Несмотря на свой едкий характер, у ближайшей к Земле планеты есть ответы, которые нужны этим ученым.
Текущий рекорд космического корабля на поверхности Венеры составляет 127 минут. Установленный 40 лет назад советской Венерой-13, это был триумф инженерной мысли. Тем не менее, через два часа после приземления это был занавес, и посадочные модули, которые Советы позже отправили посетить, вышли из строя за половину этого времени. Сейчас команда из США разрабатывает план по отправке более совершенного и гораздо более прочного посадочного модуля на Венеру, чтобы выдержать мир адской жары, сокрушительного атмосферного давления и вихревой атмосферы углекислого газа с примесью серной кислоты.
Многое изменилось с тех пор, как 39 лет назад Венера работала недолго, но не условия на Венере. Поэтому, когда я услышал, что американские планетологи планируют дерзкую «флагманскую» миссию по повторному посещению злого близнеца Земли, мне вспомнилось мое первое столкновение с Венерой. В 1974 году, еще до того, как «Венера» испустила последний вздох, я был маленьким внештатным репортером, освещавшим пресс-конференцию 1974 года в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) по поводу исторического пролета «Маринер-10» Венеры по пути к Меркурию. «Маринер-10» был первым американским космическим кораблем, передавшим телевизионные изображения атмосферы Венеры, и на пресс-конференции я оказался в толпе газетных репортеров, которые, казалось, знали о планете немного больше, чем ее местоположение: «Вторая от Солнца, верно? В те дни большинство репортеров были гордыми универсалами. В понедельник вы освещали крушение поезда, а во вторник - ультрафиолетовые откровения Mariner 10 о динамичной атмосфере Венеры. Это было время расцвета Теда Бакстера, легкомысленного телеведущего, которого Тед Найт сыграл в «Шоу Мэри Тайлер Мур». В тот день в Пасадене у нас был человек типа Бакстера, который вскочил на ноги и звонким баритоном спросил начальника миссии Брюса Мюррея: «Скажите нам, док, как долго люди будут ходить по Венере?» С необычайным хладнокровием Мюррей пересмотрел то, что объяснялось в наших пресс-китах: температура поверхности Венеры составляла 842 градуса по Фаренгейту, а барометрическое давление на поверхности более чем в 90 раз превышало земное. Мюррей заверил его, что это надолго.
Независимо от того, будут ли мужчины и женщины когда-либо передвигаться по поверхности, исследование Венеры внезапно снова стало горячей темой в планетарной науке. В июне прошлого года НАСА объявило, что к концу этого десятилетия отправит к Венере две миссии, а Европейское космическое агентство планирует третью (см.63). Гораздо более сложная миссия Venus Flagship - это концепция 2030-х годов. В иерархии миссий НАСА флагман - это «крупная стратегическая научная миссия», и исследовательская группа Venus Flagship определенно становится крупнее. Он предлагает отправить посадочный модуль с двумя кораблями; большой орбитальный аппарат; пара мини-спутников; и «аэробот», робот на гелиевом шаре (на самом деле это два воздушных шара, одна половина которых находится под давлением внутри другой, не находящейся под давлением).
Главным исследователем флагманского исследования Венеры является Марта Гилмор, энергичный планетолог-геолог из Уэслианского университета в Коннектикуте, которая с радостью признается, что очарована камнями и звездами с пяти лет. Что-то вроде вундеркинда, Гилмор закончила среднюю школу в 14 лет, ее степень бакалавра. в колледже Франклина и Маршалла в 19 лет и получила докторскую степень. в Университете Брауна в 26 лет. Она работала в Лаборатории реактивного движения, прежде чем вернуться в академические круги, поступив на факультет изучения Земли и окружающей среды Уэслиана в 2000 году. Как лидер в своей области и одна из немногих чернокожих женщин, ставших профессором научного факультета университета., Гилмор является ярым защитником цветных женщин в физических науках и науках о Земле.
