راز ورود به سیاره زهره کشف شد

به گزارش برنا؛ با برنامه‌ریزی ماموریت‌های آینده به سیاره زهره از سوی ناسا و «آژانس فضایی اروپا»(ESA)، ما در آستانه کسب اطلاعات بیشتر در مورد سیاره همسایه خود هستیم اما ما فقط در مورد علوم سیاره‌ای یاد نمی‌گیریم، بلکه به لطف دو ماموریت «انویژن»(EnVision) آژانس فضایی اروپا و «وریتاس»(VERITAS) ناسا می‌آموزیم که چگونه یک فضاپیما را در جو بیگانه کنترل کنیم. این ماموریت‌ها قرار است از روش جدیدی به نام «ترمز اتمسفری» یا «مهار جوّی»(Aerobraking) استفاده کنند تا فضاپیمای خود را در مدار مناسب قرار دهند.

دیجیتال ترندز با مهندسان و دانشمندان مأموریت انویژن مصاحبه کرده است تا مشخص شود که آنها قصد دارند چگونه ماموریت را به پایان برسانند و چه چیزی ممکن است از آن بیاموزند.

سرعت یک فضاپیما معمولا به همان روشی که افزایش داده می‌شود، کاهش می‌یابد؛ یعنی با سوزاندن سوخت. نیروی محرکه شیمیایی، یک راه عالی برای تولید بسیار سریع نیرو به شمار می‌رود و این همان چیزی است که هم برای پرتاب از مبدا و هم برای ورود به مدار مقصد، به آن نیاز دارید.

با وجود این، سوخت بسیار سنگین است و در مورد پرتاب موشک، وزن به معنای پول است. هرچه سوخت فضاپیما بیشتر باشد، پرتاب آن گران‌تر خواهد بود و کمتر می‌توان برای تجهیزات علمی هزینه کرد.

بنابراین، مهندسان فضایی در چند دهه اخیر به توسعه روش کارآمدتری برای کاهش سرعت فضاپیما پرداخته‌اند. این روش جدید به جای سوزاندن سوخت، از اتمسفر بیشتر مکان‌هایی که می‌خواهیم از آنها بازدید کنیم، استفاده می‌کند. فضاپیما به لبه‌های بالایی اتمسفر نزدیک می‌شود و در آنجا فرو می‌رود. در آنجا اصطکاک باعث کاهش سرعت فضاپیما می‌شود. فضاپیما پیش از دوباره فرو رفتن، به سمت بالا می‌رود، سرعت خود را به تدریج در چندین شیب کاهش می‌دهد و مدار خود را به مرور زمان پایین می‌آورد.

روش «ترمز اتمسفری» توسط فضاپیماهای مریخ استفاده شده و حتی برای فضاپیماهایی که به زمین باز می‌گردند نیز آزمایش شده است اما اکنون گروه‌های ماموریت می‌خواهند از این روش برای دو ماموریت بعدی به سیاره زهره نیز استفاده کنند.

چند فضاپیمای پیشین اکتشاف سیاره زهره مانند «ماژلان»(Magellan) و «ونوس اکسپرس»(Venus Express) از ترمز اتمسفری در پایان ماموریت‌های خود استفاده کرده‌اند؛ یعنی زمانی که کار علمی اصلی آنها انجام شد و گروه‌ها می‌خواستند این روش را آزمایش کنند. اما انویژن و وریتاس، اولین فضاپیماهایی خواهند بود که در آغاز ماموریت‌های خود، از ترمز اتمسفری برای رسیدن به مدار مناسب استفاده می‌کنند.

یک ماراتن ۱۵ ماهه!

وقتی انویژن به زهره برسد، در ارتفاع ۱۵۰ هزار مایلی به گردش در می‌آید و باید تا ارتفاع ۳۰۰ مایلی بالای سطح، پایین بیاید تا اطلاعات مورد نظر گروه ماموریت را به دست بیاورد. برای انجام دادن این کار، فضاپیما در یک بازه زمانی بین ۱۵ ماه تا دو سال، هزاران بار در جو فرو می‌رود و به تدریج به سوی مدار درست حرکت می‌کند.

