Покорить Венеру: как технологии помогут изучить токсичную планету

Высокотемпературная электроника и долгоживущие аппараты

Первый вызов, с которым столкнулись венерианские исследовательские аппараты в прошлом веке, – это невозможность сколько-нибудь продолжительной работы на поверхности негостеприимной планеты. Максимум – два часа в условиях экстремальных температур (в среднем 470°С) и давления (90 земных атмосфер), после чего электроника отказывала. За это время аппараты по телесвязи успевали передать несколько фотоснимков, данные о выбуренном на месте посадки грунте.

Для более продолжительных исследований требовалось создание более устойчивой к экстремальным температурам электроники – самого уязвимого места спускаемых аппаратов. И такая электроника уже разработана: как ни странно, она в буквальном смысле слова – ламповая. С этой технологии начала развиваться компьютерная техника в середине прошлого века, и только эта технология подходит для продолжительной работы в венерианском аду.

«Как можно догадаться, это простейшие вычислительные машины, которые по вычислительным мощностям далеко уступают обычным смартфонам, но у них есть шанс отработать месяц, а то и несколько месяцев на Венере, что актуально, в частности, для мониторинга сейсмической активности», – отмечает эксперт.

Знания о геологии Венеры до сих пор были крайне обрывочными, несистемными. Автоматические аппараты прошлого века садились случайным образом и анализировали грунт, фотографировали поверхность только в месте посадки. Тогда ученым удалось установить, что поверхность планеты состоит из базальта (фактически – застывшей лавы), но что скрывается в глубинах планеты по сей день остается загадкой. А ведь без сведений о пластах пород под поверхностью планеты нельзя восстановить геологическую историю Венеры и, как следствие, ответить на самый важный в изучении планеты вопрос: почему самая близкая к Земле планета стала безжизненной, что произошло в далеком прошлом Венеры?

И значительный вклад в поиск ответа на этот вопрос могут внести как раз сейсмологические исследования долгоживущего спускаемого аппарата.

Дело в том, что для сейсмических исследований требуется много времени. Чувствительные приборы, сейсмографы, ждут активности планеты или результата падения на ее поверхность какого-то тела (астероид, метеорит): такие события могут случиться завтра, через неделю, через месяц, через несколько месяцев. И здесь как раз очень бы пригодился автоматический долгоживущий исследовательский аппарат на ламповой электронике.

Правда, есть и другой, более быстрый, но трудновыполнимый вариант: искусственно вызвать активность планеты, подорвав на ней мощный, возможно ядерный, заряд. Но такой заряд надо доставить, его нужно закопать под грунт, чтобы не повлиять на климат Венеры, но, самое главное, для этого необходимо установить несколько датчиков в разных частях планеты, чтобы воссоздать трехмерную картину геологических пластов. Это более сложный и затратный путь. Однако он с большой вероятностью смог бы дать ответ на фундаментальный вопрос планетологов: почему на Венере нет магнитного поля, как на Земле?

Умные квадрокоптеры и венерианская атмосфера

До сих пор атмосферу Венеры изучали при помощи аэростатов. В рамках миссии «Вега» (1984-1986) аэростаты показали себя перспективным инструментом в руках ученых: они не только сумели снять ключевые данные состояния атмосферы (температура, скорость ветра, давление), но и оказались настоящими долгожителями по сравнению со спускаемыми аппаратами: двое суток против двух часов. Причина проста: в верхних слоях атмосферы Венеры и температура, и давление сильно приближаются к уровню Земли.

Однако минус классических аэростатов – неуправляемый характер полета, а, следовательно, случайность в сборе данных. В то же время буквально несколько лет назад применение на Марсе управляемого беспилотника вертолетного типа показало свою эффективность: малыш Ingenuity за три года исследовал площадь в 17 километров, тогда как марсоход Opportunity за 15 лет смог осилить не более 50 километров.

«В каком-то смысле на Венере квадрокоптерам работать будет более комфортно. Марсианский вертолет имел крайне малую массу подъема, потому что воздуха на Красной планете почти нет. Ему приходилось вращать винт очень быстро. На Венере такой проблемы нет. Здесь от вертолета не потребуется много усилий, чтобы создать очень хорошую подъемную силу, потому что воздух плотный, вязкий. В результате полет будет сопровождаться меньшей нагрузкой на двигатель и, соответственно, меньшим расходом топлива. Вертолет сможет спокойно летать, можно даже сказать, медленно дрейфовать, перелетая с места на место, и аккуратно поднимать даже большие грузы», – рассказывает Иван Рудой.