Венера изначально не была ее предпочтительным пунктом назначения. «Я действительно хотела работать на Марсе, - говорит она. Но она поступила в аспирантуру в Брауне, когда орбитальный аппарат Magellan Venus отправил на Землю изображения длинных рифтовых долин и, как сообщала New York Times, «потрескавшейся и расколотой коры, показывающей следы вулканической активности». Первый космический аппарат, нанесший на карту всю поверхность Венеры, «Магеллан» использовал радар с синтетической апертурой для захвата деталей с разрешением до 390 футов. О поверхности планеты было известно так мало, что данные Магеллана взбудоражили научный мир.«Когда я учился в аспирантуре, на [ежегодном собрании планетологов в Хьюстоне] было три полных дня Венеры». По мере того, как Магеллан сворачивался, научный интерес угасал. «На Венере будет полдень, - говорит Гилмор.
Однако ее собственный интерес оставался сильным: «Теперь, когда я побывала на Венере, я не могу вернуться», - говорит она и смеется. Для такого геолога, как она, планета размером с Землю «позволяет проверить так много идей, которые у нас есть в геологии, которые вы не можете проверить на меньших планетах или на тех, которые менее активны». Венера по массе и размеру ближе к Земле, чем любая другая планета в нашей Солнечной системе (Марс чуть больше половины Земли). «Каждый раз, когда вы спрашиваете что-то о Венере, - говорит она, - вы отвечаете, что так оно и должно работать, потому что так оно работает на Земле. Но это не совсем так».
Те, кем мы были
Планетологи и климатологи уже давно используют Венеру как предостерегающий рассказ о том, что безудержный парниковый эффект может сделать с Землей. Для ученых, которые работали над исследованием Флагманской миссии, это не просто поучительная история, а «единственный наиболее доступный пример» планеты, которая когда-то могла быть такой же гостеприимной для жизни, как Земля сегодня. Понимание ее эволюции могло бы также помочь группе исследователей, чья область изучения даже не существовала в период расцвета магеллановских орбит - экзопланетным астрономам, особенно тем, кто просматривал тысячи планет, открытых за пределами Солнечной системы за последние два десятилетия, чтобы найти потенциально обитаемые.«Никто никогда не отправится на экзопланету, - говорит Гилмор, - но мы можем отправиться на Венеру».
Майкл Уэй - физик, ставший специалистом по моделированию планетарного климата из Годдардовского института космических исследований НАСА в Нью-Йорке. Его исследовательская группа строит компьютерные модели планетарного климата - палеоземли, Марса и, в последние четыре года, возможной влажной и умеренной Венеры. Модели смотрят вперед и назад во времени, по сути, задавая вопрос, как Венера могла превратиться из первозданной магматической планеты в умеренно влажную, а затем в безудержную тепличную катастрофу, пересохшую печь, скрытую облаками. Его компьютерные модели основаны на огромном количестве данных, хотя Уэй предупреждает, что наши знания о Венере настолько отрывочны, что даже основные факты вызывают сомнения. Вывод о том, что у Венеры нет магнитного поля, основан исключительно на данных «Маринера-2», первого успешного планетарного спутника США, который пролетел мимо планеты в 1962 году. «Я имею в виду, что мы не знаем, было ли когда-нибудь у Венеры магнитное поле. или нет», - говорит Уэй.«Если бы у Венеры было магнитное поле за день до прибытия туда миссии «Маринер-2», мы бы этого не знали». Более качественные данные о магнетизме, вулканизме, тектонике, взаимодействии поверхности и атмосферы - информация, которую собирает флагманская миссия, - поможет понять эволюционные процессы на всех планетах повсюду.
Было ли время в древней Солнечной системе, когда палео-Венера имела умеренный климат с океанами жидкой воды, умеренной температурой поверхности и защитным облачным покровом? Доказательства можно найти на Венере, на ней и над ней.
Горячая штучка
При всей своей виртуозности в освоении космоса Соединенные Штаты никогда не пытались посадить корабль на Венеру. Посадочные модули, предлагаемые для флагманской миссии, предназначены для «живучести», говорит Гилмор, что на Венере является относительным термином. Основной посадочный модуль с термозащитой рассчитан на семь-восемь часов. Ожидаемая продолжительность его жизни в четыре раза больше, чем у «Венеры-13» до того, как она рухнула в 1982 году. Это связано с гениальной конструкцией, в которой будут использоваться готовые аппаратные средства и электроника, которые в некоторых случаях были доступны со времен лунной программы «Аполлон». Причина, по которой инженеры-исследователи до сих пор не разработали восьмичасовой посадочный модуль, по их словам, никто не спрашивал.
