Як новий зонд NASA виживе в пеклі Венери

Оскільки це наш найближчий сусід, ви можете уявити, що ми маємо досконале розуміння планети Венера. Але ви помиляєтеся. NASA не відвідувало планету понад 30 років, і про це місце так багато, що ми ледве зрозуміти, від його геологічної історії до того, які види гірських порід є на його поверхні, так багато його середовище є по суті загадка.

Вчені вважають, що Венера була колись як Земля, але на певному етапі своєї еволюції вони розійшлися, щоб стати абсолютно різними місцями, якими вони є сьогодні. Ми знаємо, що Венера має густу атмосферу, яка зберігає тепло і робить її найгарячішою планетою Сонячної системи. І ми знаємо, що його поверхня вкрита горами, рифтами та вулканами, хоча ми не знаємо, чи вони все ще активні.

Однією з причин, чому про Венеру так багато залишається невідомим, є те, що її густа атмосфера приховує більшу частину рельєфу від очей, і важко вдивлятися крізь шари хмар, щоб побачити, що знаходиться під ними. Інша причина полягає в тому, що це жахливо негостинне місце. Не дивлячись на температуру випікання та густу, наповнену кислотою атмосферу, нічого рукотворного не збереглося на його поверхні довше кількох хвилин.

Але якщо ми хочемо дізнатися більше про цю таємничу планету по сусідству, нам потрібно її відвідати. І це саме те, що планує зробити місія NASA DAVINCI, скинувши зонд через атмосферу, щоб зняти показання на всьому шляху вниз, коли він падає на поверхню. Місія, яка буде однією з тріо місій до Венери в наступному десятилітті, запланований на 2029 рік і прибуття на Венеру для падіння через атмосферу в 2031 році.

Щоб дізнатися, як створити зонд, щоб протистояти цьому пекельному середовищу, і чого ми можемо з цього навчитися, ми поговорили з двома члени команди DAVINCI: Джим Гарвін, головний дослідник місії, і Майк Секерак, системний проект інженер.

Що відбувається з атмосферою Венери?

Венера являє собою рубіж у планетології, про який відомо дуже мало, враховуючи, наскільки близько вона до нас. Те, що відбувається під верхнім шаром хмар, є особливо інтригуючим питанням.

«Характеристика атмосфери, від вершини хмар до поверхні – така велика, масивна атмосфера, 75% маси якої знаходиться в нижніх 15-20 кілометрах, майже не досліджена», - Гарвін сказав.

Зонди, відправлені на Венеру в 1960-х і 1970-х роках, намагалися зібрати дані про атмосферу і досягли певного успіху. Але попередні вимірювання атмосфери були ненадійними через фізичні проблеми з попередніми зондами, такі як забиті входи та обмежена доступна технологія. Це призвело до деяких помилкових показань, про які Гарвін каже: «Деякі з них не мають сенсу».

Зокрема, нижні шари атмосфери багато в чому є загадкою. Це може бути надкритична рідина, у якій температура і тиск настільки високі, що вона розпливається, як рідина. Існує також питання про те, як скелі на поверхні планети взаємодіють з атмосферою.

А вивчення атмосфери та поверхні могло б допомогти відповісти на одне з найбільших питань, які ми маємо про Венеру: чи були колись на її поверхні океани рідкої води, і якщо так, що з ними сталося?

Два великі виклики

Венера не є зручним місцем для зонда: вона вдвічі гарячіша, ніж духовка, і тиск на поверхню більший, ніж перебування під кілометром океану.

«Технічні проблеми, які ми тут маємо, досить захоплюючі», — сказав Секерак. Найбільшою проблемою для будь-якої потенційної місії на Венеру є спека, оскільки температура поверхні може досягати 900 градусів за Фаренгейтом (475 градусів за Цельсієм). Це досить гаряче, щоб розплавити свинець, і це сіє хаос з електронікою.

Однак це лише одна частина екологічної проблеми. «Тиск, однак, не відстає з точки зору труднощів», - сказав Секерак. Тиск на поверхні становить приблизно 95 бар, або майже в 100 разів перевищує атмосферний тиск на Земна поверхня, тому розробка зонда для такого середовища схожа на будівництво підводний човен.

Коли його скинуть в атмосферу, DAVINCI змагатиметься з часом, щоб зібрати всю необхідну інформацію, перш ніж тепло та тиск зруйнують його компоненти. Щоб зонд залишався активним якомога довше, він сферичний і покритий товстою титановою оболонкою, щоб витримувати тиск і ізолювати від тепла. Крім того, всередині цієї оболонки є додаткова ізоляція, виготовлена ​​зі спеціальних матеріалів, зокрема астрокварцу, типу волокна, виготовленого з плавленого кварцу.

