้าใจโครงสร้างของบรรยากาศ จากนั้นข้อมูลทั้งหมดนี้จะถูกส่งกลับไปยังยานอวกาศก่อนที่โพรบจะแตะพื้นผิว

โพรบได้รับการออกแบบมาเพื่อเก็บตัวอย่างสู่ชั้นบรรยากาศเท่านั้น ไม่ใช่เพื่อลงสู่พื้น แต่เมื่อมันแตะพื้นผิว ก็มีโอกาสรอดได้ บรรยากาศที่หนาทึบและร่มชูชีพจะช่วยชะลอความเร็วของมัน แต่ "มันจะพุ่งชนด้วยความเร็วที่น้อยกว่าอุดมคติสำหรับฮาร์ดแวร์ในการบินอวกาศ" Sekerak กล่าวพร้อมกับหัวเราะ

หากโพรบรอดจากการลงจอด อาจต้องใช้เวลาถึง 20 นาทีในการรวบรวมข้อมูลก่อนที่ความร้อนจะซึมผ่านทรงกลมและทอดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และนั่นจะเป็นข้อมูลโบนัสเพิ่มเติมเกี่ยวกับอุณหภูมิและความดันพื้นผิว รวมถึงก๊าซที่มีอยู่ด้วย

การทำความเข้าใจเคมีของบรรยากาศเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเป้าหมายของ DAVINCI อีกส่วนหนึ่งที่อาจน่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับสาธารณชนคือการถ่ายภาพพื้นผิวดาวศุกร์อันลึกลับ

ดาวศุกร์ในระดับมนุษย์

ยานสำรวจจะลงมา “บนภูเขาดาวศุกร์ ในภูมิประเทศแบบที่มนุษยชาติไม่เคยเห็นมาก่อน” การ์วินกล่าว และทีมงานต้องการบันทึกประสบการณ์นี้ทั้งทางสายตาและทางเคมี

ทรงกลมที่ตกลงมาจะมีกล้องที่จะถ่ายภาพพื้นผิวที่มีคอนทราสต์สูง ซึ่งสามารถสร้างเป็นแผนที่ 3 มิติได้

หากต้องการให้กล้องทำงานจากภายในทรงกลมโลหะ คุณต้องมีหน้าต่าง และแก้วไม่ใช่วัสดุที่ดีในการรับมือกับสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูงมาก นั่นคือเหตุผลที่หน้าต่างของ DAVINCI ไม่ได้ทำจากแก้วแต่เป็นแซฟไฟร์

“แท้จริงแล้วมันคือแซฟไฟร์ชิ้นใหญ่มาก” Sekerak กล่าว “เพราะมันมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม” มีความแข็งแรงมากแต่ก็ชัดเจนมาก ดังนั้นจึงไม่บิดเบือนภาพที่ถ่ายผ่าน แต่หลีกเลี่ยงไม่ได้ที่หน้าต่างที่เปิดรับแสงจะระบายความร้อนได้มากขึ้น ดังนั้นวิศวกรจึงเพิ่มวัสดุเปลี่ยนเฟสรอบๆ ชุดหน้าต่าง วัสดุนี้จะละลายที่อุณหภูมิที่กำหนดเพื่อดูดซับความร้อนส่วนเกินจากหน้าต่าง

ซึ่งจะทำให้กล้องสามารถถ่ายภาพได้คมชัดในระหว่างการลงมา สิ่งเหล่านี้จะถูกนำไปใช้ในการถ่ายภาพภูมิประเทศของดาวศุกร์ จากที่สูงและลงไปจนถึงพื้นผิวดาวศุกร์

“ภาพสุดท้ายของเราจะมีความละเอียด 10 เซนติเมตร” การ์วินกล่าว “นั่นคือขนาดที่คุณเห็นเมื่อมองออกไปทั่วห้องนั่งเล่นของคุณ”