Главная проблема для беспилотника на Венере – это экстремальные температуры на поверхности, в то время как любой двигатель, хоть электрический, хоть тепловой, нуждается в охлаждении. Поэтому такой беспилотник сможет летать только на большой высоте, в 50-70 километров, где температура приближается к земной. Причем если на Земле на такой высоте вертолет как раз летать не сможет из-за разреженности воздуха, то на Венере, где и на самом верху атмосфера плотная, все ровным счетом наоборот.

Еще более перспективная идея – запустить не один вертолет, как это было на Марсе, а сразу тысячи маленьких беспилотников, например, размером с ладонь. Самоуправляемые малыши могут разлететься в разные точки планеты и собрать наиболее полную информацию об атмосфере в целом. Проживут такие вертолеты не долго, максимум пару дней, т.к. при таких размерах у них не будет ни мощного аккумулятора, ни надежных двигателей, но за короткий срок своей жизни они сумеют взять количеством и в совокупности собрать данные с тысяч разных точек одновременно. Это позволит сформировать онлайн-карту атмосферных процессов на Венере и, возможно, раскрыть одну из загадок планеты: круговорот серы в венерианской природе.

Правда, для согласованной работы такого количества дронов потребуется запуск целой серии спутников, фактически, создание венерианского аналога ГЛОНАСС или GPS, а также оснащения малышей искусственным интеллектом, который обеспечит автономность и управляемость при сборе данных.

Имеет свое перспективное применение и аэростат, если его сделать управляемым, на манер дирижабля оснастив двигателем. В таком случае получится не только более живучий, но и экономный беспилотник, ведь аэростату не нужно затрачивать энергию на подъем, тогда как беспилотному вертолету приходиться постоянно работать винтами, чтобы не упасть. Соответственно, дольше работает двигатель, меньше расход топлива.

Исследование с орбиты и современная электроника

Гораздо более доступный, дешевый и привычный способ изучать Венеру – с орбиты. Автоматические орбитальные аппараты прошлого работали достаточно долго, например, «Магеллан», венерианской картой которого ученые пользуются до сих пор, продержался на орбите больше четырех лет. Само положение Венеры помогает работе таких кораблей: из-за близости к Солнцу на них не нужно ставить так много солнечных батарей, как, скажем, на Марсе.

Главная проблема таких аппаратов – неизбежный сход с орбиты. Чтобы сделать более качественные снимки, приходиться снижаться до границы с атмосферой. Воздушное сопротивление затормаживает вращение вокруг орбиты, и аппарат со временем начинает просто «проваливаться» вниз. Поэтому станции приходиться корректировать орбиту, т.е. возвращаться обратно в космос за счет включения двигателей. Это похоже на то, как дельфин, чтобы не умереть, вынужден постоянно всплывать, чтобы глотнуть воздуха. Однако когда топливо для двигателей у орбитального аппарата заканчивается, он сходит с орбиты и погибает. И если нашу МКС можно постоянно «разгонять» при помощи регулярно отправляемых с Земли кораблей, то постоянно поддерживать на орбите венерианский аппарат – слишком дорого.

Но сейчас, с появлением высокоточной электроники, можно продлить жизнь орбитальным аппаратам, ведь если летать на более высокой, полностью безатмосферной орбите, такой аппарат не будет снижаться и таким образом сможет проработать десятки лет.

Современная высокоточная электроника может помочь сделать и сами исследования планеты более качественными. Например, мультиспектральные камеры позволяют снимать сразу и в видимом, и невидимых (ультрафиолетовом и инфракрасном) спектрах. Такие камеры могут помочь раскрыть еще одну тайну Венеры: «невидимого ультрафиолетового поглотителя», т.е. аномальных зон поглощения ультрафиолетового излучения.

Гравитационные сканеры могут помочь воссоздать геологическую карту Венеры, показывая более плотные и менее плотные участки поверхности. Такие сканеры на Земле используются для обнаружения полезных ископаемых.

Возможно, именно с орбиты за счет более тщательного исследования слоя венерианских облаков удастся ответить и на главный вопрос в исследовании Венеры: есть ли на этой планете жизнь. Ведь если она и существует, то может находится только там, где и температура, и давление приближаются к земным.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России.

МАИ

20 статей

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) ведёт свою историю с 20 марта 1930 года. Сегодня МАИ – ведущий высокотехнологичный вуз России, обеспечивающий подготовку инженерных кадров и проведение передовых научных исследований мирового уровня. В 2021 г. программа развития Московского авиационного института прошла отбор в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». МАИ вошёл в первую группу университетов по треку «Территориальное и (или) отраслевое лидерство» программы «Приоритет 2030».

Показать больше