У Венеры много проблем. Температура, в два раза превышающая ту, при которой пицца готовится за несколько минут. Кислотные дожди, регулярно вымывающие все, что претендует на свободное волеизъявление. Колоссальное давление, в 90 раз превышающее то, к которому мы привыкли на Земле. Почему нам так хочется в это пекло? Венеру часто называют адом как он есть из-за колоссального давления, кислотной атмосферы и чрезвычайно высоких температур. Справиться даже с одним из этих условий уже непросто, если мы хотим когда-нибудь освоить Венеру. Что говорить обо всех трех — недолго жившие советские зонды, отправленные на Венеру, красноречиво об этом молчат.
Тем не менее на Венере можно было бы… жить.
На первый взгляд, эта планета удивительно похожа на Землю: сила тяжести составляет 90% земной, и она всего на 30% ближе к Солнцу, чем мы. Но при ближайшем рассмотрении раскрывается ужасная разница. Если у Марса атмосферы почти нет, у Венеры ее слишком много. Она в 90 раз плотнее земной, состоит по большей части из диоксида углерода (CO2) и окутана облаками чистой серной кислоты.
Парниковый эффект атмосферы Венеры улавливает огромное количество солнечного тепла, благодаря чему поверхность Венеры успешно становится самым жарким местом в Солнечной системе, не считая самого Солнца. При температуре поверхности в 450 градусов этого достаточно, чтобы расплавить цинк, свинец и большинство органических материалов. А вместе с атмосферным давлением, эквивалентным километровой глубине в океане, даже атомная подводная лодка будет раздавлена.
Давление настолько большое, что сам углекислый газ вдавливается в поверхность и приобретает экзотическое состояние «сверхкритической жидкости», которая не является ни газом, ни жидкостью, но обладает свойствами обоих. На Земле сверхкритический CO2 представляет собой опасную и экзотическую субстанцию, которая используется в качестве промышленного растворителя и стерилизатора, — а на поверхности Венеры буквально океан этого вещества.
СССР послал несколько зондов на Венеру в 60-х, 70-х и 80-х годах прошлого столетия; неудивительно, но большинству из них не удалось добраться до поверхности, многие разбились. Самым успешным оказался зонд «Венера-13», ему удалось продержаться более двух часов, прежде чем он тоже поддался сильному давлению и жару. Снимки, которые он отправил, показали недружелюбный, иссушенный и совершенно чуждый нам мир.
И все же мы могли бы жить в облаках этой адской планеты. В 50 километрах над поверхностью Венера оказывается чрезвычайно дружелюбной. При этом атмосферы достаточно, чтобы обеспечить защиту от излучения, сопоставимую с экраном, который мы получаем от атмосферы на Земле. Температура, как ни странно, тоже приближается к комфортной — около 60 градусов по Цельсию. Жарко, да, но наши технологии позволяют с ней совладать. А если подняться еще на пару километров, температура упадет до 30 градусов, при этом атмосфера не потеряет в защите от радиации. И поскольку гравитация Венеры почти такая же, как Земли, колонисты, живущие там годами, не обзаведутся хрупкими костями и слабыми мышцами.
И хотя поверхность Венеры будет оставаться недоступной для людей, роботы могли бы исследовать и разрабатывать твердую почву. Ими могли бы управлять жители облачного города в режиме реального времени — с Земли это сделать невозможно, поскольку сигнал будет идти 20 минут.
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 трех часов. 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.
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.
И все же над этими проблемами работают и пытаются их решить.
Электроника венерианского зонда
Ученые из исследовательского центра Гленна в NASA продемонстрировали электронную схему, которая должна помочь открыть поверхность Венеры для исследований.
«С дальнейшим развитием технологий, такая электроника может значительно улучшить конструкции посадочного модуля для Венеры и концепции миссий, позволив нам провести первые длительное миссии на поверхности Венеры», заявил Фил Нойдек, ведущий инженер-электронщик.
Наши современные технологии позволяют посадочным модулям выдерживать условия на поверхности Венеры всего несколько часов. Но за несколько часов много научной работы не сделаешь, особенно если сравнивать с затратами на миссию. Поэтому увеличение выживаемости посадочного венерианского модуля — ключевая задача.
