Wie die DAVINCI-Sonde der NASA den höllischen Bedingungen der Venus standhalten wird

Da es sich um unseren direkten Nachbarn handelt, könnten Sie sich vorstellen, dass wir den Planeten Venus gründlich verstehen. Aber Sie würden sich irren. Die NASA hat den Planeten seit mehr als 30 Jahren nicht mehr besucht, und es gibt so vieles an diesem Ort, das wir kaum verstehen, von seiner geologischen Geschichte bis hin zu den Gesteinsarten auf seiner Oberfläche, dass ein Großteil seiner Umgebung im Wesentlichen ein Rätsel ist.

Wissenschaftler glauben, dass die Venus einst wie die Erde war, aber die beiden gingen irgendwann in ihrer Evolution auseinander und wurden zu den völlig unterschiedlichen Orten, die sie heute sind. Wir wissen, dass die Venus eine dichte Atmosphäre hat, die Wärme hält und sie zum heißesten Planeten im Sonnensystem macht. Und wir wissen, dass seine Oberfläche mit Bergen, Rissen und Vulkanen bedeckt ist, obwohl wir nicht wissen, ob diese noch aktiv sind.

Ein Grund dafür, dass so viel über die Venus unbekannt ist, ist, dass ihre dichte Atmosphäre den größten Teil ihres Terrains verdeckt und es schwierig ist, durch Wolkenschichten zu blicken, um zu sehen, was sich darunter befindet. Ein weiterer Grund ist, dass es ein erschreckend unwirtlicher Ort ist. Zwischen seinen Backtemperaturen und seiner dicken, säuregefüllten Atmosphäre hat nichts von Menschenhand Geschaffenes länger als ein paar Minuten auf seiner Oberfläche überlebt.

Aber wenn wir mehr über diesen mysteriösen Planeten nebenan wissen wollen, müssen wir ihn besuchen. Und genau das plant die DAVINCI-Mission der NASA, indem sie eine Sonde durch die Atmosphäre wirft, um Messwerte bis ganz nach unten zu nehmen, wenn sie auf die Oberfläche fällt. Die Mission, die im nächsten Jahrzehnt eine von drei Missionen zur Venus sein wird, soll 2029 starten und 2031 die Venus erreichen, um durch die Atmosphäre zu stürzen.

Um herauszufinden, wie man eine Sonde baut, die dieser höllischen Umgebung standhält, und was wir daraus lernen könnten, haben wir mit zwei Mitgliedern des DAVINCI-Teams gesprochen: Jim Garvin, Hauptermittler der Mission, und Mike Sekerak, Systemprojektingenieur.

Was ist mit der Atmosphäre der Venus los?

Die Venus stellt eine Grenze in der Planetenwissenschaft dar, über die sehr wenig bekannt ist, wenn man bedenkt, wie nahe sie uns ist. Was unter der oberen Wolkenschicht passiert, ist eine besonders faszinierende Frage.

„Die Charakterisierung der Atmosphäre, von der Spitze der Wolken bis zur Oberfläche – diese große, massive Atmosphäre, deren Masse sich zu 75 % in den unteren 15 bis 20 Kilometern befindet – ist nahezu unerforscht“, sagte Garvin.

Sonden, die in den 1960er und 1970er Jahren zur Venus geschickt wurden, versuchten, Daten über die Atmosphäre zu sammeln, und hatten einigen Erfolg. Frühere Messungen der Atmosphäre waren jedoch aufgrund physikalischer Probleme mit früheren Sonden wie verstopften Einlässen und der begrenzten verfügbaren Technologie unzuverlässig. Das führte zu einigen durcheinandergebrachten Messwerten, von denen Garvin sagt: „Einige von ihnen ergeben keinen Sinn.“

Besonders die untere Atmosphäre ist in vielerlei Hinsicht ein Mysterium. Es könnte sich um ein überkritisches Fluid handeln, in dem Temperatur und Druck so groß sind, dass es wie eine Flüssigkeit herumschwappt. Es stellt sich auch die Frage, wie die Gesteine ​​auf der Oberfläche des Planeten mit der Atmosphäre interagieren.