Внутрішня частина розроблена таким чином, щоб компоненти були теплоізоляційними від зовнішніх, щоб запобігти передачі тепла від корпусу. Потім його наповнюють вуглекислим газом, щоб захистити електроніку високої напруги від іскріння та запобігти витоку земних газів під час запуску.

Загалом зонд, який команда називає сферою спуску, має діаметр приблизно один метр. Він буде випущений з орбітального апарату з парашутом, щоб сповільнити його спуск, хоча атмосфера допомагає з цим, тому що він такий товстий, що це більше схоже на падіння зонда у воду, ніж у повітря.

Загалом зонду знадобиться 63 хвилини, щоб досягти поверхні, і за цю годину він збере стільки даних, скільки зможе, перш ніж його неминуче знищить жорстоке середовище.

Відбір зразків до кінця

Сфера, що спускається, буде падати крізь атмосферу та збирати проби вниз, щоб створити картину атмосфери від верху до низу.

Всередині сфери будуть такі прилади, як спектрометри, подібні до приладів на марсоходах Curiosity та Perseverance, який може вимірювати хімічний склад зразків, дивлячись на довжину хвилі світла, яке вони поглинати. Але на відміну від марсоходів, яким можуть знадобитися години або дні, щоб зібрати та ретельно проаналізувати зразок, DAVINCI доведеться відбирати та аналізувати його за лічені хвилини.

У різних точках кулі є впускні клапани з керамічними кришками, які відриваються, щоб поглинути гази. Ці гази потрібно аналізувати дуже швидко, а потім випускати, щоб можна було взяти більше проб. Це дозволить зонду отримати найдетальніший погляд на хімічний склад атмосфери в усіх її шарах.

Поки це відбувається, інші датчики в зонді будуть вимірювати такі фактори, як температура і тиск, щоб допомогти зрозуміти структуру атмосфери. Потім усі ці дані будуть відправлені назад на орбітальний апарат до того, як зонд зіткнеться з поверхнею.

Зонд призначений лише для проби в атмосферу, а не для посадки. Але коли він торкнеться поверхні, є ймовірність, що він виживе. Щільна атмосфера та парашут допоможуть уповільнити його зниження, але «він точно досягне швидкості, яка, е-е, не є ідеальною для обладнання космічного польоту», — сказав Секерак зі сміхом.

Однак, якщо зонд переживе посадку, збір даних може тривати до 20 хвилин, перш ніж тепло просочиться крізь сферу та підсмажить електроніку. І це буде ще більше бонусних даних про поверхневу температуру та тиск, а також присутні гази.

Розуміння хімії атмосфери є лише однією частиною цілей DAVINCI. Інша частина, яка може бути найбільш захоплюючою для публіки, — фотографування таємничої поверхні Венери.

Венера в людському масштабі

За словами Гарвіна, зонд опуститься «в гори Венери, на місцевість, яку людство ніколи раніше не бачило». І команда хоче записати цей досвід як візуально, так і хімічно.

Сфера для спуску також матиме камеру, яка зніматиме висококонтрастні зображення поверхні, які потім можна буде створювати в 3D-карти.

Щоб камера працювала зсередини металевої сфери, потрібне вікно. І скло не є чудовим матеріалом для роботи в середовищах інтенсивного високого тиску. Тому вікно DAVINCI буде не зі скла, а з сапфіру.

«Це буквально дуже, дуже великий шматок сапфіра», — сказав Секерак. «Тому що він має чудові оптичні властивості». Він дуже міцний, але також дуже чіткий, тому він не спотворює зображення, зроблені ним. Але неминуче вікно, яке пропускає світло, також пропускатиме більше тепла, тому інженери додали матеріали зі зміною фази навколо вікна. Цей матеріал плавиться при певній температурі, щоб поглинати надлишок тепла від вікна.

Це дозволить камері робити чіткі чіткі зображення під час спуску. Вони будуть використовуватися для фотографування рельєфу Венери, з висоти і аж до самої поверхні.

«Наші остаточні зображення матимуть 10-сантиметрову роздільну здатність», — сказав Гарвін. «Це масштаб, який ви побачите, дивлячись на вашу вітальню».

Крім того, що Гарвін пропонує величезну кількість наукових даних, Гарвін сподівається, що зйомка зображень у такому масштабі буде успішною допомогти громадськості відчути, що вони можуть побачити Венеру як реальне місце, а не просто точку, з якої можна спостерігати здалеку.

