Jak przyszły statek kosmiczny może poradzić sobie z trudnymi lądowaniami na Wenus lub Europie

Najlepszym sposobem poznania świata jest dotknięcie go. Naukowcy obserwowali planety i księżyce w naszym Układzie Słonecznym od wieków i przelatywali statkami kosmicznymi obok tych ob obiektów przez dziesięciolecia. Aby jednak naprawdę zrozumieć te światy, naukowcy muszą ubrudzić sobie ręce – lub przynajmniej lądowniki statków kosmicznych.

Od zarania ery kosmicznej Mars i księżyc zyskały niemal całą miłość do lądowników. Tylko garstka statków kosmicznych wylądowała na Wenus, naszym najbliższym sąsiednim świecie, i żaden nie wylądował na Europie, lodowatym księżycu Jowisza uważanym za jedno z najlepszych miejsc w Układzie Słonecznym do poszukiwania współczesnego życia.

Naukowcy pracują, aby to zmienić. Podczas kilku rozmów na spotkaniu wirtualnej Amerykańskiej Unii Geofizycznej, które odbyło się od 1 do 17 grudnia, planetolodzy i inżynierowie omówili nowe sztuczki, które hipotetyczny przyszły statek kosmiczny może potrzebować aby wylądować na nieznanym terenie na Wenus i Europie. Misje wciąż znajdują się w fazie projektowania i nie znajdują się w harmonogramie startów NASA, ale naukowcy chcą być przygotowani.

Poruszanie się po Wenus

Wenus to niezwykle trudny do odwiedzenia świat. Jego palące temperatury i miażdżące ciśnienie atmosferyczne zniszczyły wszystkie statki kosmiczne, które miały szczęście dotrzeć na powierzchnię w ciągu około dwóch godzin od przybycia. Ostatnie lądowanie miało miejsce ponad 30 lat temu, pomimo rosnącego przekonania planetologów, że powierzchnia Wenus była kiedyś nadająca się do zamieszkania. Ta możliwość przeszłego i być może obecnego życia na Wenus jest jednym z powodów, dla których naukowcy pragną tam wrócić.

W jednym z proponowanych planów omawianych na spotkaniu AGU naukowcy wytyczyli pofałdowany teren górzysty na Wenus zwany tesserą. „Bezpieczne lądowanie w terenie tessera jest absolutnie konieczne, aby spełnić nasze cele naukowe” – powiedział planetolog Joshua Knicely z University of Alaska Fairbanks w przemówieniu.

Knicely jest częścią badań prowadzonych przez geolog Marthę Gilmore z Wesleyan University w Middletown w stanie Connecticut, mających na celu zaprojektowanie hipotetycznej misji na Wenus, która mogłaby wystartować w latach 30 wieku XXI. Misja obejmowałaby trzy orbitery, aerobota do unoszenia się w chmurach oraz lądownik, który mógłby wiercić i analizować próbki skał tessera. Uważa się, że teren ten uformował się w miejscu, gdzie dawno temu krawędzie kontynentów ślizgały się jedna nad drugą, wypuszczając na powierzchnię nową skałę w czymś, co mogło być jakąś wersją tektoniki płyt. Na Ziemi ten rodzaj wynurzania się mógł być ważny dla uczynienia planety gościnną dla życia.

Pofałdowany górzysty teren na Wenus zwany tessera (jasny obszar na tym fałszywie kolorowym obrazie ze statku kosmicznego Magellan NASA) mógł powstać w wyniku dawnej aktywności tektonicznej. JPL-CALTECH / NASA

Ale lądowanie w tych obszarach Wenus może być szczególnie trudne. Niestety, najlepsze mapy planety – pochodzące z orbitera Magellana NASA z lat 90. – nie są w stanie powiedzieć inżynierom, jak strome są zbocza terenu tessery. Mapy te sugerują, że kont nachylenia zboczy większość zboczy ma mniej niż 30 stopni, z czym lądownik mógłby sobie poradzić wykorzystując cztery teleskopowe nogi. Ale niektóre zboczą mogą być nachylone pod kontem 60 stopni, co mogłoby powodować przewrócenie statku kosmicznego.

