Przyszłość eksploracji piekielnej Wenus

Wenus to planeta zaniedbywana ostatnimi czasy przez świat naukowców. Wszystkie oczy zwrócone są na Marsa, Jowisza czy Saturna. Wenus w pewnym sensie jest sama sobie winna. Warunki jakie panują na jej powierzchni są iście piekielne, co bardzo zniechęca do eksploracji tej planety. To się jednak może zmienić w niedalekiej przyszłości, jeśli rozwiniemy odpowiednie technologie. NASA raz na jakiś czas wybiera kolejne misje sond kosmicznych do realizacji. W trakcie selekcji następnej misji w programie New Frontiers, mogliśmy podejrzeć to, z czym muszą zmierzyć się naukowcy i inżynierowie, jeśli chcą wysłać na Wenus lądownik, który przetrwa tam dłużej niż kilkanaście minut.

NASA New Frontiers to program misji sond kosmicznych oparty na zasadzie konkursu. Celem programu jest umożliwienie częstego realizowania misji kosmicznych o wysokiej wartości naukowej, przeznaczonych do badania ciał Układu Słonecznego. Całkowity koszt wybranej do realizacji misji nie może przekraczać około 750 milionów dolarów amerykańskich. Misje wybierane są spośród kilku propozycji nadsyłanych przez amerykańskie instytucje naukowe i uniwersyteckie w 3 etapach. Każdy kolejny etap wyboru misji New Frontiers oznacza coraz bardziej szczegółowe badania i lepsze prototypy.
Dotychczas realizowane misje w zakresie New Frontiers to: New Horizons do Plutona, Juno do Jowisza oraz OSIRIS-REx, która sprowadzi na Ziemię próbki pobrane z planetoidy Bennu.

W tym roku do dalszego rozwoju koncepcji dla New Frontiers zostały wybrane misje:

• CAESAR (Comet Astrobiology Exploration Sample Return) – pobranie próbek z komety 67P/Churyumov–Gerasimenko (znana z misji Rosetta) i transport na Ziemię.
• Dragonfly – do księżyca Saturna, Tytana – quadcopter latający do różnych miejsc w celu badania chemii prebiotycznej księżyca.

W rywalizacji uczestniczyły również 3 propozycje misji z lądownikiem do Wenus, które miały stawić wyzwanie trudnym warunkom panującym na planecie:

• Venus In Situ Atmospheric and Geochemical Explorer (VISAGE)
• Venus In situ Composition Investigations (VICI)
• Venus Origins Explorer (VOX)

„Zaczynamy wchodzić w inne królestwo” – powiedziała Lori Glazez z NASA Goddard Space Flight Center, która przewodziła propozycji misji VICI do Wenus. Inne królestwo to przede wszystkim piekielny klimat planety, który sprawia, że jej badanie jest prawdziwym wyzwaniem.

Wenus jest kuzynką Ziemi, najbardziej zbliżoną do niej składem i wielkością, ale przez dziesięciolecia pozostała zaniedbana. Postęp w badaniu Wenus powstrzymują głównie gęste siarkowe chmury planety. Żaden statek nie wylądował na Wenus od 1985 roku, kiedy to ostatni z szeregu zaawansowanych radzieckich lądowników Wenera przetrwał kilka godzin, zanim uległ zniszczeniu w wyniku wysokiej temperatury i ciśnienia. Ale nie wszyscy porzucili marzenia o eksploracji Wenus.

Naukowcy z NASA Glenn Research Center pracowali nad technologią, która wytrzyma ekstremalny klimat planety i mogłaby zostać użyta w misjach New Frontiers do Wenus. Innowacje Glenn mogą być najlepszą drogą powrotną – nie tylko do wenusjańskiej orbity, ale też na powierzchnię Wenus.

We wrześniu Phil Neudeck, inżynier elektryk w NASA Glenn Research Center, obserwował fioletowe i turkusowe kształty fali na wyświetlaczu. To było jego okno do komory Wenus. Za zamkniętymi drzwiami stał 14-tonowy zbiornik ze stali nierdzewnej, a jego masywne porty uszczelnione w sposób, aby utrzymywały tak wysokie ciśnienie, że śruby mocujące nakrętki mają własne nakrętki. Przez 33 dni, Glenn Extreme Environments Rig (GEER) działał nieprzerwanie, symulując atmosferę w temperaturze 460° C i zalany był dwutlenkiem węgla pod ciśnieniem, które czyni go nadkrytycznym. W stanie nadkrytycznym zanika różnica gęstości między fazą ciekłą a gazową substancji, więc nie istnieje granica między cieczą a gazem. Wewnątrz siedziały dwa mikroczipy, pulsujące z dokładnością metronomiczną. Warunki prawie jak na Wenus!