«Это довольно стандартные вещи», - говорит Дэвид Стейнфельд из Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, где разрабатывалась инженерная и системная архитектура флагманской миссии «Венера». «Возможно, мы используем некоторые высокотемпературные многослойные изоляционные материалы, но [стратегии теплозащиты] - это довольно стандартные знания, которыми мы располагали в течение 60 лет. Мы применяем его немного по-другому.”
Стандартное инженерное решение для обеспечения работы электроники при температурах, подобных духовке, заключается в том, чтобы сначала изолировать ее от титанового корпуса, «который будет ужасно горячим», - говорит Стейнфельд. Следующий шаг - окружить их материалом, встроенным во внутреннюю структуру космического зонда, который поглощает тепло при переходе из твердого состояния в жидкое. «Думайте об этом как о воске», - говорит Стейнфельд. «Вещество плавится, но температура остается прежней. Как только все расплавится, температура начнет повышаться. Материал с фазовым переходом задерживает повышение температуры. Это проблема массы и объема, пытаясь втиснуть как можно больше этого материала в инструментальную деку».
Сегодняшняя электроника также более эффективна, чем та, которая использовалась в 1980-х годах, говорит Майкл Амато, руководитель планетарного и лунного бизнеса в Годдарде и ведущий инженер по отчету. «В то время на посадочных модулях Венеры было 1000 ватт, но сегодня на посадочном модуле мы [используем] только 500 ватт. Таким образом, при половинной мощности энергии хватает в два раза дольше».
Другие элементы миссии, кроме долгоживущего посадочного модуля, позволят собрать больше данных на поверхности. «Этот проект [миссии] был разработан для ракеты Falcon Heavy, которая может доставить на Венеру гораздо большую массу», - говорит Амато. «В результате мы смогли [включить] орбитальный аппарат… чтобы мы могли разговаривать с ним из посадочного модуля. Венера должна была поговорить с Землей. Это очень низкая скорость передачи данных. Наша система предназначена для связи с космическим кораблем, который находится намного ближе к посадочному модулю».
Большой восьмичасовой посадочный модуль будет не единственным пассажиром-роботом, направляющимся на поверхность. «У нас есть то, что я бы назвал обычным посадочным модулем, поскольку он похож на «Венеру», - говорит Гилмор, - но тем не менее, это восьмичасовой посадочный модуль. Таким образом, он будет поглощать образцы. Он поразит их лазером снаружи, чтобы посмотреть на минералогию и измерить газы. Но на этом посадочном модуле мы прикрутили долгоживущий посадочный модуль Тибора, который, знаете ли, маленький парень?»
Tibor - это Тибор Кремич, руководитель отдела космических исследований в Исследовательском центре НАСА имени Гленна в Кливленде, где живет маленький парень, официально известный как «долгожитель, на месте, исследователь Солнечной системы». (LLISSE, произносится Кремиком и его командой как «Лиззи») обретает форму. LLISSE будет представлять собой небольшую метеостанцию и химический набор. На поверхности Венеры «долгая жизнь» LLISSE будет означать поразительные 60 земных дней (или половину венерианского солнечного дня, поскольку Венера имеет чрезвычайно медленное вращение). LLISSE построен на основе нового поколения высокотемпературных компьютерных чипов, изготовленных не из обычного кремния, а из карбида кремния (SiC), промышленного абразива, используемого в сверлах.
Чрезвычайно теплостойкая электроника выросла из работы в 1990-х годах в NASA Glenn, первоначально для использования в авиации внутри реактивных двигателей, а затем и для других типов горячих точек. К 2010 году инженер-электронщик Гэри Хантер и его исследовательская группа в Glenn добились прогресса в разработке интегральных схем из карбида кремния для этих интеллектуальных датчиков, в то время как Кремич искал новые применения. Он нашел их на Венере, или, точнее, в обсуждениях с Группой анализа исследований Венеры (VEXAG), профессиональной фокус-группой для сообщества исследователей Венеры. «Примерно в 2015 году, - говорит он, - я познакомился с проблемами, которые они пытались решить, - с получением научных данных с поверхности. Просто стало так интересно».
Когда Кремич услышал, как члены VEXAG жалуются на сокрушительную жару и давление на Венере, которые вывели из строя поверхностные зонды за считанные минуты, он подумал, что электронику SiC и другие высокотемпературные датчики можно сделать достаточно прочными, чтобы они могли работать на Венере без защиты.. Инструменты SiC могут быть достаточно сложными, чтобы собирать реальные данные, оставаясь при этом достаточно легкими, чтобы сесть в «автобус» - космический корабль, несущий межпланетную полезную нагрузку.
