Дикий план принести додому трохи атмосфери Венери

Якщо ви нещодавно стежили за космічними новинами, ви, напевно, чули про повернення зразків з Марса — амбітний план NASA зібрати зразки марсіанських порід і повернути їх на Землю для вивчення. Цю місію заплановано розпочати пізніше цього десятиліття, але це буде багаторічний і надзвичайно дорогий процес, щоб зібрати та отримати ці зразки.

Але Марс — не єдина планета, доступна для відвідування. Чому б нам не перескочити до нашої іншої сусідньої планети, Венери, і не взяти звідти зразок?

Це саме те, що пропонує група дослідників Венери. Ми поговорили з лідером групи пропозицій, щоб дізнатися більше.

Стара ідея, час якої настав

Вчені десятиліттями обговорювали переваги спроби отримати зразок з Венери, а концепції місії вивчалися ще в 1980-х роках. Незважаючи на те, що Марс був планетою, яка отримала найбільше уваги в останні роки, існує великий інтерес до планетознавства спільноті, щоб дізнатися більше про Венеру — особливо тому, що це може допомогти нам краще зрозуміти інші планети за межами нашого Сонця система.

Тепер це може змінитися, оскільки НАСА починає декада Венери з парою місій, які мають відвідати туди, разом із місією Європейського космічного агентства, усі заплановані на наступне десятиліття.

Попередні зразкові місії на Венеру так і не почалися з кількох причин: зосередження на Марсі закінчилося Венера, відсутність технології, щоб уможливити таку складну операцію, і істотна негостинність Венера. Венера гаряча, з надзвичайно щільною атмосферою, що створює дуже суворе середовище для роботи електроніки.

Спроба полетіти на Венеру, відправити зонд на поверхню, зібрати зразок, повернути цей зразок на орбіту і тоді повернення його на Землю було б надзвичайно дорогим і потребувало б значних технологічних витрат розробки.

Ось чому група французьких дослідників має інший підхід. Замість того, щоб намагатися зібрати шматочок поверхні Венери, ми повинні спробувати захопити частину її атмосфери. Місія Venus Atmospheric Sample Return або VATMOS-SR — це концепція місії, розроблена групою з Паризького інституту планетарної фізики, яка намагається заручитися підтримкою своєї ідеї.

Великою перевагою цього підходу є його відносна простота. Немає необхідності нічого приземляти на поверхню або повертатися на орбіту. Замість цього ви можете відправити один космічний корабель на шлях від Землі до Венери, де він увійде в атмосферу та наповнить пляшки приблизно чотирма літрами газу. Потім він продовжував би подорожувати прямо на Землю.

Космічний корабель не мав би приладів і не знімав показань. Це був би просто інкасаторський автомобіль. Це робить його безпечнішим, легшим і дешевшим, пояснив Digital Trends провідний дослідник Гійом Ейвіс.

«Ви просто проглядаєте атмосферу по балістичній траєкторії», — сказав Ейвіс. «Тож потрібен лише рік, щоб поїхати туди, взяти зразок і повернутися на Землю».

Планування на довгострокову перспективу

Сьогодні планетологічні місії зазвичай передбачають надсилання інструментів (наприклад, на марсоходах) до певного місця та проведення вимірювань. Цей підхід передбачає збір матеріалу та повернення його на Землю, де ми маємо набагато більш потужні та різноманітні інструменти для дослідження.

А з дорогоцінним зразком з іншої планети дрібниця має велике значення. Зразок газу в кілька літрів може зацікавити вчених роками.

«Що справді круто, так це те, що ви отримуєте багато газу, і ви можете вимірювати його не вічно, а протягом тривалого часу на Землі», — пояснив Ейвіс. «Якщо ви подумаєте про це, ви можете зберегти трохи цього зразка. Можливо, через десять років у нас на Землі з’явиться новий спектрометр, який буде корисний для цього зразка».

Це планування на майбутнє має сенс, якщо подивитися, як NASA підійшло до місячних зразків, зібраних під час місій Apollo на Місяць. Деякі зразки були проаналізовані, як тільки вони були повернуті на Землю, але інші були збережені на основі того, що майбутні технології дозволять аналізувати їх на новій глибині. І цей довгостроковий підхід виправдав себе завдяки 50-річному зразку відкрито лише минулого року і розкриття інформації про геологію та історію Місяця.