Und die Untersuchung der Atmosphäre und der Oberfläche könnte helfen, eine der größten Fragen zu beantworten, die wir über die Venus haben: Hatte sie einst Ozeane aus flüssigem Wasser auf ihrer Oberfläche, und wenn ja, was ist mit ihnen passiert?

Zwei große Herausforderungen

Die Venus ist kein einladender Ort für eine Sonde: Sie ist doppelt so heiß wie ein Ofen und es herrscht mehr Druck auf der Oberfläche als unter einem Kilometer Ozean.

„Die technischen Herausforderungen, die wir hier haben, sind ziemlich aufregend“, sagte Sekerak. Das größte Problem für jede mögliche Mission zur Venus ist die Hitze, da die Oberflächentemperaturen bis zu 475 Grad Celsius (900 Grad Fahrenheit) betragen können. Das ist heiß genug, um Blei zu schmelzen, und verwüstet die Elektronik.

Das ist jedoch nur ein Teil der ökologischen Herausforderung. „Der Druck ist jedoch in Bezug auf Schwierigkeiten nicht weit dahinter“, sagte Sekerak. Der Druck an der Oberfläche beträgt etwa 95 bar oder fast das 100-fache des atmosphärischen Drucks auf der Erdoberfläche. Die Konstruktion einer Sonde für diese Art von Umgebung ist also so etwas wie der Bau eines U-Bootes.

Wenn es in die Atmosphäre abgeworfen wird, befindet sich DAVINCI in einem Wettlauf gegen die Zeit, um alle Informationen zu sammeln, die es benötigt, bevor Hitze und Druck seine Komponenten zerstören. Damit die Sonde so lange wie möglich aktiv bleibt, ist sie kugelförmig und mit einer dicken Titanhülle bedeckt, die dem Druck standhält und gegen die Hitze isoliert. Dann gibt es in dieser Schale mehr Isolierung, die aus speziellen Materialien besteht, darunter Astroquartz, eine Art Faser aus Quarzglas.

Das Innere ist so konzipiert, dass die Komponenten auch thermisch vom Äußeren isoliert sind, um zu verhindern, dass Wärme von der Hülle übertragen wird. Es wird dann mit Kohlendioxidgas gefüllt, um die Hochspannungselektronik vor Funkenbildung zu schützen und zu verhindern, dass während des Starts Erdgase eintreten.

Insgesamt hat die Sonde, die das Team als Abstiegskugel bezeichnet, einen Durchmesser von etwa einem Meter. Es wird von einem Orbiter mit einem Fallschirm abgesetzt, um seinen Abstieg zu verlangsamen, obwohl die Atmosphäre dabei hilft, weil sie so dick ist, dass es eher so ist, als würde man die Sonde durch Wasser als durch Luft fallen lassen.

Insgesamt wird es 63 Minuten dauern, bis die Sonde die Oberfläche erreicht, und in dieser einen Stunde wird sie so viele Daten wie möglich sammeln, bevor sie unweigerlich durch die brutale Umgebung zerstört wird.

Sampling ganz nach unten

Die Abstiegskugel wird durch die Atmosphäre fallen und den ganzen Weg nach unten abtasten, um ein Bild der Atmosphäre von oben nach unten aufzubauen.

Im Inneren der Kugel befinden sich Instrumente wie Spektrometer, ähnlich den Instrumenten auf den Mars-Rovern Curiosity und Perseverance, die die chemische Zusammensetzung von Proben messen können, indem sie die Wellenlängen des Lichts betrachten, das sie absorbieren. Aber im Gegensatz zu den Mars-Rovern, die Stunden oder Tage brauchen können, um eine Probe zu sammeln und sorgfältig zu analysieren, muss DAVINCI die Probenahme und Analyse in wenigen Minuten durchführen.

An verschiedenen Stellen der Kugel befinden sich Einlassventile mit Keramikabdeckungen, die abbrechen, um Gase aufzunehmen. Diese Gase müssen extrem schnell analysiert und dann entlüftet werden, damit weitere Proben entnommen werden können. Dies wird es der Sonde ermöglichen, den bisher detailliertesten Blick auf die Chemie der Atmosphäre in all ihren Schichten zu werfen.

Während dies geschieht, messen andere Sensoren in der Sonde Faktoren wie Temperatur und Druck, um die Struktur der Atmosphäre zu verstehen. Dann werden all diese Daten an den Orbiter zurückgesendet, bevor die Sonde die Oberfläche erreicht.

