Что нам требуется для того, чтобы полететь на Венеру?

В нашей солнечной системе есть планета, которая может объяснить происхождение жизни во Вселенной. Вероятно, она была когда-то покрыта океанами. Возможно, она была пригодна для жизни миллиарды лет. Нет, это не Марс.

Эта загадочная планета — Венера. Но, несмотря на всю свою привлекательность, Венера — одно из самых сложных мест в Солнечной системе для изучения.

Все потому, что современная Венера крайне негостеприимное место, где на поверхности плавится свинец и парят облака серной кислоты. Сама поверхность планеты слабо освещена из-за слоя облаков, толщина которого достигает 20 километров.

«Если вы хотите, чтобы грешники жарились в аду, Венера была бы идеальным местом для их отправки», — сказал в 1976 году заместитель директора Центра управления космическими полетами Советского Союза В.С. Авдуевский, после того, как посадочные станции Венера 9 и 10 передали на Землю фотографии с мрачным видом ландшафта планеты.

Сегодня потенциальные исследователи Венеры говорят, что у них есть технология, позволяющая справиться с этими тяжелыми условиями.

Существует мнение, что Венера — очень трудное место для космической миссии», — говорит ученый-планетолог Дарби Дьяр из колледжа Маунт-Холиок в Южном Хэдли, Массачусетс. «Все знают о высоких давлениях и температурах на Венере, и люди думают, что у нас нет технологий, чтобы исследовать Венеру. Но мы ими занимаемся».

И исследователи активно развивают больше всевозможных технологий, делающих возможным посадку на Венеру, и в то же время соперничают за финансовую поддержку, необходимую для финансирования миссии с нуля.

В 2017 году пять проектов, включая орбитальный спутник, зонд, который исследует атмосферу, и посадочные устройства, не смогли получить зеленый свет от НАСА. Но все они считались технологически готовыми к работе, и команда спускаемого зонда получила финансирование для дальнейшего развития технологий.

«Процесс отбора миссий НАСА очень конкурентен», — говорит Томас Зурбухен, помощник администратора программ научных миссий НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия. «Так называемая «Близнец планеты Земля», Венера — это увлекательный проект для будущих исследований и он вызывает огромный интерес у нашего научного сообщества».

Посещение Венеры

Издалека Венера и Земля были бы похожими для цели в поисках чужой жизни. Оба они примерно одинакового размера и массы, а Венера находится близко к пригодной для жизни зоне, где температуры обеспечивают стабильную жидкую воду на поверхности планеты.

«Нам нужно понять, что заставило планету идти по пути Венеры, а не по пути Земли», — говорит астробиолог Дэвид Гринспун из Планетарного научного института, который базируется в Вашингтоне, округ Колумбия.

В течение последнего десятилетия Венеру посетили несколько космических станций, в том числе Venus Express Европейского космического агентства с 2006 по 2014 год, и японский аппарат Акацуки в декабре 2015 года.

Но, несмотря на десятки предлагаемых миссий, охватывающих почти 30 лет, никакой из космических аппаратов НАСА не посетил близнеца Земли, после того, как корабль Магеллан завершил свою миссию, погрузившись в атмосферу Венеры в 1994 году и сгорев. И никакие космические аппараты вообще не приземлялись на венерианскую поверхность с 1985 года, когда там сели советские спускаемые аппараты «Вега-1» и «Вега-2».

Одним из очевидных барьеров является плотная атмосфера Венеры, которая на 96,5% состоит из углекислого газа, что блокирует взгляд на поверхность почти во всех длинах волн света.

Еще в 2011 году астрономы считали невозможным использовать спектроскопию — метод, который рассеивает свет от объекта на разные длины волны, чтобы рассказать о композиции объекта — с орбиты, чтобы показать, из чего состоит поверхность Венеры.

Но оказывается, что атмосфера Венеры прозрачна, по крайней мере, для пяти длин волн света, которые могут помочь идентифицировать различные минералы.

Venus Express доказал, что это сработает: глядя на одну инфракрасную длину волны, астрономы могут видеть горячие точки, которые могут быть признаками активного вулканизма. Дарби Дьяр говорит, что орбитальный спутник, который использовал бы другие четыре длины волны, мог бы сделать еще больше.

Суровая правда

Чтобы действительно изучить поверхность планеты, ученые хотят туда добраться. Но посадочная площадка должны быть безопасным местом для приземления, а ее выбору мешает очень плотная атмосфера.

Самая лучшая карта поверхности Венеры, основанная на радиолокационных данных от Магеллана, сделана со слишком низким разрешением, чтобы показать скалы или склоны, которые могут опрокинуть посадочный модуль, говорит Джеймс Гарвин из Центра космических полетов имени Годдарда, НАСА.

Гарвин и его коллеги тестируют технологию компьютерного зрения под названием «Структура из движения», которая может помочь в определении места для посадочной площадки. Быстрый анализ многих изображений неподвижных объектов, взятых под разными углами, когда спутник спускается к поверхности, может создать трехмерную визуализацию планеты.

Испытание на вертолете над карьером в штате Мэриленд показало, что такая технология может нанести на карту валуны размером менее чем полметра. «С несколькими камерами GoPro мы сделали красивые небольшие топографические карты, — говорит Гарвин.