При температуре в 460 градусов по Цельсию Венера почти в два раза горячее большинства печей. Это достаточно горячо, чтобы расплавить свинец. При этом поверхностное давление на Венера в 90 раз выше, чем на Земле, из-за плотности атмосферы.
Первый цветной снимок поверхности Венеры
Для защиты электроники на предыдущих спускаемых на Венеру аппаратах, их содержали в специальных сосудах, предназначенных для защиты от давления и температуры. Но эти сосуды добавляют много массы к миссии и делают отправку модулей на Венеру очень дорогим удовольствием. Таким образом, если говорить об изучении Венеры, создание надежной электроники становится чертовски важным.
Команда в исследовательском центре Гленна разработала полупроводниковые интегральные схемы на основе карбида кремния, которые чрезвычайно надежны. Две схемы были испытаны в специальной камере, предназначенной для точного воспроизводства условий на Венере. Эта камера называется GEER (Glenn Extreme Environments Rig).
Это специальная 800-литровая камера, которая может воссоздать условия на любом объекте в нашей Солнечной системе, может имитировать температуру до 500 градусов по Цельсию и давление от околовакуумного до в 90 раз превышающего давление на Земле. GEER также может имитировать экзотическую атмосферу и смешивать газы в точных пропорциях. В камере можно смешивать газы с точностью до нескольких частей на миллион. Испытания прошли успешно.
«Мы продемонстрировали довольно длительную электрическую операцию с голыми чипами — без охлаждения и защитной упаковки — в точных физических и химических условиях атмосферы на поверхности Венеры», говорит Нойдек. «Обе схемы работали на момент окончания испытаний».
На деле две эти схемы не только работали по завершении испытаний, но и вполне выдержали условия Венеры в течение 521 часа. Это в 100 раз дольше, чем могли показать предыдущие варианты электроники, спроектированные для миссий на Венеру.
Сами схемы были изначально спроектированы для работы в условиях чрезвычайно высоких температур внутри двигателей самолетов.
«Эта работа не только открывает потенциал для новых научных работ на поверхности Венеры и других планет, но и может иметь прикладное значение для земной электроники, например для использования в двигателях самолетов для улучшения функционирования и снижения выбросов», говорит Гари Хантер, главный разработчик электроники для поверхности Венеры.
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.
Энергетические системы венерианского зонда
Что касается энергетических систем, Тимоти Миллер и Майкл Пол из Университета штата Пенсильвания предложили использовать двигатель Стирлинга.
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.
Защита от серной кислоты
Защитить наш зонд от серной кислоты еще проще. Это решение было проверено нашими соотечественниками — и вы имеете честь использовать его на кухне. В 1985 году советская миссия «Вега» облетела Венеру на пути к комете Галлея. «Вега» привезла два шара в атмосферу Венеры, которые плавали в атмосфере как раз на том уровне, о котором мы говорим, в течение двух дней. Внешний слой этих шаров был простым тефлоном. Тефлон обеспечивает абсолютную защиту от серной кислоты. Очевидно, это будет не единственный слой защиты, но уж точно наименьшая из проблем.
В дальнейшем серную кислоту можно было бы расщеплять на воду, кислород и серу и использовать для нужд будущих колонистов, которые смогут разместиться в облаках на воздушных шарах и управлять оттуда, подобно небожителям, наземными роботами.
Если говорить об общем успехе спускаемого аппарата на Венеру, остается множество других проблем. Все оборудование, которое должно там работать, датчики, сверла и атмосферные пробоотборники, должно переживать тепловое расширение вследствие воздействия чрезвычайно высокой температуры. Прочные новые конструкции будут необходимы во многих случаях.
Изучение Венеры потребует от NASA разработки новых технологий, но их будет значительно меньше, чем на Марсе. Мы не знаем многого о Венере, потому что большая часть наших исследований Венеры проходили в самом начале космической гонки. Наши технологии стали лучше, и мы обратили свой взор к другим планетам, особенно к Марсу. За последние несколько десятилетий на Марсе побывало с десяток зондов, а Венера по большей части игнорируется. Мы не знаем ничего не только о том, как развивалась Венера, но и как толстая атмосфера из двуокиси углерода привела к серьезному парниковому эффекту. А это важно, учитывая то, что мы продолжаем сжигать ископаемое топливо на Земле.
