Возвращение в ад. Как аппарату выжить на Венере? [Fraser Cain]
Вот сайт с шаурмой и [музыка].
Все, кто давно меня смотрит, могли подумать, что я ненавижу Венеру. Возможно, я даже где-то говорил, что эта планета столь ужасна, что ее нужно сжечь на солнце. Но по правде говоря, Венера – это удивительное место, она больше других планет нашей системы похожа на Землю. У нее почти такая же масса и поверхностная гравитация.
Но если Земля – это прекрасный, полный жизни мир, который мы все так любим, то Венера – это настоящий ад, в котором от жары ловится цинк. Атмосферное давление у поверхности в девяносто три раза выше земного, и еще там идут кислотные дожди. В 70-е и 80-е годы Советский Союз посылал на верную смерть аппарат за аппаратом, все ради нескольких фотографий поверхности Венеры. С тех пор на планету не возвращались.
Сейчас разрабатываются новые инструменты и технологии, которые позволят нам более тщательно исследовать поверхность Венеры. С их помощью мы попытаемся выяснить, что же довело планету до такого состояния. Считается, что когда-то климат там был более мягким и влажным.
По современным оценкам ученых, Венера могла бы быть пригодной для жизни и сейчас. Но когда-то в прошлом мощное извержение вулканов разворотило ее поверхность, остановив тектоническую активность и наполнив атмосферу углекислым газом. Это породило чудовищный парниковый эффект и создало нынешний адский пейзаж.
Но остается еще много вопросов. Был ли на планете океан, пригодный для жизни? Было ли атмосферное Венеры похоже на атмосферу ранней Земли, и когда она стала другой? Почему Венера вращается так медленно, и стало ли это причиной потери магнитного поля? Почему атмосфера Венеры вращается быстрее самой планеты? Что вызвало извержение вулканов? Может, что-то кроме них усилило парниковый эффект? Случилось ли это однажды, или происходило постоянно, а может, произойдет снова?
Видите, их вопросов масса, и ученые пытаются получить на них ответы. У нас есть видео про советские модули Венера и про то, как мне везло с крышечками от фотокамер. Из 14 попыток высадки на Венеру лишь девять были удачными. Последним космическим аппаратом, совершившим посадку на поверхность, был спускаемый модуль Вега-2. Он проработал 56 минут, сделал забор грунта, отправил данные на Землю и замок навечно.
Любой аппарат, отправленный на Венеру, сталкивается с огромными проблемами. Во-первых, он должен выдерживать постоянную температуру выше 460 градусов Цельсия. Даже на самых высоких точках Венеры температура составляет 390 градусов Цельсия. Из-за плотной атмосферы солнечным панелям на поверхности не будет хватать энергии, все потому что свет коротковолновой части спектра рассеивается в атмосфере, и чем ближе к поверхности, тем сильнее.
Стандартная солнечная панель с тремя переходами обеспечит 550 ватт на квадратный метр за пределами атмосферы. На высоте в 10 километров выдаст только 37,4 ватта, а у самой поверхности вообще лишь 8,7. То есть посадочный модуль получит в 60 раз меньше энергии, чем аппарат на орбите.
Еще одна проблема — коррозия. Из-за реакции серы в атмосфере с медью и другими металлами образуются сульфиды. Любопытно, что нержавеющая сталь 304 очень устойчива к подобным условиям — из нее сделаны ракеты SpaceX. Но если все так сложно, кто вообще захочет высаживаться на Венеру?
Вине рады российская миссия, проект которой предложили еще в 2003 году. Ее реализация должна была начаться в 2013, но сейчас все отложили до 2026 или 2031 года. Миссия будет состоять из двух аппаратов. Орбитальный зонд проведет Борю земных дней в верхнем слое облаков, изучая парниковый эффект, ветра, атмосферные тепловые приливы, магнитосферу, это как быстро атмосфера Венеры улетучивается под действием солнечного ветра.
Но возможно, станция будет оснащена двумя аэростатами, которые проведут целую неделю в облаках, изучая атмосферу изнутри. Они сбросят микро-зонда, которые будут собирать данные в течение получаса на пути к поверхности. Также Венера D будет нести спускаемый модуль массой 170 килограммов, и он тоже займется изучением атмосферы, поверхности планеты и того, как они взаимодействуют между собой.
Их сначала предполагалось, что высокотемпературная электроника позволит модулю работать целый месяц, но похоже, это потребует слишком больших финансовых вложений. В 2017-м в работу над Венера D включилась NASA. Агентство участвовало в разработке научных задач и рассматривало возможность отправить смеси и собственный роверы.
Но как сделать так, чтобы посадочный модуль работал при высоких температурах? Можно оснастить аппарат системой охлаждения. Так, в недавно предложенной миссии стоимостью от 2 до 3 миллиардов долларов планируется использовать сжиженный газ, чтобы модуль продержался в течение целого дня (опять же, земного, не венерианского).
Еще одна идея заключается в использовании радиоизотопного термоэлектрического генератора, как на аппаратах Curiosity, New Horizons и Voyager. Только если в Curiosity эта батарея не дает электронике замерзнуть, здесь она будет питать систему охлаждения. Но можно ли создать аппарат, который работал бы на поверхности Венеры два месяца без активного охлаждения? Такова цель разработки NASA малой долгоживущей станции ЭЛЛИС.