«Мы можем сделать это на Венере даже с ее плотной атмосферой, которая настолько мутная, что вы подумаете, что это не сработает». Он планирует представить эксперимент в марте в Вудлендсе, штат Техас, на Лунной и Планетарной научной конференции.

Как только посадочная площадка будет определена на поверхности Венеры, спускаемому аппарату предстоит следующий вызов: выжить.

Первые посадочные станции на Венере, советские космические корабли «Венера» в 1970-х и 80-х годах, выдержали на поверхности около часа каждая. Рекорд жизнедеятельности, установленный «Венерой 13» в 1982 году, составляет два часа и семь минут.

Температура на поверхности планеты поднимается до 460° Цельсия, а ее давление примерно в 90 раз выше, чем на уровня моря Земли, поэтому космический аппарат не имеет шансов прожить долго,  — с каждой минутой повышаются шансы на то, что какой-то важный компонент расплавится, будет раздавлен давлением или корродирован кислотной атмосферой.

Ожидается, что современные миссии не будут намного лучше: один час минимум, пять часов оптимистично и 24 часа «в наших самых смелых мечтах», — говорит Дарби Дьяр.

Но команда в Исследовательском центре NASA Glenn в Кливленде разрабатывает посадочный модуль, который может продержаться на поверхности месяцы. «Мы постараемся жить на поверхности Венеры, — говорит инженер Тибор Кремич из NASA Glenn.

Вместо того, чтобы использовать массу для поглощения тепла или противодействия нагреву, предлагаемый посадочный аппарат, получивший название LLISSE (Long-Lived In-Situ Solar System Explorer), будет использовать простую электронику из карбида кремния, которая может выдерживать температуры Венеры.

«Это не Pentium, но наши схемы могут обеспечить разумную функциональность, — говорит инженер-программист NASA Гэри Хантер.

Группа проверила схемы в камере моделирования Venus под названием GEER (Glenn Extreme Environment Rig). В камере, со стенками толщиной 6 сантиметров, ученые смоделировали условия на поверхности Венеры и электроника проработала в них 21 день, сообщил Филипп Нейдек из NASA Glenn в AIP Advances в 2016 году.

В конечном счете, команда хочет построить прототип посадочного модуля, который может работать 60 дней. На Венере это будет достаточно долго, чтобы действовать как метеостанция, отслеживая изменения в атмосфере с течением времени. «Этого никто никогда раньше не делал, — говорит Тибор Кремич.

Чтение информации

И это представляет следующую задачу: ученые-планетологи должны выяснить, что им говорят полученные данные.

Поверхность взаимодействуют с атмосферой Венеры иначе, чем с атмосферой Земли или Марса. Минералоги идентифицируют породы на основе света, который они отражают и излучают, но высокая температура и давление могут смещать свет так, что будет сложно определить структуру минералов. Даже когда ученые получат данные о венерианских породах, интерпретация их может быть сложной.

Текущие эксперименты на GEER помогают установить базовый уровень для исследований. Ученые оставляют камни и другие материалы в камере моделирования Венеры в течение нескольких месяцев, чтобы посмотреть, что с ними происходит.

Дарби Дьяр и ее коллеги проводят аналогичные эксперименты в высокотемпературной камере в Институте планетарных исследований в Берлине.

«Мы пытаемся понять физику того, как все происходит на поверхности Венеры, чтобы мы могли быть лучше подготовлены, когда мы будем проводить исследования», — говорит Тибор Кремич.

Две концепции миссии NASA не получили зеленый свет, используя разные стратегии. VISAGE (Venus In-Situ Atmospheric and Geochemical Explorer) предложил принести порошкообразные породы в камеру внутри посадочного устройства, которая поддерживает земные условия и измеряет породы там.

VICI (Venus In-situ Composition Investigations) использует другой подход: стреляет по камням с помощью лазера и анализирует образовавшийся слой пыли. Ровер «Curiosity» на Марсе использует этот метод, но плотность атмосферы Венеры может затруднить понимание результатов. Команда тестирует технику в камере моделирования Венеры в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико.

«Мы убеждены, что это сработает», — говорит главный исследователь VICI Лори Глазз в NASA Goddard. «Нам просто нужно сделать еще одно усилие, чтобы убедить остальную часть научного сообщества».

На горизонте есть надежда, если исследователи Венеры смогут сдержать свои амбиции. В прошлом году НАСА создало программу под названием «Мост Венеры», чтобы узнать, могут ли какие-либо миссии на Венеру быть реализованы за 200 миллионов долларов или меньше.

Эта цифра составляет менее половины стоимости, а в некоторых случаях гораздо меньше половины недавно предложенных миссий.

«Я твердо убежден в том, что ограничения порождают инновации, — говорит Томас Зурбухен, добавив, что достижения в области технологий означают, что есть способы для исследования, которых не было десять лет назад. «Если вы наложите финансовые ограничения, возможны вы получите отличные миссии».

«Мое новое любимое высказывание для сообщества исследователей Венеры: «Никогда не сдавайся, никогда не сдавайся», — говорит Лори Глазз . «Мы продолжаем пытаться».