«Ми хочемо перенести людський зір і наше чуттєве сприйняття на Венеру», — сказав він. «Ми почнемо відчувати Венеру в людському масштабі».

Випробування на невідоме

Справжня складна частина місії на Венеру полягає навіть не в тому, щоб мати справу з проблемами, про які ми знаємо, як-от температура та тиск. Він намагається передбачити, які проблеми можуть виникнути в середовищі, про яке ми маємо так мало інформації.

Ось чому тестування та підготовка будуть значною частиною того, чим команда DAVINCI займатиметься протягом наступних семи років, готуючись до запуску, запланованого на 2029 рік.

«Ми проводимо тестування найгіршого випадку», — пояснив Секерак. «Тож ми перевіряємо, яке середовище може бути найгіршим».

Наприклад, дослідники знають, що в хмарах Венери містяться краплі сірчаної кислоти, а сірчана кислота проїдає матеріали. Це особливе занепокоєння щодо кевларового шнурка, який кріпить спускну сферу до парашута. Тому, щоб перевірити, чи може шнурок витримувати кислотне середовище, інженери не просто розчиняють його в кількох краплях кислоти – вони покривають всю поверхню у кислоті, а потім перевірте силу тяги шнурка, щоб переконатися, що він може витримати достатньо довго, щоб провести зонд через атмосферу навіть у найгіршому можливому справа.

Що стосується того, як ви тестуєте апаратне забезпечення в середовищах, настільки несхожих на Землю, ви повинні підійти творчо. Щоб дізнатися, скільки часу знадобиться, щоб металева сфера нагрілася, команда віднесла її на ливарний цех. «Їхня робота — розплавляти метал», — сказав Секерак. «І ми розмістили туди наші прилади, щоб попрактикуватися в нагріванні, щоб виміряти цей тепловий потік».

Ідея полягає в тому, щоб створити достатній запас у кожній критичній системі, щоб урахувати будь-які невідомі, які планета може кинути в сферу. Гарвін пояснив: «Ми вклали... багато інженерних думок і зменшили ризики, щоб це зробити».

Це навіть впливає на спосіб збору даних. «Якщо у нас буде хороший день на Венері, ми, ймовірно, отримаємо 500 зображень спуску», — сказав він. «Якщо у нас буде абсолютно найгірший день, відомий людству, ми, ймовірно, отримаємо 35 назад. Але 35 — це набагато більше, ніж нам потрібно для такого відображення». Звичайно, більше зображень означає більше інформації, і це краще, оскільки це дає змогу більше науки. Але навіть у найгірших умовах вони дізнаються безцінну інформацію.

Завжди чогось нового навчитися

Відвідування Венери є величезним викликом, навіть за амбітними стандартами великих космічних місій. Але потенційна винагорода з точки зору того, чого ми можемо навчитися, величезна.

Дізнатися про Венеру буде захоплююче саме по собі. Але це також важливо для нашого розуміння екзопланет. Оскільки такі місії, як космічний телескоп Джеймса Вебба, відкривають і досліджують нові планети за межами нашої Сонячної системи, нам знадобиться орієнтир для скелястих планет, таких як Земля, Марс і Венера.

Ми маємо досить чітке розуміння основних характеристик Землі та Марса, і, додавши дані з Венери, ми зможемо набагато краще зрозуміти далекі планети.

«Венера стане точкою калібрування для великих скелястих планет, що містять атмосферу. що ми зможемо бачити та розуміти за допомогою Вебба та великих телескопів, які виходять за межі», — Гарвін сказав.

І, звісно, ​​є найбільш людський інстинкт — вчитися, досліджувати та подорожувати новими місцями. «Це одна з причин, чому я люблю працювати над цими місіями дослідження космосу — ми їдемо кудись, про що не знаємо багато», — сказав Секерак.

Ми багато чого навчилися про будівництво для середовища Землі та Марса, і тепер ми можемо взяти частину цих знань і застосувати їх десь в іншому місці. Будівництво для цього середовища розширить нашу технологію, і відвідування його із зондом може почати розгадувати деякі його таємниці. Як сказав Секерак, відвідуючи нове космічне середовище, «завжди є щось нове, про що можна дізнатися».

Рекомендації редакції

• Всередині божевільного плану зачерпнути та перенести додому трохи атмосфери Венери
• Як спостерігати за прибуттям приватної місії NASA на космічну станцію
• Як клас астронавтів НАСА 1978 року змінив обличчя дослідження космосу
• Як дивитися, як NASA представить свій скафандр нового покоління
• Венера, Юпітер і Церера представлені в порадах НАСА щодо спостереження за небом на березень