„Bardzo mało wiemy o tym, jak wygląda powierzchnia” – powiedział Gilmore w przemówieniu. „Jaki jest rozmiar głazów? Jaki jest ich rozkład? Czy to jest puszyste? ”

Lądownik będzie więc potrzebował jakiegoś inteligentnego systemu nawigacji, który wybierze najlepsze miejsca do lądowania i sterowania. Ale potrzeba sterowania pociąga za sobą inny problem: w przeciwieństwie do lądowników na Marsie, lądownik na Wenus nie może używać małych silników rakietowych do zwalniania podczas opadania.

Kształt rakiety jest dostosowany do gęstości powietrza, na które będzie się naciskać. Dlatego rakiety, które wyrzucają statki kosmiczne z Ziemi, mają dwie sekcje: jedną dla atmosfery ziemskiej i jedną dla bliskiej próżni kosmicznej. Atmosfera Wenus zmienia gęstość i ciśnienie tak szybko między kosmosem a powierzchnią planety, że „upadek z wysokości kilometra oznaczałby, że rakieta zadziałałaby idealnie, a następnie wybuchłaby i prawdopodobnie się rozpadła” – mówi Knicely.

Zamiast rakiet, proponowany lądownik używałby wentylatorów do poruszania się, prawie jak łódź podwodna, zmieniając wady gęstej atmosfery w zaletę.

Atmosfera planety stanowi także największe wyzwanie ze wszystkich. Gęsta atmosfera Wenus rozprasza światło bardziej niż ziemska czy Marsa, zamazując widok powierzchni aż do ostatnich kilku kilometrów schodzenia.

Co gorsza, rozproszone światło sprawia wrażenie, jakby światło dochodziło ze wszystkich kierunków jednocześnie, jak światło latarki we mgle. Nie ma cieni, które pomogą pokazać strome zbocza lub odkryć duże głazy, w które może się zderzyć lądownik. To poważny problem, według Knicely’ego, ponieważ wszystkie istniejące oprogramowanie nawigacyjne zakłada, że ​​światło pochodzi tylko z jednego kierunku.

„Jeśli nie widzimy ziemi, nie możemy dowiedzieć się, gdzie jest bezpieczne miejsce” – mówi Knicely. „Nie możemy też dowiedzieć się, gdzie jest nauka [miejsca do badania/zdobywania próbek do badań]”. Chociaż proponowane rozwiązania innych wyzwań związanych z lądowaniem na Wenus są bliskie wykonalności, twierdzi, że to pozostaje największą przeszkodą.

Lądowanie na Europie

Z drugiej strony, lodowy księżyc Jowisza, Europa, nie ma powietrza, które mogłoby rozmazać powierzchnię lub rozbić rakiety. Hipotetyczny przyszły lądownik Europa, również omawiany na spotkaniu AGU, byłby w stanie wykorzystać technikę „dźwigu powietrznego”. Ta metoda, w której platforma unosi się nad powierzchnią za pomocą rakiet i zrzuca statek kosmiczny na ziemię, została wykorzystana do wylądowania łazika Curiosity na Marsie w 2012 roku i zostanie wykorzystana w lądowniku Perseverance w lutym 2021 roku.

„Inżynierowie są bardzo podekscytowani tym, że nie będą musieli radzić sobie z atmosferą podczas lotu w dół” – powiedział inżynier statku kosmicznego Jo Pitesky z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Pasadenie w Kalifornii.

Mimo to naukowcy nie wiedzą wiele o powierzchni Europy, co może mieć wpływ na każdy lądownik, który wyląduje, powiedziała planetolog Marissa Cameron z Jet Propulsion Laboratory.

