Миссия в ад: самый выносливый зонд исследует Венеру

Венера по праву считается планетой с одной из самых агрессивных сред в Солнечной системе. Она покрыта облаками серной кислоты, температура поверхности достигает 460 C (860 F), а атмосферное давление в 90 раз выше, чем на Земле (95, 6 бар). Свинец, цинк и олово на планете находятся в состоянии жидкостей, а плотность углекислого газа в воздухе примерно равна аналогичной на километровой глубине в океане, то есть способна раздавить подводную лодку. Из-за этих тяжелых условий долгое время какие-либо попытки освоить Венеру отсутствовали, однако сейчас интерес к планете вновь возрастает.

Венера по праву считается планетой с одной из самых агрессивных сред в Солнечной системе. Она покрыта облаками серной кислоты, температура поверхности достигает 460 градусов Цельсия , а атмосферное давление в 90 раз выше, чем на Земле (95, 6 бар). Свинец, цинк и олово на планете находятся в состоянии жидкостей, а плотность углекислого газа в воздухе примерно равна аналогичной на километровой глубине в океане, то есть способна раздавить подводную лодку. Из-за этих тяжелых условий долгое время какие-либо попытки освоить Венеру отсутствовали, однако сейчас интерес к планете вновь возрастает.

Аппарат Акацуки

Японский космический аппарат Акацуки успешно вышел на орбиту Венеры в декабре 2015 года, а на 2020-е уже планируются миссии НАСА и Европейского космического агентства (ESA). Россия также планирует продолжить успешные миссии 70-80х на Венеру и Вегу. Все эти исследования будут направлены на изучение атмосферы, магнитного поля и географии планеты. Однако для наиболее эффективного исследования космического объекта, на него необходимо осуществить высадку. Только так можно будет проверить химический состав воздуха и горных пород на поверхности, провести сейсмологический анализ, чтобы узнать о внутреннем строении планеты.

Венера-Д – российская автоматическая межпланетная станция для изучения Венеры, планирующая запуск примерно на 2024 год – имеет посадочный модуль, однако батареи позволят ей провести лишь три часа вне станции.

Панорама поверхности Венеры, переданная на Землю автоматической межпланетной станцией «Венера-13

До этого советская автоматическая межпланетная станция Венера-13 уже осуществила посадку модуля на поверхность планеты в 1981 году, в результате чего были получены снимки поверхности планеты и данные исследования образцов грунта, при этом аппарат действовал 127 минут (вместо запланированных 32 ).

Для того, чтобы зонд мог продержаться на поверхности более длительное время, день или больше, необходима выносливая техника, которая сможет не только выдерживать высокие температуры, но и охлаждать сам зонд.

Ученые НАСА уже работают над созданием подобной электроники: "При 500 градусах Цельсия механизмы работы должны отличаться от уже существующих. Нам нужны другие изоляторы и различные контакты. Мы должны изобрести новые способы соединения этих схем", – говорит Гэри Хантер (Gary Hunter), инженер-исследователь в НАСА.

Основные проблемы, по словам Хантера, заключаются, во-первых, в том, что при высоких температурах материалы начинают вести себя по-другому и становятся менее эффективными, а во-вторых, необходимо найти рабочий способ соединения кремниевых деталей, которые выдерживают высокую температуру.

Ученые НАСА рассматривают в качестве варианта карбида кремния, который может работать достаточно долго при высоких температурах, таких как на поверхности Венеры. Однако недостатком работы с этим материалом при создания компьютерных чипов является то, что его производительность будет значительно ниже, чем у современных компьютеров. Согласно данным аналитической группы исследования Венеры в НАСА, их производительность будет на уровне обычных компьютеров 60-х. При правильной конструкции даже этого будет достаточно для получения и передачи изображений и данных с зонда на Землю.

Ученые хотят создать оборудование, способное к тысячам часам автономной работы – то есть достаточной для одного венерианского дня, который длится 117 земных.

Модель двигателя Стирлинга

Что касается энергетического обеспечения, Тимоти Миллер и Майкл Пол из Университета штата Пенсильвании, совместно со Стивеном Олсоном из исследовательского центра Гленн НАСА, предложили использовать двигатель Стирлинга – разновидность двигателя внешнего сгорания. Работая на разнице температур, двигатель начинает действие с "холодного" отдела, откуда жидкость выталкивается во второй отдел, где происходит ее нагрев. В ходе этого процесса она расширяется, двигая рабочий поршень, и вновь перемещается в первый отдел, где температура падает, а цикл начинается сначала. Двигатель продолжает свою работу, пока у него есть источник нагревания.

В своем исследовании, опубликованном в журнале Acta Astronautica, ученые утверждают, что именно этот тип двигателя сможет одновременно охлаждать и снабжать электричеством технику, работая без батарей, и НАСА уже проспонсировала их первые тесты. Рабочей жидкостью, вероятно, будет гелий, так как он передает тепло более эффективно, по сравнению с другими газами, и не является реактивным. В качестве топлива для двигателя Стирлинга Миллер и его команда решили использовать литий, который может гореть в атмосфере углекислого газа и азота, составляющего около 4% воздуха на Венере. Учитывая, что литий плавится при 180 градусах Цельсия, он также будет эффективен как более легко сжигаемое жидкое топливо. В данном случае вес зонда также будет облегчен, так как всего 50 килограмм топлива и самого двигателя смогут обеспечивать работу зонда в течение двух дней. Еще одним плюсом является то, что литий не производит загрязнений, что важно для сохранения изначального состояния среды при ее изучении (даже на необитаемой планете).

Если команда сможет продемонстрировать, что их система сгорания будет работать при давлении в 90 атмосфер (91 бар), шансы на успешную посадку на Венере у технологии космического зонда значительно возрастут.

«Миссия удастся, если мы сможем показать оборудование, способное работать в течение недели в таких жестких температурных условиях», – сказал Миллер.

Оригинал статьи