Космический аппарат, способный выжить в аду Венеры
При создании аппарата, подходящего для исследования поверхности Венеры, потребуются новые материалы и технология XIX века. Обозреватель BBC Future решил изучить этот вопрос поподробнее.
Вот уже несколько десятилетий человечество не предпринимает попыток исследовать Венеру при помощи межпланетных станций. Условия на поверхности этой планеты по праву считаются одними из самых агрессивных в Солнечной системе. Визуальные наблюдения затруднены, поскольку Венера окутана облаками из серной кислоты. Свинец, цинк и олово находятся там в жидком состоянии, поскольку температура венерианской атмосферы, состоящей преимущественно из углекислого газа, достигает +460°C, а атмосферное давление в 90 раз превышает земное и примерно соответствует давлению на километровой глубине земного океана - достаточно для того, чтобы раздавить корпус подводной лодки. Однако сейчас, после длительного перерыва, мы снова начинаем проявлять интерес к нашей космической соседке - в декабре прошлого года японская автоматическая станция "Акацуки" успешно достигла венерианской орбиты. На 2020-е запланированы аналогичные экспедиции американского и европейского космических агентств. Россия также намерена исследовать Венеру - в продолжение успешных советских автоматических программ "Венера" (1970-е гг.) и "Вега" (1980-е гг.). Во всех этих проектах предусмотрено использование орбитальных станций, которые будут изучать атмосферу, магнитное поле и рельеф Венеры. Однако для того, чтобы проникнуть в сокровенные тайны второй планеты от Солнца, потребуются посадочные модули, способные исследовать химический состав атмосферы и грунта, а также ставить сейсмические эксперименты для изучения внутреннего строения планеты. У российской программы "Венера-Д" (где "Д" означает "долгоживущая") посадочный модуль предусмотрен, но аккумуляторов на его борту хватит всего на три часа работы. Предыдущий рекорд продолжительности функционирования на поверхности Венеры был установлен советским спускаемым аппаратом "Венера-13" в 1982 г. - прежде чем выйти из строя, он проработал в токсичной и опасной среде планеты всего 127 минут. Температура венерианской атмосферы слишком высока для того, чтобы применять обычные микросхемы в электронном оборудовании посадочного модуля Чтобы создать аппарат, способный проработать на венерианской поверхности хотя бы сутки, потребуется электронное оборудование, устойчивое к воздействию высоких температур, эффективная система охлаждения - или сочетание того и другого. От использования в качестве источника питания солнечных батарей придется отказаться: на планете, постоянно окутанной плотной облачностью, их эффективность окажется слишком низкой. А заряда и выходной мощности нынешних аккумуляторных батарей будет недостаточно для обеспечения работы бортового оборудования. В попытке решить первую из этих двух проблем американское космическое агентство НАСА ищет новые термостойкие материалы для использования в компьютерных микросхемах. "Температуры, достигающие 500°C, требуют новых подходов, - говорит научный сотрудник НАСА Гари Хантер. - Придется создавать новые изоляционные материалы и контактные элементы. Фактически придется пересмотреть всю технологию сборки микросхем". По его словам, проблема заключается в том, что при высоких температурах поведение многих материалов меняется. Например, кремний является полупроводником, но при нагревании примерно до 300°C его электропроводность повышается, что делает его менее пригодным для применения в качестве подложки для микросхем. Кроме того, даже если микросхемы с кремниевой подложкой и выдержат воздействие высоких температур, найти термопрочные материалы для изготовления контактов между ними будет непросто. НАСА рассматривает возможность использования микросхем с применением карбидокремниевой керамики, обеспечивающей более длительную работоспособность при температурах, с которыми столкнется на поверхности Венеры посадочный модуль, говорит Хантер. Минусом данного решения является то, что при нынешнем уровне развития данной технологии производительность таких микросхем будет ниже, чем у современных персональных компьютеров. Согласно презентации, представленной в 2014 г. Аналитической группой НАСА по исследованию Венеры (VEXAS), по вычислительной мощности их можно сравнить с ЭВМ 1960-х гг. "Речи о мощности процессоров Pentium в данном случае не идет", - отмечает Хантер. Однако и этого может оказаться достаточно для передачи с посадочного модуля на орбитальную станцию необходимых ученым данных, включая изображения, и их последующей отправки на Землю. По словам Хантера, задача-максимум НАСА - создать аппарат, способный проработать несколько