Neudeck i jego koledzy z Glenn Research Center pracują nad skokiem technologicznym, który umożliwi eksplorację Wenus, czyniąc ją niemal tak samo dostępną jak Mars. Zamiast barykadowania elektroniki w zbiornikach ciśnieniowych, do początku przyszłej dekady NASA może być w stanie wylądować na Wenus prostymi, niezabezpieczonymi robotami, które mogą mierzyć wiatr, temperaturę, chemię, ciśnienie i fale sejsmiczne. Zamiast dotychczasowych kilku godzin, lądowniki mogą eksplorować planetę całe miesiące.

Neudeck szukał nowych półprzewodników i materiałów, które mogą dostarczać precyzyjnie kontrolowane dawki prądu elektrycznego. W ekstremalnym upale Wenus, krzem (szkielet nowoczesnej elektroniki) staje się czystym przewodnikiem, a to czyni go bezużytecznym dla komputerów.

Neudeck miał oko na węglik krzemu, hybrydę krzemu i węgla. Węglik krzemu ma większą przepustowość niż krzem, co oznacza, że ​​jego elektrony mogą absorbować znacznie więcej energii, zanim stanie się on przewodnikiem. W rezultacie działa jako półprzewodnik w znacznie wyższych temperaturach. Ale trudno z nim pracować. Ponieważ węglik krzemu nie topi się, wyzwaniem są techniki stosowane do produkcji dużych płytek elektronicznych.
Urok elektroniki wysokotemperaturowej był jednak zbyt wielki, by go zignorować. Powoli, przy wsparciu NASA i Biura Marynarki Wojennej, naukowcy prowadzeni przez firmę Cree, opracowali sposoby wykorzystania nadających się do użytku kryształów węglika krzemu o średnicy przekraczającej 150 milimetrów.

Neudeck i jego koledzy budowali coraz bardziej skomplikowane układy elektroniczne. W ciągu ostatniego roku zwiększyli 10-krotnie liczbę tranzystorów na czipach z węglika krzemu. Nowoczesny czip krzemowy może zawierać 7 miliardów tranzystorów; każdy z chipów pracujących w komorze Wenus ma 175. Neudeck wykorzystuje również oldschoolowy projekt tranzystora, który dawno temu został porzucony w konwencjonalnej mikroelektronice. Jest to, w zasadzie niedrogi, kalkulator kieszonkowy. Ale kalkulator kieszonkowy działający na Wenus może być naprawdę wartościowy. Zapewnia złożoność porównywalną do wielu wczesnych misji naukowych z lat 60-tych i 70-tych. Ponadto ma większą moc niż czipy na komputerach pokładowych misji Apollo!

Komora Wenus

Gary Hunter, inżynier NASA Glenn Research Center, opracował podstawowe czujniki chemiczne dla środowiska komory do mieszania gazów. Ale agencja anulowała jego program w 2013 roku, pozostawiając zbierające kurz naczynie ze stali nierdzewnej.
Tibor Kremic, naukowiec NASA Glenn Research Center, dostrzegł okazję. Zebrał pieniądze, aby stworzyć największy i najbardziej zaawansowany obiekt do symulacji powierzchni Wenus. Komorę wielkości minivana przebudowano i zmodernizowano. Teraz, oprócz zwykłego przepływu dużych ilości gazu w wysokiej temperaturze i ciśnieniach 90 barów lub więcej, GEER potrafi mieszać osiem różnych gazów, tworząc atmosferę podobną do Wenus, może wstrzykiwać wodę i inne płyny do kotła.

Od tego czasu NASA sfinansowała zespół Kremica, aby zbadać trzy różne koncepcje dla lądowników długoterminowych. Zespół Glenn, wspomagany przez inżynierów z NASA Jet Propulsion Laboratory, badał mechanizm zegarowy, praktycznie pozbawiony elektroniki, który mógłby zostać użyty w sondach do eksploracji powierzchni Wenus. Następnie połączyli ich mechaniczne konstrukcje z czipami dla wysokich temperatur. Nastąpił duży przełom w projekcie.