Якби ми змогли взяти подібний зразок атмосфери Венери, більшу частину цього також можна було б зберігати надовго. І дослідникам буде корисно навіть лише жменька атомів зразка газу, тому зразка об’ємом кілька літрів буде достатньо, щоб забезпечити дослідницькими матеріалами всю спільноту Венери.

Майбутня місія на Венері під назвою Davinci планує зробити подібні вимірювання атмосфери, але в цьому випадку в реальному часі нестача. Місія включає в себе скидання зразка сфери в атмосферу, тому зразки потрібно взяти та обробити лише за одну годину.

Це викликало проблеми з попередніми місіями на Венері в попередні десятиліття, що призвело до спотворених результатів, ймовірно, через неправильне калібрування або забиті вентиляційні отвори. Інженери роблять усе можливе, щоб передбачити будь-які можливі проблеми з відбором проб, але це важко зробити, коли існує так багато невідомих про навколишнє середовище, куди потрапляє місія.

Однак якщо зразок повернути на Землю, у нього буде достатньо часу для калібрування інструментів і повторної перевірки результатів, що зробить висновки надійнішими.

Існують певні складнощі із взяттям проби на дуже високих швидкостях. Відбувається процес, званий фракціонуванням, який може розділити зразок на різні частини, коли його збирають так швидко, але це має бути можливість виправити.

Як працюватиме місія з відбору зразків атмосфери

Є вагомі причини, чому ніхто раніше не намагався повернути зразки Венери. Тому що це нелегко.

Очевидною паралеллю до місії з повернення зразків на Венеру буде місія з повернення зразків на Марс майбутнє спільне підприємство між NASA та Європейським космічним агентством, яке планується запустити в кінці 2020-ті роки. Цей план збору зразків з Марса включає в себе кілька марсоходів, посадкових апаратів або гелікоптерів, розробляється десятиліттями та має зростаючий бюджет, що викликає занепокоєння навіть у затятих ентузіастів Марса.

А Венера ще більш негостинна, ніж Марс, з її густою атмосферою, хмарами сірчаної кислоти та тиском, порівнянним з глибинами океану. Спроба повернути зразок з поверхні Венери буде «кошмаром», сказав Ейвіс, і «ймовірно, навіть дорожче, ніж на Марсі».

Ось чому група Ейвіса пропонує замість цього взяти зразок з атмосфери планети. «Це надзвичайно дешево», — сказав він, умовно кажучи: група оцінює вартість такої місії в 100 мільйонів євро (110 мільйонів доларів США) порівняно з За поточними оцінками від 8 до 9 мільярдів доларів для повернення зразків на Марс.

Однак навіть із відносною легкістю зразка атмосфери не підійде будь-який старий фрагмент атмосфери. На дуже великих висотах атмосфера надзвичайно розріджена, і деякі молекули відокремлюються гравітацією. Отже, щоб отримати репрезентативний зразок, вам потрібно опуститися нижче рівня, який називається гомопаузою, нижче якого атмосфера достатньо добре змішана, щоб утримувати всі різні присутні молекули.

На Венері гомопауза знаходиться приблизно в 110 км (70 милях) від поверхні, тому місія повинна досягти нижче цього рівня. Але чим глибше ви заходите, тим складнішою стає місія. «Тож мета полягає в тому, щоб бути трохи нижче гомопаузи, з деяким запасом безпеки», — сказав Ейвіс. «Якщо ми підемо глибше, це стане набагато складнішим і дорожчим».

Виклики

Проте навіть просто пройти через атмосферу планети складно. Однією з великих проблем є захист космічного корабля від величезного тепла, яке накопичується через тертя в атмосфері.

Космічний корабель, який збирається увійти в атмосферу планети — чи то відвідування іншої планети, як-от Марс, чи космічний корабель, що повертається на Землю через атмосферу нашої планети — мають товстий тепловий екран, який захищає делікатні компоненти всередині від дуже високого температури.

