Атмосферная история: как поплавать в газовом гиганте

Всякий раз, получая минус в статью за «не соответствует тематике Хабра», я воспринимаю эту оценку со смесью досады и удовлетворения. В целом считаю, что мне удаётся подбирать темы достаточно интересные и не слишком умозрительные, а также наталкивать читателей на размышления и необычные идеи. Однако я был удивлён, когда в поисковой выдаче мне попался удивительный материал с «Пикабу», тема которого значительно более приличествует Хабру. Пользователь shipilev86 задался вопросом: можно ли пролететь Юпитер насквозь? Иными словами, насколько газовый гигант похож на водородно-гелиевое круглое облако, и можно ли в самом деле пронизать такую планету на космическом корабле или хотя бы при помощи космического зонда? Давайте обсудим, какова современная научная точка зрения на этот вопрос, но сформулируем его шире: можно ли пролететь через газовый гигант, и какие осложнения при этом могут нас ожидать?

Краткий ответ на этот вопрос – «при современном уровне развития космонавтики – нет». Ранее в этом блоге я уже затрагивал вопросы классификации экзопланет, например, здесь и здесь. По наблюдениям современных космических телескопов, газовые гиганты гораздо разнообразнее скалистых планет, и делятся, как минимум, на четыре категории:

1. холодные юпитеры (представители в Солнечной системе: Юпитер и Сатурн)

2. горячие юпитеры (в Солнечной системе отсутствуют, типичный пример – X0-1 b в созвездии Северная Корона)

3. горячие нептуны (в Солнечной системе отсутствуют, один из самых известных примеров – Дульсинея в системе звезды мю созвездия Жертвенник)

4. холодные нептуны (представители в Солнечной системе: Уран и Нептун)

Кроме того, в одном из постов я обращался к некропланетологии – дисциплине в рамках исследования экзопланет, в рамках которой химический состав внесолнечных газовых гигантов пытаются анализировать, пока эти планеты сближаются с родительской звездой. Некропланетология подтверждает, что нептуны, как горячие, так, несомненно, и холодные, настоящими «газовыми гигантами» не являются. Нептун имеет твёрдое скалистое или ледяное ядро, окутанное мощной гелиево-водородной атмосферой. Именно поэтому многие из «суперземель» на самом деле могут быть недоразвившимися нептунами, либо нептунами, постепенно теряющими газовую оболочку, а не скалистыми планетами, подобными трёхкратно увеличенной Земле. Поэтому пролететь сквозь нептун насквозь нельзя. Его можно расценивать как твёрдую планету, покрытую газовым океаном и обычной газовой атмосферой. А с юпитероподобной планетой ситуация гораздо интереснее.

Во-первых, летом 1994 года удалось в режиме реального времени наблюдать, как в Юпитер врезалась и развалилась на части комета Шумейкеров-Леви 9. Во-вторых, NASA контролируемо утопила в атмосфере Юпитера зонд Galileo, работавшего в течение 1989-2003 года и изучавшего преимущественно Юпитер и его спутники. Аппарат вошёл в верхние слои атмосферы Юпитера со скоростью около 50 м/c и расплавился там, углубившись в верхние слои примерно на 158 километров. Сажать аппарат на один из спутников Юпитера (или разбивать его там) не решились, чтобы исключить риск загрязнения ледяных лун земными микроорганизмами.  Таким образом, уже известно, что:

1. посадка на газовый гигант пока неосуществима, даже по принципу посадки гидросамолёта на воду

2. развёртывание обитаемой космической станции в атмосфере Юпитера практически невозможно из-за высокого уровня радиации. 

Опустим проект вывода космической станции на орбиту Юпитера как пока совершенно фантастичный, нерациональный, притом, что принципиально возможный. Если наши пилотируемые экспедиции доберутся до орбиты Юпитера, то гораздо вероятнее, что мы попробуем колонизировать его спутники, а не орбиту. Интереснее обсудить, каков должен быть космический аппарат для многоразовой или долговременной работы в атмосфере Юпитера, какой практический интерес могут представлять её глубокие слои, а также – можно ли всё-таки пролететь Юпитер насквозь, если использовать для этого беспилотный зонд?

Зонд для проникновения в атмосферу Юпитера

Теперь попробуем переформулировать исходный вопрос: «Можно ли прострелить Юпитер пулей или снарядом»? Пуля сравнима по размеру с миниатюрным дроном, который мог бы иметь примерно такие же прочностные, аэродинамические и баллистические показатели, как и пуля. В данном случае ответ также отрицательный, но интересно разобрать – почему нельзя?

Первым аппаратом, запущенным в плотные слои атмосферы Юпитера, была Юнона, работающая на орбите гиганта с 2016 года и завершающая основной объём работ в 2024 году. Именно по данным Юноны можно предположить, что под плотной атмосферой Юпитера находится мантия и магнитное ядро. Предполагается, что граница между мантией и ядром зыбкая, а ядро состоит из сжиженного или даже металлического водорода. Именно водород даёт мощное юпитерианское магнитное поле. Давление под атмосферой Юпитера очень велико и точно пока не известно, но в данном случае непринципиально, находится ли водород в жидком или (гипотетически) кристаллическом состоянии. Согласно имеющимся моделям, жидкий водород должен походить по свойствам на ртуть и быть примерно на 60% плотнее воды. Если все слои Юпитера под атмосферой находятся в (полу)жидком состоянии, то эта внутренняя часть может занимать до 80% всего объёма планеты и походить на металлический океан глубиной тысячи километров. На само ядро Юпитера приходится около 0,1 радиуса планеты.