Испытательным стендом Kremic для разработки схемы SiC является Glenn Extreme Environment Rig (GEER), массивный стальной цилиндр, внутреннюю часть которого можно довести до 932 ° F и 100 земных атмосфер давления. GEER также предлагает вам выбрать коррозионно-активные газы для добавления. В 2018 году часы на транзисторах 175-SiC провели 60 дней в условиях поверхности Венеры внутри GEER и начали тикать. «Это могло бы продолжаться дольше, - говорит Кремич, - но у нас возник конфликт в расписании камеры». Испытательные часы SiC были не более мощными, чем электронный калькулятор 1970-х годов, но следующей целью является прибор, содержащий тысячи устройств на интегральной схеме, который позволил бы LLISSE обрабатывать датчики, данные, связь и управление питанием.
Вокруг Венеры за 60 дней
Аэробот - еще один привлекательный элемент в предложении Venus Flagship 2020 года. Еще раз, Советский Союз был там, сделал это. Его воздушные шары французской разработки в миссиях Vega 1985 года имели огромный успех. Это то, что новое флагманское исследование сухо называет «значительным наследием полетов на Венере». Джеффри Холл, старший инженер Лаборатории реактивного движения и технолог по аэростатам, который консультировал флагманское исследование, говорит, что «потребуются определенные инженерные усилия, чтобы заставить его работать», но идея использования аэростатов для исследования планет «считается решенной проблемой, потому что Vega воздушные шары сделали это много лет назад.”
Эта инженерная забота будет проверена в очень узком окне между выходом аэробота с орбиты и развертыванием в воздухе на пути вниз. «Это минуты. Всего несколько минут», - говорит Холл. «Одна вещь, которую следует оценить, это то, что атмосфера Венеры очень плотная. Так что это отличается от Марса, где атмосфера настолько тонкая, что ее трудно замедлить. На Венере можно очень быстро затормозить».
Если все заработает, надутый аэробот, оснащенный системой контроля высоты, проведет 60 дней, 12 раз облетев планету на окружающем ветру, дважды в день поднимаясь и спускаясь по команде, пока будет пробовать атмосферные газы, сканирует поверхность на наличие сейсмической активности и наносит на карту метеорологические данные. Аэробот будет измерять состав и микрофизику облачных частиц и регистрировать количество, среди прочего, инертных газов. «Самое замечательное в благородных газах то, что они одиночки, - говорит Гилмор. Газы инертны; их внешние электронные оболочки завершены, поэтому они не имеют тенденции связываться с другими элементами.«Они не любят ни с кем общаться. Аргон как будто «я здесь, и я ничего не делаю». Вот кто я». Удивительно, как это работает на самом деле. Вы можете измерить атмосферу планеты и кое-что понять о ее исходном запасе летучих веществ.
«Существует целый набор газов, которые приобретаются при рождении планеты во время аккреции и выделения исходной атмосферы. Вы получаете свой рецепт для своей планеты, и он остается на месте». Гилмор добавляет: «Опять же, у нас есть исходная точка для Марса. У нас есть базовая линия для Земли. Мы пока не знаем первоначальный состав летучих [газов] на Венере».
Погода вокруг аэробота на высоте от 50 до 62 километров над поверхностью будет относительно мягкой, говорит Колин Уилсон, атмосферный физик из Оксфордского университета, который работал над европейской миссией Venus Express в 2000-х годах и был в научной группе флагманского исследования Венеры 2020 года. Уилсон указывает на замечательный фрагмент анимации НАСА, созданный для иллюстрации высотной концепции Венеры 2015 года (HAVOC), гипотетического исследования человеческих исследований в облаках Венеры. В анимации (airspacemag.com/havoc) два гипотетических астронавта Венеры направляют свой исследовательский дирижабль к гипотетическому городу из воздушных шаров, который выглядит как скопление гигантских медуз, парящих в ярком солнечном свете над верхушками кислотных облаков. HAVOC мог быть упражнением в инженерном творчестве, говорит Уилсон, «но если бы у вас был исследовательский автомобиль, и вы немного сходили с ума в своей кабине, вы могли бы открыть иллюминатор и выйти на трап или трап. балкон вне вашей каюты. Вам, очевидно, понадобится кислородная маска, но вам не понадобится скафандр. Вам не понадобится даже свитер, потому что температура очень похожа на земную».