Najlepsze widoki na księżycowy krajobraz pochodzą z orbity Galileo z lat 90. XX wieku, a najmniejsze elementy, jakie mógł zobaczyć, miały średnicę pół kilometra. Niektórzy naukowcy sugerowali, że Europa może mieć postrzępione kolce lodu zwane penitenty lub pokutniki lub mniszki śniegowe, podobne do elementów lodu w chilijskich Andach, które są nazwane ze względu na ich podobieństwo do zakapturzonych mnichów z pochylonymi głowami – chociaż nowsze prace pokazują, że brak atmosfery w Europie powinien powstrzymywać pokutników przed formowaniem się .

Inna misja, Europa Clipper, która już trwa, będzie wykonywać zdjęcia w wyższej rozdzielczości, gdy orbiter odwiedzi księżyc Jowisza pod koniec tej dekady, co powinno pomóc w wyjaśnieniu problemu.

W międzyczasie naukowcy i inżynierowie prowadzą skomplikowane próby generalne przed lądowaniem na Europie, od symulacji lodów o różnym składzie chemicznym w komorach próżniowych po zrzucenie z dźwigu atrapy lądownika imieniem Olaf, aby zobaczyć, jak to zadziała.

„Mamy wymaganie, które mówi, że teren może mieć dowolną konfigurację – postrzępione, dziurawy itp. musimy być w stanie dostosować się do tej powierzchni i być na niej stabilni” – mówi John Gallon, inżynier w Jet Propulsion Laboratorium. (Atrapa lądownika została nazwana na cześć ulubionej postaci jego 4-letniej córki z filmu Kraina lodu ).

Olaf, model w skali możliwego lądownika, pomaga inżynierom NASA przetestować różne strategie lądowania na lodowatym księżycu Jowisza. Nazwa łazika pochodzi od bałwana z filmu Kraina lodu .

W ciągu ostatnich dwóch lat Gallon i współpracownicy testowali w laboratorium różne stopy, nogi i konfiguracje lądownika, zawieszając go pod sufitem jak marionetka. To zawieszanie pomaga symulować siłę grawitacji Europy ( jedną siódmą grawitacji Ziemi)

Bez dużej grawitacji masywny lądownik mógłby łatwo odbijać się i uszkodzić się podczas próby lądowania. Zespół wypróbował lepkie stopy, stopy w kształcie misek, sprężyny ściskające i wciskające się w powierzchnię oraz nogi, które blokują się, aby pomóc lądownikowi utrzymać się na różnych terenach. Lądownik może kucać jak żaba lub stać sztywno jak stół, w zależności od rodzaju powierzchni, na której wyląduje.

Chociaż Olaf ciężko pracuje, pomagając naukowcom dowiedzieć się, jak zbudować udany lądownik, sama misja, podobnie jak jej wenusjański odpowiednik, pozostaje na razie tylko na liście życzeń niektórych planetologów. Tymczasem inni badacze marzą o podróżach do zupełnie innych światów, w tym o gejzerowym księżycu Saturna Enceladus.

„Niektórzy ludzie będą wybierać ulubione” – mówi Cameron. „Chcę tylko wylądować w miejscu, w którym nigdy nie byliśmy, a nie na Marsie. Pokochałbym to.”

Źródła: Lisa Grossman

P.M. Beauchamp and M.S. Gilmore. Preparing for a Flagship: Lessons learned from the Venus Flagship Mission Planetary Decadal Survey Study. American Geophysical Union meeting, December 9, 2020.

J. Knicely et al. Strategies for safely landing on Venus tesserae. American Geophysical Union meeting, December 9, 2020.

J. Pitesky et al. The Europa Lander Mission Concept: In situ exploration of an ocean world. American Geophysical Union meeting, December 11, 2020.

M. Cameron et al. Landing on Europa: Science-driven preparations for touching an unknown surface. American Geophysical Union meeting, December 11, 2020.

M. S. Gilmore et al. 2020 Venus Flagship Mission Decadal Study report. August 8, 2020.

Europa Lander Mission Concept Team. Europa Lander Study 2016 report. August 10, 2017.

Zdjęcia: JPL-CALTECH/NASA

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x