тысяч часов. В идеале агентство хотело бы достичь уровня, при котором модуль сохранял бы работоспособность в течение венерианских суток, соответствующих 117 земным. Параллельно идут исследования перспективных источников питания модуля. Тимоти Миллер и Майкл Пол из Университета штата Пенсильвания вместе со Стивеном Олсоном из Исследовательского центра НАСА имени Джона Гленна предлагают использовать для этой цели так называемый двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой разница температур периодически нагреваемого и охлаждаемого рабочего тела (жидкости или газа) преобразуется в работу. Он состоит из двух камер (цилиндров) - "холодной" и "горячей". Из "холодной" камеры рабочее тело вытесняется поршнем в "горячую", где происходит его нагревание. В результате рабочее тело расширяется, за счет чего перемещается второй поршень, соединенный с первым при помощи маховика или рычага. При этом рабочее тело вытесняется назад в "холодную" камеру, где происходит его охлаждение, и цикл повторяется снова. Двигатель продолжает работу, пока к нему подведен источник тепла для нагревания рабочего тела. Сегодня двигатели Стирлинга используются в некоторых типах холодильных установок. Кроме того, подводные лодки класса "Готланд" ВМС Швеции используют силовую установку, основанную на этом принципе работы, для перемещения в погруженном состоянии. Концепция двигателя была предложена шотландским священником Робертом Стирлингом еще в 1816 г., но Миллер и Пол уверены, что ее можно использовать в космических аппаратах. Ученые опубликовали материал на эту тему в журнале Acta Astronautica и уже провели серию предварительных практических исследований при финансовой поддержке НАСА. По словам Миллера, двигатель Стирлинга способен вырабатывать достаточно энергии для охлаждения и питания бортового электронного оборудования и обеспечит более продолжительную работу посадочного модуля по сравнению с аккумуляторными батареями. В качестве рабочего тела, скорее всего, выберут гелий, который обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с другими газами и при этом не является химически активным. Но для того, чтобы вырабатывать электричество, двигателю Стирлинга потребуется топливо. Команда Миллера остановилась на литии, который хорошо горит в смеси двуокиси углерода и водорода (доля последнего в венерианской атмосфере достигает 4%). Кроме того, литий плавится при температуре 180°C - в венерианских условиях он превратится фактически в жидкое топливо, которое гораздо проще использовать, чем твердое. Одним из аргументов в пользу выбора лития станет и уменьшение стартовой массы космического корабля. По словам Миллера, сам двигатель и запас топлива, необходимый для обеспечения работы модуля в течение двух земных суток, в совокупности будут весить не более 50 кг. Дополнительные проблемы инженерам создает изменение электропроводности материалов при нагревании Конструкция двигателя может быть однопоршневой, с одной "холодной" камерой и одной "горячей". Поршень будет перемещаться между ними, вырабатывая в процессе электрический ток. Сейчас команда Миллера проводит испытания опытного образца при давлении в 4-5 атмосфер, параллельно изыскивая дополнительное финансирование на тесты в условиях, приближенных к венерианским. Помимо всего прочего, литий - экологически чистый вид топлива. Это соображение может показаться странным, ведь речь идет о необитаемой планете, но для ученых это важный фактор. "Нам нужно создать такую систему, которая не будет загрязнять окружающее пространство при работе на поверхности Венеры", - объясняет Миллер. При сгорании лития в атмосфере, преимущественно состоящей из двуокиси углерода, образуется карбонат лития. Таким образом, загрязнение отработавшими газами не скажется на точности измерений атмосферных проб, отбираемых посадочным модулем. Если Миллеру с коллегами удастся показать, что двигатель способен работать на литии при давлении в 90 атмосфер, шансы на успех программы существенно увеличатся. "При условии, что мы сможем представить двигатель, способный проработать в таких условиях в течение недели", - уточняет ученый. Венера во многом похожа на Землю. Диаметр планет сопоставим, а масса Венеры составляет 81% от земной. Формирование обоих небесных тел происходило вблизи солнечной туманности, так что и по составу они должны быть сходными. Технологии, способные продлить жизнь спускаемого модуля на венерианской поверхности, могут оказаться ключевым фактором при ответе на вопрос, почему, в таком случае, на Земле зародилась жизнь, а Венера являет собой, по выражению американского астрофизика Карла Сагана, место, больше всего напоминающее ад. Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.