Прострелить или проплыть такой массив металлического водорода не представляется возможным, однако возможно ли пронизать Юпитер в пределах атмосферы, не ныряя в океан? Метеорологию Юпитера изучала не только «Juno», но и более ранний зонд Galileo, а также наземные обсерватории. Согласно некоторым приближениям, даже чтобы оставаться на устойчивой орбите у самого края атмосферы Юпитера, нужно развивать скорость в 42,5 км/c. Для сравнения: начальная скорость пули при вылете из пистолета Макарова составляет 1,1 км/с. Для сравнения: комета Шумейкеров-Леви 9 вошла в атмосферу Юпитера на скорости 61,4 км/c, и некоторые её фрагменты прослеживаются в атмосфере до сих пор. Судя по их движению, на Юпитере наблюдаются мощные стратосферные ветра, скорость которых может достигать 1450 км/ч, а сами турбулентные потоки могут образовывать воронки, сравнимые по диаметру с Землёй.

В пределах атмосферы давление и температура от входа в плотные слои быстро растут. Так, Galileo на входе в атмосферу Юпитера раскалился до 630°C. Ниже температура немного спадает, но быстро растёт давление и скорость (ускорение свободного падения на поверхности Юпитера равно около 24 м/с² или 2,44 g). Galileo отказал при давлении в 23 атмосферы и при температуре 153°C, продержавшись в верхних слоях атмосферы чуть менее часа.

О запасах металлического водорода

Приведённые оценки с учётом роста температуры и давления позволяют сравнить погружение в газовый гигант с преодолением жидкой, а не газовой среды. Юпитер и Сатурн состоят преимущественно из водорода, и вот как в настоящее время мы представляем себе их структуру:

В 2017 году гарвардским учёным Ранге Диасу и Айзеку Сильвере удалось в лабораторных условиях получить металлический водород. Для этого использовались алмазные наковальни и давление 495 ГПа. По мере роста давления водород явственно менял агрегатное состояние:

На Хабре писали, как этот образец был потерян, но сам опыт не оставил сомнений в том, что водород может переходить в жидкометаллическое состояние. Также на Хабре выходила трёхчастная публикация уважаемого @eugeneb0«Температура и давление фантастики». В первой части этой публикации (рекомендую прочитать все три) приведена фазовая диаграмма водорода:

Таким образом, Юпитер является самым большим резервуаром металлического водорода в Солнечной системе, и свободное полётоплавание в атмосфере Юпитера возможно только в верхнем слое глубиной не более 1500 километров. Агрегатное состояние этого вещества и физические характеристики пока сложно представить, обзор современных гипотез приводится в этом обзоре МФТИ. С высокой вероятностью жидкий металлический водород может быть насыщен свободными электронами и поэтому обладать сильнейшей проводимостью вместе с магнитными свойствами. Поэтому в нём вряд ли можно будет управлять любым металлическим «судном» и задействовать обычную электронику.

По мнению Лейфа Флетчера из Лейчестерского университета, идеальный аппарат для глубокого проникновения в атмосферу газовых гигантов действительно должен иметь форму пули. Кроме того, аппарат должен быть сконструирован из химически инертных, тонких и лёгких материалов. В середине 2010-х в таком качестве рассматривали углеродные нанотрубки, но пока они не достигают нужной длины и толщины не только для полноценного исполнения корпуса из углерода, но и для заключения электроники в углеродный каркас. Для большей устойчивости и «плавучести» аппарата возможна и другая конструкция, предложенная в Лаборатории Реактивного Движения NASA в 2015 году:

Эта конструкция называется «виндбот» и, предположительно, могла бы не только подолгу находиться в атмосфере газового гиганта, но и извлекать из неё энергию. Ещё в 2004 году NASA проектировала марсоход, который мог бы двигаться по поверхности планеты подобно перекати-полю. Такая идея была логична с учётом ветреной погоды на Марсе, но, как показало моделирование, катающийся ровер должен слишком быстро изнашиваться. Но в атмосфере газового гиганта эта конструкция оказывается гораздо удобнее. В рамках программы NIAC был предложен роботизированный зонд, который мог бы долго работать как без крыльев, так и без аэростата. Виндбот должен автоматически ловить ветер и определять зоны турбулентности, а в идеале и использовать ветер как источник энергии. Такой аппарат было бы проще защитить от радиации и прочего электромагнитного воздействия, а также оперативно корректировать курс (аппарату не пришлось бы «разворачиваться»). Кроме того, виндботы могли бы распределяться в атмосфере, образуя мобильную сеть, а при необходимости стыковаться в более крупные формы, подобно тому, как я описывал здесь.

Заключение

По-видимому, из-за вышеописанных препятствий пилотируемая экспедиция в атмосферу газового гиганта никогда не будет возможна. Однако спутники газовых гигантов, например, Титан, являются приоритетными целями для внеземной колонизации, поэтому без некоторого постоянного присутствия в атмосферах этих планет, скорее всего, не обойтись. Зонды могут быть не только исследовательскими, но и метеорологическими, что позволило бы готовиться к магнитным бурям на гиганте, защищая электронику всей колонии. Кроме того, если металлический водород окажется перспективным ракетным топливом и жидким сверхпроводником, то его добыча на газовых гигантах по принципу «зачерпывания» может оказаться более выгодной (даже с энергетической точки зрения), чем синтетическое производство. Наконец, наши Юпитер и Сатурн наверняка существенно отличаются по физическим свойствам от горячих юпитеров. По-видимому, атмосфера горячих юпитеров значительно более разреженная, чем у Юпитера и Сатурна и теоретически лучше подходит для сквозного пролёта.