Как построить модуль, который сможет прожить на Венере хотя бы неделю?

Венера

 

Прошло много времени с тех пор, как кто-то пытался высадиться на Венеру, одну из самых недружелюбных планет в Солнечной системе. Она покрыта серными кислотными облаками, и температуры на ее поверхности достигают 460 градусов по Цельсию, а атмосферное давление в 90 раз превышает земное. Свинец, цинк и олово на Венере находятся в жидком состоянии, а атмосфера из диоксида углерода весит примерно столько же, сколько наш океан километровой глубины — достаточно, чтобы раздавить подлодку.

Несмотря на все это, в наше время планета снова стала привлекать внимание: японская миссия Акацуки успешно вышла на орбиту Венеры в декабре 2015 года; в 2020-х состоятся новые миссии, запланированные NASA и ESA. Даже Россия планирует повторить свои крайне успешные миссии «Венеры» и «Веги» 70-80-х годов. Везде будут участвовать орбитальные аппараты, которые будут изучать атмосферу планеты, магнитное поле и географию.

Чтобы по-настоящему понять планету, нужно спустить на нее посадочный модуль. Модули могут проверить химический состав воздуха и горных пород на поверхности и понять, как выглядят недра планеты. У «Венеры-Д» был посадочный модуль, но срок ее миссии не превышал три часа. Предыдущий рекорд выживания на поверхности поставил модуль СССР «Венера-13», который приземлился в 1982 году. Он просуществовал 127 минут в токсичной и едкой среде Венеры.

 

Венера

 

Чтобы сделать зонд, который проживет дольше — день хотя бы, — необходима прочная электроника, которая сможет выдержать высокие температуры, или система охлаждения для зонда, который, по сути, будет в духовке. Ему придется работать без солнечных батарей, которые мало эффективны на планете с вечной тенью. Батареи долго не протянут и не смогут выработать достаточно энергии.

Говоря об электронике, ученые NASA ищут новые материалы для компьютерных чипов, которые будут продолжать работать при высоких температурах. «При 500 градусах по Цельсию правила игры меняются, — говорит Гэри Хантер, инженер-исследователь в NASA. — Нужны другие изоляторы и другие контакты… Нужно заново придумывать, как собирать эти схемы вместе».

Проблема в том, говорит Хантер, что при высоких температурах многие материалы начинают вести себя по-другому. Например, кремний является полупроводником, а при высоких температурах — около 300 градусов — он становится проводником, менее полезным для электроники. Другая проблема заключается в том, что даже если сами кремниевые схемы выживут, трудно придумать материалы для соединений между схемами, которые не перестанут работать в горячей атмосфере Венеры.

Хантер говорит, NASA занимается кремниевой электроникой на основе карбида, которая сможет работать дольше при температурах венерианской поверхности. Минус такого подхода в том, что такие чипы будут слабее современных компьютерных. Согласно презентации 2014 года, которую представила Venus Exploration Analysis Group в NASA, такая электроника будет по мощности сопоставима с электроникой 60-х. «Мы не повезем туда «пентиумы», говорит Хантер. Но если немного пораскинуть мозгами, этого может быть достаточно, чтобы сделать снимки и принять данные с зонда и передать их на орбиту, на более продвинутый орбитальный модуль.

Цель исследователей, по словам Хантера, заставить электронику проработать тысячи часов — пережить хотя бы один венерианский день, который в 117 раз длиннее земного.

Что касается энергетических систем, Тимоти Миллер и Майкл Пол из Университета штата Пенсильвания предложили использовать двигатель Стирлинга.

 

Венера

 

Двигатель Стирлинга начинается с рабочей жидкости внутри «холодной» камеры (холодная означает то, что температура ниже, а не совсем низкая). Жидкость сжимается поршнем и движется во вторую камеру, где нагревается. Нагретая жидкость расширяется, передвигая второй поршень, связанный с первым с помощью колеса или рычага. По мере того, как второй пистон движется, он отодвигает жидкость обратно к холодной части, где остывает, и цикл начинается снова. Пока существует источник тепла, двигатель продолжает работать. Сегодня двигатели Стирлинга используются в системах охлаждения и даже на подводных лодках.

Сама технология существует с 1816 года, ее изобрел шотландский священник Роберт Стирлинг. Миллер и Пол считают, что эту старую идею можно использовать для космических аппаратов будущего, и написали об этом в журнале Acta Astronautica. NASA уже профинансировало первые испытания.

Двигатель Стирлинга, говорит Миллер, может обеспечить достаточно энергии, чтобы охладить электронику и дать инструментам электричество, чтобы они могли работать дольше, чем на батареях. Рабочей жидкостью, вероятнее всего, будет гелий, поскольку он более эффективно передает тепло по сравнению с другими газами и не вступает в реакцию.

Но одной энергией все не ограничивается: двигателю Стирлинга нужно топливо. Миллер и его команда остановились на литии, который может гореть в атмосфере из углекислого газа и азота. (Азот составляет 4% воздуха Венеры). Литий также плавится при температуре 180 градусов, что делает его эффективным жидким топливом на Венере.

При этом уменьшается вес космического аппарата на старте — все, что нужно, это взять с собой лития. 50 килограммов в сочетании с двигательной и топливной установкой могут обеспечить зонд энергией на два дня, в соответствии с исследованиями Миллера.

Двигатель должен быть сконфигурирован как однопоршневая система, холодная с одной стороны и горячая с другой; поршень будет толкать генератор переменного тока назад и вперед, вырабатывая электричество. Команда Миллера провела небольшие испытания, при 4-5 атмосферах; нужно дополнительное финансирование, чтобы провести испытания в условиях, приближенных к Венере.

Кроме того, литий не загрязняет окружающую среду. Казалось бы, на необитаемой планете об этом думать нужно в последнюю очередь, но ученым не нравится такой подход. Им нужна система, которая будет одинаково хорошо и чисто работать в любых условиях, не только на Венере.

Когда литий сгорает в атмосфере из углекислого газа, образуется карбонат лития. Из этого следует, что показания посадочного модуля, исследующего атмосферу, не будут обезображены выхлопными газами.

Если команде ученых получится показать, что их система работает при давлении в 90 атмосфер, можно будет всерьез говорить о возможных полетах на Венеру. Если удастся показать, что она проработает хотя бы неделю.

Венера и Земля во многом похожи. Их радиусы расходятся всего на пару процентов, а масса Венеры составляет 81% земной. Когда планеты сформировались, они были в соседних частях солнечной туманности, поэтому их основной состав тоже похож. Технологии, которые позволят нам создать долгоживущий посадочный модуль, могут стать ключевыми в решении загадки: почему одна планета стала домом для жизни, а другая стала филиалом ада.