Конкурс
Такие футуристические размышления забавны, но Гилмор и др. ориентированы на ближайшую перспективу. Предложение по флагманскому исследованию было сделано по запросу НАСА для рассмотрения в так называемом «Десятилетнем обзоре планетарной науки и астробиологии на 2023-2032 годы», крупном планировании, проводимом Национальной академией наук, чтобы помочь правительственным учреждениям решить, какие проекты финансировать. Флагман Венеры будет конкурировать за одобрение комиссии с другими проектами, посвященными другим планетам и экзопланетам, а также поиску внеземной жизни и даже защите Земли от ударов астероидов. Даже если Venus Flagship будет рекомендован в качестве наивысшего приоритета в десятилетнем обзоре, ему придется встать в очередь за двумя дорогостоящими предметами, получившими высокие оценки в прошлых десятилетних обзорах, но все еще не полностью профинансированными - возвращением образца Марса и миссией. на спутник Юпитера Европу.
Если предположить, что маловероятно - НАСА захватит флагманский корабль «Венера» и сделает его приоритетной миссией - самое раннее, что он сможет запустить, - 2031 год. Это будет 2034 год, прежде чем все его части - орбитальные аппараты, мини-спутники, аэроботы и двойной посадочный модуль находятся над Венерой и в 2035 году, прежде чем посадочный модуль совершит спуск на поверхность. Исследование космоса не для нетерпеливых.
Получение разрешения на десятилетнее исследование не является гарантией успеха всесторонней миссии Венеры, но флагманское исследование уже продемонстрировало планетарному научному сообществу - и студентам Гилмора в Уэслиане, и, возможно, всем подающим надежды планетарным геологам, физиков и астробиологов - о глубокой важности знакомства с соседней планетой, а также о некоторых умных стратегиях ее изучения. Если вы не можете выдержать жару, спроектируйте посадочный модуль, который выдержит. Иди по-крупному, и пойди по-маленькому. Витайте в облаках. Будьте великолепны.
Венера ждет.
Все едут на Венеру
Три миссии на Венеру, недавно выбранные НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА), показывают, как много нам еще предстоит узнать о нашем несдержанном соседе. VERITAS (для любителей акронимов: Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography и Spectroscopy) создаст радиолокационную карту всей планеты с орбиты Венеры с гораздо более высоким разрешением, чем это было возможно для миссии Magellan 1994 года НАСА, создав трехмерную рельефную карту, которая, среди прочего, может определить безопасное, но интересное с геологической точки зрения место для долгоживущего посадочного модуля. Запуск VERITAS намечен на 2026 год.
DAVINCI+ (Исследование благородных газов, химии и визуализации на Венере в глубокой атмосфере) будет состоять из зонда и орбитального аппарата. Оба будут изучать атмосферу, но миссия зонда будет более смелой: часовое погружение с вершины на поверхность. По словам Джады Арни, заместителя главного исследователя миссии в Центре космических полетов Годдарда, свободно падающий зонд будет постоянно анализировать следы газов, водяного пара, давления и температуры, мгновенно передавая данные обратно на орбитальный аппарат. Зонд выйдет из облачной палубы на высоте около 150 000 футов. В последние 20 минут своей жизни его направленные вниз камеры должны четко видеть в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне его цель: высокогорный район древней скалы под названием Альфа-Реджио. Тогда пуф. Он не предназначен для того, чтобы выдерживать удары. Запуск запланирован на 2029 год, с облетом планеты в следующем году и свободным падением зонда в июне 2031 года.
Европейское космическое агентство недавно одобрило новый орбитальный аппарат EnVision для радиолокационного картографирования Венеры, который достигнет Венеры в начале 2030-х годов. Помимо анализа состава атмосферы и поверхности, он проведет радионаучный эксперимент по изучению внутренней структуры планеты.
Две другие космические программы рассматривают возможность запуска миссий. Россия, первая страна, отправившая спускаемый аппарат на Венеру (или любую другую планету) в 1972 году, говорила о будущем возвращении спускаемого аппарата «Венера-Д». У Индийской организации космических исследований (ISRO) также есть планы относительно орбитального аппарата Венеры под названием Shukrayaan-1.