Наприклад, доставка марсохода на Марс передбачає загортання марсохода в тепловий щит, а потім його запечатування — марсохід і тепловий щит разом із двигунами та іншими частинами космічного корабля — у носовий конус ракети для запуску. Опинившись у космосі, космічний корабель розгортається та відправляється на Марс, потім тепловий екран захищає марсохід, коли він проходить крізь атмосферу, щоб приземлитися.

Однак для місії зі зразком атмосфери вам знадобиться один тепловий щит, який би працював двічі — і під час відбору проб на Венері, і знову під час повернення зразка на Землю. Незрозуміло, чи зможе сучасна технологія теплозахисного захисту захистити космічний корабель від двох таких впливів.

Змусити теплозахисний екран працювати двічі — це «те, чого ми насправді не знаємо, як це зробити», — сказав Ейвіс. І для роботи можуть знадобитися роки розробки, якщо це взагалі можливо.

Що робити зі зразком, коли він повернеться на Землю

Інший виклик є несподіваним. Ви можете подумати, що зібрати зразок – це складно, а проаналізувати його, коли він повернеться на Землю, буде легко. Але виявляється, що працювати зі зразками газу складніше, ніж ви можете собі уявити.

Атмосфера Венери сповнена речовин, які легко випаровуються, і називаються леткими. До них належать благородні гази та сполуки, включаючи азот, водень, вуглець і сірку. Вивчення їх є ключовим для розуміння атмосфери Венери, але їх непросто транспортувати чи вивчати.

Щоб належним чином уловити летку речовину в пляшці для зразка, вам потрібен дуже хороший клапан — щоб жоден із зразок витікає, і щоб жоден із газів з інших середовищ, таких як атмосфера Землі, не проникав. Це було проблемою для місії Hayabusa2, якій вдалося повернути зразок з астероїда, але він мав досвід витік атмосфери Землі ймовірно, це викликано поштовхом від розгортання парашута під час його повернення на Землю.

Навіть якщо зразок повернеться на Землю повністю незайманим, без будь-яких витоків, вам все одно потрібно буде швидко перемістити зразок із його пляшки в надійніший контейнер. Навіть найщільніші клапани трохи протікають протягом кількох місяців, тому вам потрібна система з кількома контейнери, які можуть захопити все, що витікає із зразка, і зберегти якнайбільше цього можливо.

Дослідники розвиваються вакуумні системи для виділення та аналізу газів, в тому числі використовується для зразка Hayabusa2, але це все ще нова область технології, яку необхідно розробити, щоб місія повернення зразків атмосфери була повністю ефективною.

Майбутнє планетарної науки: in situ vs. повернення зразка

Місія із взяття проб атмосфери все ще перебуває на стадії розробки концепції, і група сподівається отримати її в наступному раунді пропозицій для Європейського космічного агентства або, можливо, НАСА.

Це амбітний план, але це не така дивна концепція, якою була б кілька років тому. «Десятки років тому повернення зразків було лише мрією і не дуже серйозно», — сказав Ейвіс, але тепер з попереднім таких місій, як Hayabusa2, і майбутніх місій, таких як Mars Sample Return, це стає реальною можливістю.

І є потенціал показати, що повернення зразків можна зробити відносно швидко та дешево завдяки можливим траєкторіям між Землею та Венерою і тому, що космічному кораблю не доведеться сповільнюватися, діставатися до поверхні та повертатися на орбіту, перш ніж повернутися на земля.

Потенційно місія може стати швидким переміщенням туди-сюди, повертаючи зразок протягом року.

«Що дійсно круто, так це те, що ми отримаємо зразок атмосфери Венери раніше, ніж ми отримаємо зразки з Марса», — сказав Ейвіс. «Тож це буде перший зразок з іншої планети».

Рекомендації редакції

• Ось чому вчені вважають, що життя могло процвітати на «пекельній планеті» Венері
• Всередині Vera C. Обсерваторія Рубін, де знаходиться найбільша у світі цифрова камера
• Rocket Lab планує відправити першу приватну місію на Венеру
• Дослідники Массачусетського технологічного інституту детально розробляють плани приватних місій з пошуку життя на Венері
• Відео NASA показує, як це – зануритися в атмосферу Венери