Wenus – żywa czy martwa?

Ekstremalna Wenus nadal jest ciekawa dla naukowców. Jej powierzchnia może okazać się dużo bardziej aktywna niż planetolodzy przypuszczali jeszcze kilka lat temu. W latach dziewięćdziesiątych radar penetrujący chmury Wenus pokazywał stosunkowo niewiele kraterów, rozmieszczonych pozornie przypadkowo. Naukowcy teoretyzowali na temat katastroficznego wydarzenia, które miało się wydarzyć około 500 milionów lat temu – ogromna powódź magmy zalała powierzchnię planety, dławiąc wszelką aktywność wulkanów lub tektoniki płyt pod grubą, zimną skorupą. Od tego czasu Wenus miała być geologicznie martwa.

Analiza danych sondy Venus Express z lat 2006–2007 pokazała jednak inny obraz. Obserwując atmosferę Wenus, sonda zobaczyła coś, co wyglądało na czterokrotny skok dwutlenku siarki, który trwał około roku. Może on być oznaką wielkiej erupcji wulkanu. Patrząc przez chmury w określonych długościach fal, Venus Express zdawała się dostrzegać niezwykle ciemny teren w pobliżu cech wulkanicznych – podobnie jak świeża lawa na Ziemi. Pod koniec swojej misji, w szczelinie wulkanu, orbiter zobaczył coś, co wyglądało na skok temperatury o kilkaset stopni.

Colin Wilson, planetolog z Uniwersytetu Oksford, mówi:

„To naprawdę sprawia, że myślimy, że Wenus powinna być aktywna”

Urządzenia z NASA Glenn Research Center zostały zaprojektowane na tyle małe, aby móc latać z innymi misjami – jedną z innych sond kosmicznych z programu New Frontiers, rosyjskiej misji Wenera-D (start planowany jest na 2024) lub statkiem kosmicznym, który mógłby przelecieć koło Wenus w drodze do innych miejsc.

• Pierwsza propozycja, zwana Long-Life In-Situ Solar System Explorer (LLISSE), była skromna: sześcian wielkości akumulatora samochodowego spadłby z balonu lub większej sondy i zarejestrował temperaturę, ciśnienie, prędkość wiatru i skład chemiczny Wenus w trakcie 60 ziemskich dni. Ponieważ węglik krzemu nie nadaje się do przechowywania danych, LLISSE transmitowałby swoje obserwacje na orbitę lub prosto na Ziemię. Odczyty dostarczą model cyrkulacji atmosfery Wenus i pomogą oszacować rozkład masy na całej planecie.
• Nieco większy projekt, Seismic and Atmospheric Exploration of Venus, może posiadać sejsmometr, wskaźnik strumienia ciepła, ewentualnie kamerę, wszystko w koszcie 100 milionów dolarów. Misja z udziałem sejsmometra może szybko odpowiedzieć na podstawowe pytanie: czy Wenus jest martwa czy żywa?
• Kolejny test elektroniki z węglikiem krzemu z Glenn Research Center może wkrótce nadejść pod postacią Venus Bridge Orbiter and Surface Science (V-BOSS) – jego koszt to mniej niż 200 milionów dolarów. Szczegóły V-BOSS nie zostaną ustalone do początku przyszłego roku. W tym czasie zbuduje się LLISSE i zaprojektuje orbiter do przekazywania danych lądownika z powrotem na Ziemię.

Tymczasem w Cleveland zakończył się ostatni test wytrzymałościowy. Neudeck informuje, że jego mikroczipy działały przez cały czas i mogły działać dłużej. Pewnego dnia jego urządzenia wyruszą na piekielną powierzchnię Wenus. Tymczasem Neudeck będzie nadal przeprowadzał swoje testy w małym piekle obok.

Porażka Wenus

W końcu 3 propozycje misji do Wenus, VISAGE, VICI i VOX, nie zostały wybrane do dalszego rozwoju i rywalizacji w ramach programu New Frontiers. Ale badania, eksperymenty i rozwiązania inżynieryjne stworzone przez Glenn Reaserch Center przyczynią się, miejmy nadzieję, do stworzenia sondy na Wenus, która przejdzie sito selekcyjne NASA.

Źródło: Science Magazine