رسیدن به این هدف مستلزم برنامه‌ریزی دقیق است اما به دانش دقیق در مورد شرایط جوی نیز نیاز دارد تا پیش‌بینی کند که مانورها چگونه بر فضاپیما تأثیر می‌گذارند. بزرگترین عوامل مؤثر بر ترمز اتمسفری، دما، چگالی و سرعت باد خواهند بود که همه آنها در بخش‌های گوناگون جو زهره، به طور قابل توجهی متفاوت هستند. برای مثال، ترمز اتمسفری در سیاره زهره، بسیار پیچیده‌تر از ترمز اتمسفری در مریخ است. زهره گرانش بسیار بالاتری نسبت به مریخ دارد و این بدان معناست که فضاپیما هنگام عبور از جو، سرعت بسیار بالاتری را تجربه خواهد کرد. به همین دلیل است که این روند بسیار طولانی می‌شود.

محیط ناملایم سیاره زهره

یک چالش دیگر این است که زهره، مکان مهمان‌نوازی نیست و این ویژگی در مورد جو آن نیز صدق می‌کند. زهره نسبت به زمین به خورشید نزدیک‌تر است. بنابراین، گرما و تشعشعات خورشیدی قابل توجهی به آن می‌رسند که فضاپیما باید آنها را تحمل کند. همان طور که فضاپیما برای اجرای ترمز اتمسفری به جو می‌افتد، اصطکاک باعث کاهش سرعت آن می‌شود اما این امر، گرم شدن را نیز به همراه دارد.

«آدریان تای»(Adrian Tighe)، دانشمند مواد ماموریت انویژن گفت: دمای دقیقی که فضاپیما تجربه خواهد کرد، به تصمیم‌گیری در مورد طراحی نهایی بستگی دارد اما در آن منطقه شاید ۲۰۰ یا ۳۰۰ درجه سلسیوس، بالاترین میزان دما باشد. همچنین، تشعشعات فرابنفش خورشید وجود دارد که فضاپیما باید آنها را مدیریت کند. این یک محیط کاملا خشن برای مواد است.

با وجود این، بزرگترین تهدید برای فضاپیما هنگام ترمز اتمسفری، گرما یا تشعشع نیست، بلکه جزئی از اتمسفر بالایی یعنی اکسیژن اتمی است. برخلاف بیشتر مولکول‌های اکسیژن روی زمین که از دو اتم اکسیژن ساخته شده‌اند، اکسیژن اتمی توسط تابش خورشید تقسیم شده است و به همین دلیل فقط یک اتم اکسیژن دارد. این بدان معناست که بسیار واکنش‌پذیر است؛ بنابراین می‌تواند مواد را به خوردگی و پوسیدگی دچار کند.

این خبر بدی برای فضاپیما است که باید از فاز ترمز اتمسفری چند ماهه جان سالم به در ببرد و سپس بتواند به ماموریت علمی خود ادامه دهد. فضاپیما به معنای واقعی کلمه توسط این ذرات بمباران خواهد شد زیرا با سرعت بالا(حدود پنج مایل در ثانیه) حرکت می‌کند. تای توضیح داد: این ترکیبی از یک واکنش شیمیایی و سرعت ضربه است. این امر باعث می‌شود که ذرات مانند گلوله‌ با سرعت به فضاپیما برخورد کنند.

یافتن مواد ضد زهره!

اکسیژن اتمی می‌تواند فلزات را اکسید کند اما برای پلیمرها بدتر است. این مواد پلاستیک‌مانند که از کربن، هیدروژن و اکسیژن ساخته شده‌اند، با اکسیژن اتمی واکنش می‌دهند و ترکیباتی مانند دی‌اکسید کربن را تشکیل می‌دهند که تبخیر می‌شوند و به این ترتیب مواد در فضا گم می‌شوند. اکسیژن اتمی می‌تواند با رنگ‌ها نیز واکنش نشان دهد. برای مثال، رنگ‌های سفید که برای انعکاس گرما مورد نیاز هستند، می‌توانند قهوه‌ای شوند و کارایی کمتری داشته باشند. اکسیژن اتمی می‌تواند با مواد عایق به نام عایق چندلایه نیز واکنش نشان دهد.