นอกจากการนำเสนอข้อมูลทางวิทยาศาสตร์มากมายแล้ว Garvin หวังว่าการถ่ายภาพในระดับนี้จะสามารถทำได้ ช่วยให้สาธารณชนรู้สึกเหมือนสามารถเห็นดาวศุกร์เป็นสถานที่จริง ไม่ใช่แค่เพียงจุดเดียวให้สังเกตเท่านั้น ห่างไกล

“เราต้องการนำการมองเห็นของมนุษย์และการรับรู้ทางประสาทสัมผัสของเรามาสู่ดาวศุกร์” เขากล่าว “เราจะเริ่มสัมผัสถึงดาวศุกร์ในระดับมนุษย์”

การทดสอบสำหรับสิ่งที่ไม่รู้จัก

ส่วนที่ยุ่งยากจริงๆ ของภารกิจไปยังดาวศุกร์นั้นไม่ได้ต้องรับมือกับความท้าทายที่เรารู้ เช่น อุณหภูมิและความกดดันด้วยซ้ำ กำลังพยายามคาดการณ์ถึงความท้าทายที่อาจเกิดขึ้นจากสภาพแวดล้อมที่เรามีข้อมูลน้อยมาก

นั่นเป็นเหตุผลที่การทดสอบและการเตรียมการจะเป็นส่วนสำคัญของสิ่งที่ทีม DAVINCI ทำในอีกเจ็ดปีข้างหน้า เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการเปิดตัวตามกำหนดในปี 2572

“เราทำการทดสอบกรณีที่เลวร้ายที่สุด” Sekerak อธิบาย “ดังนั้นเราจึงทดสอบว่าสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายที่สุดจะเป็นเช่นไร”

ตัวอย่างเช่น นักวิจัยรู้ว่าเมฆบนดาวศุกร์มีกรดซัลฟิวริกหยดอยู่ในนั้น และกรดซัลฟิวริกก็กินผ่านวัสดุต่างๆ เป็นเรื่องที่น่ากังวลเป็นพิเศษสำหรับเชือกเส้นเล็กเคฟล่าร์ที่จะยึดทรงกลมลงมากับร่มชูชีพ ดังนั้นเพื่อทดสอบว่าเชือกคล้องสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดได้หรือไม่ วิศวกรไม่เพียงแค่แขวนเชือกไว้ด้วยกรดเพียงไม่กี่หยดเท่านั้น แต่ยังเคลือบพื้นผิวทั้งหมดอีกด้วย ในกรด จากนั้นทดสอบแรงดึงของเชือกเส้นเล็กเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถอยู่รอดได้นานพอที่จะนำโพรบผ่านชั้นบรรยากาศได้แม้ในสภาวะที่เลวร้ายที่สุด กรณี.

สำหรับวิธีที่คุณทดสอบฮาร์ดแวร์ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมือนกับ Earth คุณต้องใช้ความคิดสร้างสรรค์ เพื่อดูว่าต้องใช้เวลานานเท่าใดกว่าทรงกลมโลหะจะร้อนขึ้น ทีมงานจึงนำมันไปที่โรงหล่อโลหะ “หน้าที่ของพวกเขาคือการหลอมโลหะ” Sekerak กล่าว “และเราใส่เครื่องมือของเราเข้าไปข้างในเพื่อฝึกทำให้ร้อน เพื่อวัดการไหลของความร้อนนั้น”

แนวคิดก็คือการสร้างระยะขอบที่เพียงพอให้กับระบบที่สำคัญทุกระบบเพื่อรองรับสิ่งแปลกปลอมที่ดาวเคราะห์อาจขว้างมาที่ทรงกลม Garvin อธิบายว่า: “เราได้สร้าง… ความคิดทางวิศวกรรมมากมายและการลดความเสี่ยงในวิธีที่เราทำสิ่งนี้”

