Внутри безумный план зачерпнуть и принести домой немного атмосферы Венеры
Если вы недавно следили за космическими новостями, вы, вероятно, слышали о возвращении образцов Марса — амбициозном плане НАСА собрать образцы марсианских пород и доставить их на Землю для изучения. Эту миссию планируется запустить в конце этого десятилетия, но сбор и извлечение этих образцов займет много лет и будет чрезвычайно дорогим процессом.
Но Марс — не единственная планета в пределах досягаемости. Почему бы нам не перелететь к другой нашей планетарной соседке, Венере, и не взять образец оттуда?
Именно это и предлагает группа исследователей Венеры. Мы поговорили с руководителем группы предложений, чтобы узнать больше.
Старая идея, время которой пришло
Ученые обсуждали преимущества попытки получить образец с Венеры на протяжении десятилетий, а концепции миссии изучались еще в 1980-х годах. Хотя Марс был планетой, которой в последние годы уделялось наибольшее внимание, планетарное научное сообщество проявляет большой интерес к тому, чтобы узнать больше о Венере, особенно потому, что это может помочь нам узнать больше о других планетах за пределами нашей Солнечной системы.
Теперь это может измениться, поскольку НАСА начинает десятилетие Венеры с пары миссий, которые должны посетить ее, наряду с миссией Европейского космического агентства, запланированной на следующее десятилетие.
Предыдущие пробные миссии на Венеру так и не стартовали по нескольким причинам: основное внимание уделялось Марсу, а не Венере, нехватке технологий для такой сложной операции и существенной негостеприимности Венеры. Венера горячая, с чрезвычайно плотной атмосферой, что создает очень суровые условия для работы электроники.
Попытка полететь к Венере, отправить зонд на поверхность, собрать образец, доставить этот образец обратно на орбиту, а затем вернуть его на Землю была бы непомерно дорогой и потребовала бы значительных технологических разработок.
Вот почему у группы французских исследователей другой подход. Вместо того, чтобы пытаться собрать часть поверхности Венеры, мы должны попытаться уловить часть ее атмосферы. Миссия по возврату атмосферных проб Венеры или VATMOS-SR — это концепция миссии, разработанная группой из Парижского института планетарной физики, которая пытается заручиться поддержкой своей идеи.
Большим преимуществом этого подхода является его относительная простота. Нет необходимости что-либо приземлять на поверхность или возвращаться на орбиту. Вместо этого вы можете отправить один космический корабль по пути от Земли к Венере, где он войдет в атмосферу и наполнит баллоны примерно четырьмя литрами газа. Затем он продолжит свое путешествие обратно на Землю.
Космический корабль не будет иметь приборов и не будет снимать показания. Это будет просто коллекционный автомобиль. Это делает его более безопасным, простым и дешевым, объяснил ведущий исследователь Гийом Авис изданию Digital Trends.
«Вы просто скользите сквозь атмосферу по баллистической траектории», — сказал Эвис. «Поэтому требуется всего один год, чтобы отправиться туда, взять образец и вернуться на Землю».
Планирование на долгосрочную перспективу
В наши дни планетарные научные миссии обычно включают отправку инструментов (например, на марсоходах) в определенное место и проведение ими измерений. Этот подход заключается в сборе материала и возвращении его на Землю, где у нас есть гораздо более эффективные и разнообразные инструменты для исследований.
А с драгоценным образцом с другой планеты даже немногое имеет большое значение. Образец в несколько литров газа может занять ученых на годы.
«Что действительно круто, так это то, что вы получаете много газа и можете измерять его не вечно, а в течение длительного времени на Земле», — объяснил Эвис. «Если подумать, можно сохранить немного этого образца. Возможно, через десять лет у нас на Земле появится новый спектрометр, который будет полезен для этого образца».