بزرگترین نگرانی، پنل‌های خورشیدی فضاپیما هستند زیرا آنها بسیار در معرض قرار دارند. سلول‌های خورشیدی با نوعی شیشه پوشانده شده‌اند که در برابر اکسیژن اتمی مقاوم است اما این سلول‌ها معمولا در بستری از جنس فیبر کربن قرار می‌گیرند که مستعد فرسایش است. یکی دیگر از اجزای حساس، فویل نازکی به نام «کپتون»(kapton) است که به عنوان عایق بین سلول و پنل استفاده می‌شود. یک فویل نازک نیز سلول‌های گوناگون را به هم متصل می‌کند. این فویل گاهی از نقره ساخته می‌شود و به همین دلیل حساس است. بنابراین، مهندسان در حال کار کردن روی انتخاب مواد گوناگون یا یافتن راه‌هایی برای محافظت از مواد در برابر اکسیژن اتمی هستند.

اگرچه اکسیژن اتمی زیادی روی سطح زمین یافت نمی‌شود اما ما درک درستی از نحوه برخورد با آن داریم زیرا می‌توان آن را در مدار زمین پیدا کرد. ماهواره‌ها برای مقاومت کردن در برابر چگالی مشخصی از اکسیژن اتمی طراحی شده‌اند. بنابراین، مهندسان از اصول مشابهی برای طراحی فضاپیمای انویژن استفاده می‌کنند تا آن را مقاوم کنند. مشکل اینجاست که محیط زمین چنین دماهای بالایی را شامل نمی‌شود و به همین دلیل، ترکیب اکسیژن اتمی و دمای بالا یک چالش جدید است.

تای گفت که گروهش مشغول آزمایش کردن موادی مانند عایق، رنگ و اجزای پنل خورشیدی بوده‌اند تا موادی را بیابند که پیش از آغاز ماموریت اصلی خود می‌توانند ۱۵ ماه در محیط خشن زهره مقاومت کنند. وی افزود: ما مجبور شدیم از قوی‌ترین مواد استفاده کنیم.

داده‌های رایگان علمی

ماموریت اصلی انویژن تا زمانی که مانورهای ترمز اتمسفری فضاپیما را به مدار نهایی خود بین ۱۳۰ تا ۳۴۰ مایل پایین نیاورد، آغاز نخواهد شد اما دانشمندان هرگز اجازه نمی‌دهند فرصت یادگیری از دستشان برود. بنابراین، یک گروه پژوهشی در حال کار کردن روی چیزهایی هستند که ممکن است در مرحله ترمز اتمسفری در مورد زهره بیاموزند.

دانشمندان در مورد امکان دریافت نمای نزدیک از جو فوقانی سیاره زهره که به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته است، هیجان‌زده هستند. «گابریلا گیلی»(Gabriella Gilli) دانشمند «موسسه اخترفیزیک اندلس»(IAA-CSIC) و از اعضای گروه انویژن گفت: مطالعه اتمسفر بالایی سخت است زیرا در مقایسه با جو متراکم پایین‌تر، بسیار نازک است و بررسی آن با سیستم سنجش از دور آسان نیست. تجهیزات ما دقت کافی را برای بررسی چنین چگالی کوچکی ندارند.

به همین دلیل است که مانور ترمز اتمسفری چنین فرصت علمی منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهد. با اندازه‌گیری عواملی مانند چگالی و دما در طول مانورها، دانشمندان می‌توانند تصویر جامع‌تری را از ناحیه بالایی جو ارائه دهند.

