Покорить Венеру: как технологии помогут изучить токсичную планету
Первая волна исследований Венеры завершилась с холодной войной: тогда были произведены первые успешные посадки автоматических аппаратов, сделаны первые снимки поверхности планеты, составлены первые карты, взяты образцы грунта и атмосферы. С тех пор в мире технологий произошла настоящая революция, прежде всего в области электроники и искусственного интеллекта.
Что нового могут дать эти технологии для изучения планеты? Рассказывает эксперт из МАИ, старший преподаватель кафедры 601 «Космические системы и ракетостроение» Иван Рудой.
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 учёным удалось установить, что поверхность планеты состоит из базальта (фактически — застывшей лавы), но что скрывается в глубинах планеты по сей день остаётся 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 далёком 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 её поверхность какого-то тела (астероид, метеорит и т.п.): 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 трёхмерную 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 учёных: 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 полёта, а, следовательно, случайность в сборе данных. В то же время буквально несколько лет назад применение на Марсе управляемого беспилотника вертолётного типа показало свою эффективность: малыш Ingenuity за 3 года исследовал площадь в 17 км, тогда как марсоход Opportunity за 15 лет смог осилить не более 50 км.
— В каком-то смысле на Венере квадрокоптерам работать будет более комфортно. Марсианский вертолёт имел крайне малую массу подъёма, потому что воздуха на Красной планете почти нет. Ему приходилось вращать винт очень быстро. На Венере такой проблемы нет. Здесь от вертолёта не потребуется много усилий, чтобы создать очень хорошую подъёмную силу, потому что воздух плотный, вязкий. В результате полёт будет сопровождаться меньшей нагрузкой на двигатель и, соответственно, меньшим расходом топлива. Вертолёт 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 км, где температура приближается к земной. Причём если на Земле на такой высоте вертолёт как раз летать не сможет из-за разреженности воздуха, то на Венере, где и на самом верху атмосфера плотная, всё ровным счётом наоборот.
Ещё более перспективная идея — запустить не один вертолёт, 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 вертолёты не долго, максимум пару дней, т.к. при таких размерах у них не будет ни мощного аккумулятора, ни надёжных 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 оснащение малышей искусственным интеллектом, который обеспечит автономность и управляемость при сборе данных.
Имеет своё 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 подъём, тогда как беспилотному вертолёту приходиться постоянно работать винтами, чтобы не упасть. Соответственно, дольше работает двигатель, меньше расход топлива.
Исследование с орбиты и современная электроника
Гораздо более доступный, дешёвый и привычный способ изучать Венеру — с орбиты. Автоматические орбитальные аппараты прошлого работали достаточно долго, например, «Магеллан», венерианской картой которого учёные пользуются до сих пор, продержался на орбите больше четырёх 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 счёт 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 ещё 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 счёт 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