Это планирование на будущее имеет смысл, если вы посмотрите на то, как НАСА подошло к лунным образцам, собранным во время миссий Аполлона на Луну. Некоторые образцы были проанализированы, как только они были возвращены на Землю, но другие были сохранены на том основании, что будущие технологии позволят проанализировать их на новой глубине. И этот долгосрочный подход окупился: только в прошлом году был открыт образец 50-летней давности, раскрывающий информацию о геологии и истории Луны.
Если бы мы смогли взять аналогичный образец атмосферы Венеры, большая часть ее тоже могла бы храниться в течение длительного времени. И исследователям будет полезна даже горстка атомов образца газа, поэтому образца в несколько литров будет достаточно, чтобы предоставить исследовательские материалы для всего венерианского сообщества.
Предстоящая миссия на Венеру под названием Davinci планирует провести аналогичные измерения атмосферы, но в этом случае есть реальный дефицит времени. Миссия включает в себя сбрасывание сферы с образцами через атмосферу, поэтому образцы необходимо взять и обработать всего за один час.
Это вызвало проблемы с предыдущими миссиями на Венеру в предыдущие десятилетия, что привело к искаженным результатам, вероятно, из-за неправильной калибровки или забитых вентиляционных отверстий. Инженеры делают все возможное, чтобы предвидеть любые возможные проблемы с отбором проб, но это трудно сделать, когда так много неизвестных об окружающей среде, в которую входит миссия.
Однако если образец будет доставлен на Землю, у вас будет достаточно времени для калибровки инструментов и перепроверки результатов, что сделает выводы более надежными.
Есть некоторые сложности с отбором проб на очень высоких скоростях. Происходит процесс, называемый фракционированием, который может разделить образец на разные части, когда он собирается так быстро, но это можно исправить.
Как будет работать миссия по отбору проб атмосферы
Однако есть веские причины, по которым никто раньше не пытался вернуть образцы Венеры. Потому что это непросто.
Очевидной параллелью с миссией по возврату образцов с Венеры будет миссия по возврату образцов с Марса, предстоящее совместное предприятие НАСА и Европейского космического агентства, которое планируется запустить в конце 2020-х годов. Этот план по сбору образцов с Марса включает в себя несколько марсоходов, посадочных модулей или вертолетов, разрабатывается десятилетиями и имеет раздутый бюджет, который беспокоит даже ярых энтузиастов Марса.
А Венера еще более негостеприимна, чем Марс, с ее плотной атмосферой, облаками серной кислоты и давлением, сравнимым с глубинами океана. Попытка вернуть образец с поверхности Венеры была бы «кошмаром», сказал Эвис, и «вероятно, даже дороже, чем на Марсе».
Вот почему группа Эйвиса предлагает вместо этого взять образец атмосферы планеты. «Это очень дешево», — сказал он, условно говоря: группа оценивает стоимость такой миссии в 100 миллионов евро (110 миллионов долларов) по сравнению с текущими оценками от 8 до 9 миллиардов долларов для возврата образцов с Марса.
Однако даже с относительной простотой атмосферного образца не годится ни один старый образец атмосферы. На очень больших высотах атмосфера очень тонкая, и некоторые молекулы отделяются под действием силы тяжести. Таким образом, чтобы получить репрезентативную выборку, вам нужно опуститься ниже уровня, называемого гомопаузой, ниже которого атмосфера достаточно хорошо перемешана, чтобы содержать все присутствующие различные молекулы.
На Венере гомопауза находится примерно в 110 км (70 милях) от поверхности, поэтому миссии необходимо опуститься ниже этого уровня. Но чем глубже вы идете, тем сложнее становится миссия. «Таким образом, цель должна быть чуть ниже гомопаузы с некоторым запасом прочности», — сказал Эвис. «Если мы пойдем глубже, это станет намного сложнее и дороже».
Испытания
Однако даже просто пройти через атмосферу планеты сложно. Одной из больших проблем является проблема защиты космического корабля от огромного тепла, которое накапливается из-за трения в атмосфере.