گیلی گفت: ما می‌خواهیم بدانیم که جو در هر قسمت از زهره چگونه است اما در حال حاضر داده‌هایی که از این سیاره در اختیار داریم، به مشاهدات مکانی محدود می‌شوند. همچنین، تفاوت‌های زیادی بین نحوه رفتار جو در طول روز و در طول شب وجود دارد که ما تازه در حال درک کردن آنها هستیم.

اگر دانشمندان بتوانند در این مرحله داده‌هایی را در مورد جو بالایی به دست بیاورند، می‌توانند آن را با داده‌های حاصل از مأموریت‌های دیگر مانند «داوینچی»(DaVinci) مقایسه کنند تا آنچه را که در جو رخ می‌دهد، با هم ترکیب کنند.

تنظیم کردن براساس شرایط

مشاهدات جمع‌آوری‌شده در مرحله ترمز اتمسفری فقط مورد توجه علمی نخواهد بود. مشاهدات به گروه فضاپیما ارائه می‌شوند تا آنها بتوانند نحوه برنامه‌ریزی مانورها را تنظیم کنند. برای مثال، اگر مشخص شود که چگالی در بخشی از جو با آنچه انتظار می‌رفت متفاوت است، تنظیمات تغییر خواهند کرد. گیلی توضیح داد: جو زهره بسیار متغیر است. این بدان معناست که دما و چگالی آن به روش‌های پیچیده‌ای تغییر می‌کند. تنوع در قسمت بالایی جو حتی بیشتر است.

«توماس وویرین»(Thomas Voirin) مدیر مطالعه پروژه انویژن گفت: این بدان معناست که پیش‌بینی‌های محدود ما ممکن است پس از رسیدن فضاپیما به زهره، به اصلاحات قابل توجهی نیاز داشته باشند. مدل‌سازی شرایطی که فضاپیما قرار است با آن روبه‌رو شود، تا زمان پرتاب یک کار مداوم خواهد بود.

حتی پس از پرتاب هم تنظیم کردن مانورهای ترمز اتمسفری، یک فرآیند تکراری است. وویرین ادامه داد: گروه ماموریت، آنچه را که انتظار دارند پیدا کنند، مدل‌سازی کرده‌اند اما واقعیت مطمئنا متفاوت خواهد بود. کل این فرآیند با حاشیه‌های گسترده طراحی شده است تا امکان انحراف احتمالی از پیش‌بینی‌ها را فراهم کند.

پرتاب هر ماموریت بین سیاره‌ای، یک کار دشوار است اما ترمز اتمسفری در سیاره زهره، یک چالش ویژه به شمار می‌رود. از چرخش سریع بخش‌هایی از جو گرفته تا تأثیر فعالیت خورشیدی و بادهای سریع، عوامل زیادی وجود دارند که فضاپیماهایی مانند انویژن باید با آنها مقابله کنند. گیلی گفت: این مرحله بسیار چالش‌برانگیز و بسیار حساس است.

با وجود این چالش‌ها، اگر ترمز اتمسفری کار کند، می‌تواند یک روش جدید و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای وارد کردن فضاپیماها به مدار سیاره‌ها باشد و این بدان معناست که مأموریت‌ها می‌توانند در اهداف علمی خود جاه‌طلبانه‌تر عمل کنند؛ بدون اینکه هزینه بیشتری داشته باشند. این یک فرآیند طولانی است و به صبر و حوصله پژوهشگران و عموم مردم نیاز دارد اما می‌تواند روش گردآوری علوم سیاره‌ای را در سیاره زهره تغییر دهد.

تای در پایان گفت: این کار خیلی پیچیده‌ای به نظر می‌رسد. ممکن است فکر کنید که چرا باید دو سال را در انتظار یک مانور کاملا پرخطر بگذرانید. دلیل این است که چنین مانوری واقعا این مأموریت را ممکن می‌کند. همچنین، ذاتا رضایت‌بخش است. این روش، از خود اتمسفر استفاده می‌کند تا شما را قادر سازد که به مدار وارد شوید. این یک روش منظم برای ورود به جو سیاره است.