Die Sonde ist nur für die Probennahme in die Atmosphäre und nicht für die Landung ausgelegt. Aber wenn es auf der Oberfläche aufsetzt, besteht die Möglichkeit, dass es überlebt. Die dicke Atmosphäre und der Fallschirm werden helfen, seinen Abstieg zu verlangsamen, aber „es wird definitiv mit einer Geschwindigkeit aufschlagen, die, äh, weniger als ideal für Raumfahrt-Hardware ist“, sagte Sekerak mit einem Lachen.

Wenn die Sonde die Landung jedoch überlebt, kann sie bis zu 20 Minuten lang Daten sammeln, bevor die Hitze durch die Kugel dringt und die Elektronik brät. Und das sind noch mehr Bonusdaten zu Oberflächentemperatur und -druck sowie den vorhandenen Gasen.

Das Verständnis der Chemie der Atmosphäre ist nur ein Teil der Ziele von DAVINCI. Der andere Teil, der für die Öffentlichkeit am aufregendsten sein könnte, ist das Fotografieren der mysteriösen Venusoberfläche.

Venus im menschlichen Maßstab

Die Sonde wird „in den Bergen der Venus herunterkommen, in einer Art Gelände, das die Menschheit noch nie zuvor gesehen hat“, sagte Garvin. Und dieses Erlebnis will das Team sowohl visuell als auch chemisch festhalten.

Die Abstiegskugel wird auch eine Kamera haben, die kontrastreiche Bilder der Oberfläche aufnehmen wird, die dann zu 3D-Karten aufgebaut werden können.

Damit eine Kamera aus einer Metallkugel heraus funktioniert, benötigen Sie jedoch ein Fenster. Und Glas ist kein großartiges Material für den Umgang mit intensiven Hochdruckumgebungen. Deshalb wird das Fenster von DAVINCI nicht aus Glas, sondern aus Saphir sein.

„Es ist buchstäblich ein sehr, sehr großes Stück Saphir“, sagte Sekerak. „Weil es tolle optische Eigenschaften hat.“ Es ist sehr stark, aber auch sehr klar, sodass es die durch es aufgenommenen Bilder nicht verzerrt. Aber ein Fenster, das Licht hereinlässt, lässt zwangsläufig auch mehr Wärme herein, daher fügten die Ingenieure Phasenwechselmaterialien um die Fensterbaugruppe herum hinzu. Dieses Material schmilzt bei einer bestimmten Temperatur, um die überschüssige Wärme des Fensters aufzunehmen.

Dadurch kann die Kamera während des Abstiegs klare, scharfe Bilder aufnehmen. Diese werden verwendet, um das Terrain der Venus von hoch oben bis hinunter zur Oberfläche selbst zu fotografieren.

„Unsere endgültigen Bilder werden eine Auflösung von 10 Zentimetern haben“, sagte Garvin. "Das ist die Skala, die Sie sehen würden, wenn Sie über Ihr Wohnzimmer blicken."

Neben einer Fülle wissenschaftlicher Daten hofft Garvin, dass die Aufnahme von Bildern in dieser Größenordnung der Öffentlichkeit das Gefühl geben wird, dass sie die Venus als einen realen Ort sehen kann, nicht nur als einen Punkt, der aus der Ferne beobachtet werden kann.

„Wir wollen das menschliche Sehen und unsere Sinneswahrnehmung auf die Venus bringen“, sagte er. „Wir werden anfangen, die Venus im menschlichen Maßstab zu spüren.“

Testen für das Unbekannte

Der wirklich knifflige Teil einer Mission zur Venus besteht nicht einmal darin, sich mit den Herausforderungen zu befassen, die wir kennen, wie Temperatur und Druck. Es versucht vorherzusehen, welche Herausforderungen sich aus einer Umgebung ergeben könnten, über die wir so wenig Informationen haben.

Aus diesem Grund werden Tests und Vorbereitung ein großer Teil dessen sein, was das DAVINCI-Team in den nächsten sieben Jahren tun wird, um sich auf einen für 20219 geplanten Start vorzubereiten.