Это зонт массой 10 килограммов, который должен проработать на планете половину венерианского дня. Он спустится вечером и будет наблюдать, как адский день превращается в адскую ночь. Кажется, это немного, но мы говорим о 60 земных днях. За время проведенное в преисподней он измерит скорость и направление ветра, температуру и давление, а также химический состав атмосферы и поверхности.
Кроме того, он сможет увидеть динамику поступающего солнечного света. Исследование будет длительным и позволит отследить изменения всех показателей. Инженеры предлагают сделать модуль частью полезного груза на аэростате, который сбросит его над подходящей местностью.
Другой вариант — использовать теплозащитный экран. Расчет на то, что модуль будет работать от солнечной батареи около 125 дней, при условии что он будет передавать данные в течение двух минут каждые 8 часов. Еще одна идея — использовать энергию ветра, и запасы неисчерпаемы.
В этой миссии используются новые разработки в области высокотемпературной электроники, которая изначально создавалась для датчиков внутри реактивных двигателей. NASA уже располагает чипами из карбида кремния, которые могут работать несколько тысяч часов при температуре 500 градусов Цельсия. В ходе испытаний схемы продержались в условиях, приближенных к венерианским, более 21 дня.
Лист будет небольшим, 25 см в поперечнике, так что, к сожалению, у него не будет камеры, и местный пейзаж увидеть не получится. Модуль может отправиться к планете на арту станции Венера D или в составе другой миссии, а то и самостоятельно. Есть еще много оригинальных идей по исследованию Венеры, и сейчас я расскажу о них.
Но сперва я бы хотел поблагодарить Майкла Хитмэна, Марка Лекси и других за вашу щедрую поддержку. Образовательный контент должен быть доступен для всех, и это возможно благодаря вам. Переходите по ссылке в описании на наш Patreon и становитесь частью команды.
Еще одна нестандартная идея для исследования Венеры — по возможности отказаться от электроники, чувствительных к теплу, и черпать вдохновение в стальной банке. Таков проект механического ровера для экстремальных условий с коротким именем АРИ. Автор проекта — Джонатан Саутерн, инженер из Лаборатории реактивного движения.
Конструкция похожа на танк времен Первой мировой, так что у него высокая проходимость. Механический привод на ветровой энергии заменит электронные схемы, что позволит аппарату работать на Венере в течение целого года. Сначала для передвижения по неровной венерианской местности инженеры хотели использовать причудливые механизмы, разработанные художником ТЛ Инсаном, и также приводимые в движение ветром. Рассматривали модель 6-колесного ровера и светляка по мотивам чертежей советских машин Венераход и марсохода, но инженеры остановились на концепции гусеничных вездеходов, которые преодолевали траншеи и воронки во время войны.
Драйвер может накапливать энергию ветра в металлических или композитных винтовых пружинах, хотя плотность энергии крайне мала. Пружина надежнее в экстремальных условиях и устойчивее при высоких температурах. Но как обмениваться данными без электроники? Инженеры предложили установить на ровере экран, который отражал бы сигналы радара с орбитального модуля Венераход.
С помощью вращающегося затвора будет посылать сигналы обратно на станцию азбукой Морзе. Специалисты рассматривали возможность создания полностью механического аппарата, но в итоге остановились на гибридном варианте, включающем некоторый элемент высокотемпературной электроники, о которых я уже говорил.
Последняя концепция, которая мне очень нравится, это вин из лент селлер ZEFIR, разработана командой NASA, в которую входит доктор Джеффри Лэндис. Он и раньше предлагал идеи для миссии на Венеру, например, аппарат на основе двигателя Стирлинга, который бы медленно пропускал в электронику тепло венерианской атмосферы. Такой холодильник, наоборот!
Несмотря на то что атмосферное давление на поверхности почти в 100 раз больше земного, там есть ветер. Его скорость невысока — менее одного метра в секунду (где-то 36 километров в час), но благодаря давлению атмосферы силы ветра более чем достаточно.
Советский модуль Винера 10 обнаружил огромную территорию, почти идеально ровную до самого горизонта, с мелкими камнями размером не более пары сантиметров. Такая плоская местность с постоянными ветрами прекрасно подошла бы для Land Sailor. По задумке ровер довольно большой, 250 килограммов массы, с парусом высотой 8 метров.
Планируется, что он будет нести 25 килограммов научного оборудования и за 30 дней миссии сможет передать около двух гигабайт данных. Электроника аппарата на основе карбида кремния может работать в условиях жары, а его титановый корпус противостоять жесткому климату. Орбитальный модуль выступит ретранслятором, на многие решения роверу придется принимать самостоятельно, двигаясь по поверхности со скоростью 4 сантиметра в секунду.
Венера – это одно из самых труднодоступных мест, за которые брался человек в солнечной системе. Уж точно нам потребуются материалы, устойчивые к температуре, давлению, сильнейшей коррозии, и, возможно, придется изобретать принципиально иные способы передвижения роверов, но оно того стоит. Возможно, долгое время Венера была похожа на Землю, пока не случилась катастрофа.
Вряд ли мы найдем планету более подходящую для исследований, чтобы узнать, почему и как Земля стала пригодной для жизни. Пришло время новых открытий. А вы как считаете? Пишите в комментариях.
Переведено и озвучено студией ВиртДайдар.