สิ่งนี้ยังส่งผลต่อวิธีการรวบรวมข้อมูลด้วย “ถ้าเรามีวันที่ดีบนดาวศุกร์ เราอาจจะได้ภาพที่ตกลงมา 500 ภาพกลับมา” เขากล่าว “หากเรามีวันที่เลวร้ายที่สุดที่มนุษยชาติรู้จัก เราก็อาจจะได้ 35 วันกลับมา แต่ 35 นั้นมากกว่าที่เราต้องทำแผนที่แบบนี้มาก” แน่นอนว่ารูปภาพที่มากขึ้นหมายถึงข้อมูลที่มากขึ้น และนั่นเป็นวิธีที่ดีกว่าเนื่องจากช่วยให้เกิดความเป็นวิทยาศาสตร์มากขึ้น แต่ถึงแม้จะอยู่ในสภาวะที่เลวร้ายที่สุด พวกเขาก็จะได้พบกับข้อมูลอันล้ำค่า

มีอะไรใหม่ให้เรียนรู้อยู่เสมอ

การไปเยือนดาวศุกร์ถือเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ แม้จะเป็นไปตามมาตรฐานอันทะเยอทะยานของภารกิจอวกาศขนาดใหญ่ก็ตาม แต่ผลตอบแทนที่อาจเกิดขึ้นในแง่ของสิ่งที่เราเรียนรู้นั้นมีมหาศาล

การเรียนรู้เกี่ยวกับวีนัสจะน่าหลงใหลเพราะตัวมันเอง แต่มันก็สำคัญสำหรับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบด้วย เนื่องจากภารกิจอย่างเช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ค้นพบและสำรวจดาวเคราะห์ดวงใหม่นอกระบบสุริยะของเรา เราจะต้องมีจุดอ้างอิงสำหรับดาวเคราะห์ที่เป็นหิน เช่น โลก ดาวอังคาร และดาวศุกร์

เรามีความเข้าใจค่อนข้างดีเกี่ยวกับคุณลักษณะที่สำคัญของโลกและดาวอังคาร และด้วยการเพิ่มข้อมูลจากดาวศุกร์ เราจะสามารถเข้าใจดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลได้ดีขึ้นมาก

“ดาวศุกร์กำลังจะกลายเป็นจุดเทียบมาตรฐานสำหรับดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่มีหินและมีชั้นบรรยากาศ ที่เราจะสามารถมองเห็นและเข้าใจได้ด้วยเวบบ์และกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่เหนือกว่า” การ์วิน พูดว่า.

และแน่นอนว่า มนุษย์ส่วนใหญ่มีสัญชาตญาณในการเรียนรู้ สำรวจ และเดินทางไปยังสถานที่ใหม่ๆ “นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ฉันชอบทำภารกิจสำรวจอวกาศ เรากำลังจะไปที่ไหนสักแห่งที่เราไม่รู้อะไรมากนัก” Sekerak กล่าว

เราได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับการสร้างสภาพแวดล้อมของโลกและดาวอังคาร และตอนนี้เราสามารถนำความรู้บางส่วนไปประยุกต์ใช้กับที่อื่นได้ การสร้างสภาพแวดล้อมนั้นจะทำให้เทคโนโลยีของเราขยายออกไป และการสำรวจด้วยการสอบสวนสามารถเริ่มเปิดเผยความลึกลับบางอย่างได้ ดังที่ Sekerak กล่าว เมื่อไปเยือนสภาพแวดล้อมอวกาศใหม่ “มีสิ่งใหม่ๆ ที่คุณสามารถเรียนรู้ได้เสมอ”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• ด้านในมีแผนบ้าบิ่นเก็บบรรยากาศดาวศุกร์กลับบ้านสักหน่อย
• วิธีดูภารกิจส่วนตัวของ NASA มาถึงสถานีอวกาศ
• นักบินอวกาศของ NASA ในปี 1978 เปลี่ยนโฉมการสำรวจอวกาศอย่างไร
• วิธีดู NASA เผยโฉมชุดอวกาศรุ่นต่อไป
• ดาวศุกร์ ดาวพฤหัส และเซเรส รวมอยู่ในเคล็ดลับการดูท้องฟ้าของ NASA ประจำเดือนมีนาคม