„Wir führen Worst-Case-Tests durch“, erklärte Sekerak. „Also testen wir, was die schlimmste Umgebung sein könnte.“

Forscher wissen zum Beispiel, dass die Wolken der Venus Schwefelsäuretropfen enthalten – und Schwefelsäure frisst sich durch Materialien. Es ist ein besonderes Anliegen für das Kevlar-Verbindungsmittel, das die Abstiegskugel am Fallschirm befestigt. Um zu testen, ob das Verbindungsmittel der säurehaltigen Umgebung standhält, suspendieren die Ingenieure es nicht einfach in ein paar Tropfen Säure – sie beschichten die gesamte Oberfläche mit Säure und testen dann die Zugfestigkeit des Verbindungsmittels, um sicherzustellen, dass es lange genug überlebt Führen Sie die Sonde auch im schlimmsten Fall durch die Atmosphäre.

Wie Sie Hardware in Umgebungen testen, die der Erde so unähnlich sind, müssen Sie kreativ werden. Um zu sehen, wie lange es dauern würde, bis sich die Metallkugel aufheizt, brachte das Team sie zu einer Metallgießerei. „Ihre Aufgabe ist es, Metall einzuschmelzen“, sagte Sekerak. „Und wir haben unsere Instrumente dort hineingelegt, um zu üben, es heiß zu machen, um diesen Wärmefluss zu messen.“

Die Idee ist, in jedes kritische System genügend Spielraum einzubauen, um alle Unbekannten zu berücksichtigen, die der Planet auf die Kugel werfen könnte. Garvin erklärte: „Wir haben … viel technisches Denken und Risikominderung in unsere Vorgehensweise eingebaut.“

Dies wirkt sich sogar auf die Art und Weise aus, wie Daten erhoben werden. „Wenn wir einen guten Tag auf der Venus haben, bekommen wir wahrscheinlich 500 Abstiegsbilder zurück“, sagte er. „Wenn wir den absolut schlimmsten Tag haben, den die Menschheit kennt, bekommen wir wahrscheinlich 35 zurück. Aber 35 ist viel mehr, als wir für diese Art der Kartierung benötigen.“ Natürlich bedeuten mehr Bilder mehr Informationen, und das ist vorzuziehen, da es mehr Wissenschaft ermöglicht. Aber selbst unter den schlechtesten Bedingungen finden sie unschätzbare Informationen heraus.

Immer etwas Neues zu lernen

Der Besuch der Venus ist eine enorme Herausforderung, selbst nach den ehrgeizigen Maßstäben großer Weltraummissionen. Aber die potenzielle Auszahlung in Bezug auf das, was wir lernen können, ist enorm.

Das Lernen über die Venus wird um seiner selbst willen faszinierend sein. Aber es ist auch wichtig für unser Verständnis von Exoplaneten. Da Missionen wie das James-Webb-Weltraumteleskop neue Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdecken und untersuchen, brauchen wir einen Referenzpunkt für Gesteinsplaneten wie Erde, Mars und Venus.

Wir haben ein ziemlich solides Verständnis der wesentlichen Eigenschaften von Erde und Mars, und durch das Hinzufügen von Daten von der Venus werden wir in der Lage sein, weit entfernte Planeten viel besser zu verstehen.

„Venus wird zu einem Kalibrierungspunkt für die Arten von großen, felsigen, atmosphärentragenden Planeten, die wir mit Webb und den großen Teleskopen, die darüber hinausgehen, sehen und verstehen können“, sagte Garvin.

Und natürlich gibt es diesen menschlichsten aller Instinkte, zu lernen und zu erforschen und an neue Orte zu reisen. „Das ist einer der Gründe, warum ich es liebe, an diesen Weltraumforschungsmissionen zu arbeiten – wir gehen an Orte, von denen wir nicht viel wissen“, sagte Sekerak.

Wir haben viel über das Bauen für die Umgebungen der Erde und des Mars gelernt, und jetzt können wir etwas von diesem Wissen übernehmen und es an einem anderen Ort anwenden. Das Bauen für diese Umgebung wird unsere Technologie ausdehnen, und ein Besuch mit einer Sonde kann damit beginnen, einige ihrer Geheimnisse zu lüften. Wie Sekerak sagte, gibt es beim Besuch einer neuen Weltraumumgebung „immer etwas Neues, das man lernen kann“.