Космический корабль, который собирается войти в атмосферу планеты — будь то посещение другой планеты, такой как Марс, или космический корабль, возвращающийся на Землю через атмосферу нашей собственной планеты — имеют толстый тепловой экран, который защищает хрупкие компоненты внутри от очень высоких температур.
Доставка марсохода, например, включает в себя обертывание марсохода теплозащитным экраном, а затем запечатывание всего этого — марсохода и теплозащитного экрана вместе, вместе с двигателями и другими частями космического корабля — в носовой части ракеты для запуска. Оказавшись в космосе, космический корабль развертывается и отправляется на Марс, затем теплозащитный экран защищает марсоход, когда он проходит через атмосферу и приземляется.
Однако для миссии по отбору проб атмосферы вам понадобится один теплозащитный экран, который сработает дважды — как во время отбора проб на Венере, так и снова при возврате пробы на Землю. Неясно, справится ли нынешняя технология теплозащитного экрана с задачей защиты космического корабля от двух таких воздействий.
Заставить теплозащитный экран работать дважды — это «то, что мы действительно не знаем, как это сделать», — сказал Эвис. И для этого могут потребоваться годы разработки, если это вообще возможно.
Что делать с образцом, когда он вернется на Землю
Еще одна проблема — удивительная. Вы можете подумать, что собрать образец сложно, а проанализировать его после возвращения на Землю будет легко. Но оказывается, что работать с пробами газа сложнее, чем вы можете себе представить.
Атмосфера Венеры полна легко испаряющихся веществ, называемых летучими. К ним относятся благородные газы и соединения, включая азот, водород, углерод и серу. Их изучение является ключом к пониманию атмосферы Венеры, но их нелегко транспортировать или изучать.
Чтобы должным образом улавливать летучие вещества в бутылке с образцом, вам нужен очень хороший клапан — как для того, чтобы ни один из образцов не вытекал, так и для того, чтобы ни один из газов из других сред, таких как атмосфера Земли, не просачивался внутрь. Это было проблемой для миссии Hayabusa2. которому удалось вернуть образец с астероида, но произошла утечка земной атмосферы, вероятно, вызванная ударом от раскрытия парашюта во время его возвращения на Землю.
Даже если образец вернется на Землю совершенно нетронутым, без каких-либо утечек, вам все равно нужно двигаться быстро, чтобы переместить образец из бутылки в более безопасный контейнер. Даже самые герметичные клапаны будут немного протекать через несколько месяцев, поэтому вам нужна система из нескольких контейнеров, которая может уловить все, что вытекает из образца, и сохранить как можно больше этого.
Исследователи разрабатывают вакуумные системы для извлечения и анализа газов , в том числе тех, которые использовались для образца Hayabusa2 , но это все еще новая область технологий, которую необходимо разработать, чтобы миссия по возврату атмосферных образцов была полностью эффективной.
Будущее планетологии: in situ против возвращения образцов
Миссия по отбору проб атмосферы все еще находится на стадии концепции, и группа надеется включить ее в следующий раунд предложений для Европейского космического агентства или, возможно, НАСА.
Это амбициозный план, но это не такая диковинная концепция, какой она была бы несколько лет назад. «Десятилетия назад возвращение образцов было просто мечтой и не очень серьезно», — сказал Эйвис.
И есть возможность показать, что возврат образцов можно осуществить относительно быстро и дешево из-за возможных траекторий между Землей и Венерой и потому, что космическому кораблю не придется замедляться, подниматься на поверхность и возвращаться на орбиту. перед возвращением на Землю.
Миссия потенциально может быть быстрым кнутом туда и обратно, возвращая образец в течение года.
«Что действительно здорово, так это то, что мы получим образец атмосферы Венеры до того, как получим образцы с Марса», — сказал Эвис. «Значит, это будет первый образец с другой планеты».