Nel 2005, il Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) è stato istituito con l'aiuto della NASA per valutare come i progressi nelle tecnologie di volo spaziale potrebbero essere utilizzati per facilitare le missioni sulla Luna e oltre. Nel 2006 il Gruppo di Lavoro FISO ha anche istituito il Serie Telecon FISO condurre attività di sensibilizzazione al pubblico ed educarlo su questioni relative alla tecnologia, all'ingegneria e alla scienza dei voli spaziali.
Ogni settimana, la serie Telecon tiene un seminario in cui gli esperti possono condividere le ultime notizie e gli sviluppi dei rispettivi campi. Mercoledì 19 aprile, in un seminario dal titolo “ Una centrale elettrica a combustione di metallo che respira aria per l'esplorazione in situ di Venere “, l'ingegnere della NASA Michael Paul ha presentato una nuova idea in cui la tecnologia esistente potrebbe essere utilizzata per effettuare missioni di più lunga durata su Venere.
Per ricapitolare la storia dell'esplorazione di Venere, pochissime sonde sono mai state in grado di esplorare a lungo la sua atmosfera o la sua superficie. Non sorprende, considerando che la pressione atmosferica su Venere è 92 volte quella che c'è qui sulla Terra al livello del mare. Per non parlare del fatto che Venere è anche il pianeta più caldo del Sistema Solare, con temperature superficiali medie di 737 K (462 °C; 863,6 °F).
Sebbene simile per dimensioni e composizione alla Terra, Venere ha un'atmosfera estremamente densa con nuvole che producono pioggia di acido solforico. Credito: NASA
Ecco perché quelle poche sonde che hanno effettivamente esplorato l'atmosfera e la superficie in dettaglio, come l'era sovietica? Sonde e lander Venera e della NASA Pioneer Venus multisonda – sono stati in grado di restituire i dati solo per poche ore. Tutte le altre missioni su Venere hanno assunto la forma di orbiter o consistevano in veicoli spaziali che effettuavano sorvoli durante il viaggio verso altre destinazioni.
Avendo lavorato nei campi dell'esplorazione spaziale e dell'ingegneria aerospaziale per 20 anni, Michael Paul è esperto nelle sfide delle missioni di montaggio su altri pianeti. Durante il suo tempo con il Laboratorio di fisica applicata della John Hopkins University (JHUAPL), ha contribuito alla NASA's Contorno e Stereo missioni, ed è stato anche determinante per il lancio e le prime operazioni del MESSAGGERO missione su Mercurio.
Tuttavia, è stato uno studio di punta nel 2008 - eseguito in collaborazione tra JHUAPL e il laboratorio Jet Propulsion della NASA (JPL) - che gli ha aperto gli occhi sulla necessità di missioni che sfruttassero il processo noto come In-Situ Resource Utilization (ISRU) . Come ha affermato durante il seminario:
'Quell'anno abbiamo effettivamente studiato una missione molto grande in Europa che si è evoluta nell'attuale Missione Europa Clipper . E abbiamo anche studiato una missione di punta su Saturno, su Titano in particolare. Lo studio della missione del sistema Titano-Saturno è stato una vera rivelazione per me in termini di cosa si potrebbe fare e perché dovremmo fare molto di piùavventuroso e altroesplorazione aggressiva di in-situ in determinati luoghi.
La missione di punta su Titano è stata oggetto del lavoro di Paul da quando è entrato a far parte dell'Applied Research Laboratory di Penn Sate nel 2009. Durante la sua permanenza lì, è diventato un Programma di concetti avanzati innovativi della NASA (NIAC) Fellow per la sua co-creazione del Sottomarino Titano . Per questa missione, che esplorerà i laghi di metano di Titano, Paul ha aiutato a sviluppare sistemi di alimentazione sottomarini che avrebbero fornito energia ai lander planetari che non possono vedere il sole.
Tornato a JHUAPL, dove ora è responsabile della formulazione della missione spaziale, Paul continua a lavorare su concetti in situ che potrebbero consentire missioni in luoghi del sistema solare che presentano una sfida. L'esplorazione in situ, in cui si fa affidamento sulle risorse locali per vari scopi, presenta numerosi vantaggi rispetto a concetti più tradizionali, non ultimo il rapporto costo-efficacia.
Considera la missione che si basa su Generatori termoelettrici a radioisotopi multi-missione (MMRTG) – dove elementi radioattivi come il plutonio-238 vengono utilizzati per generare elettricità. Considerando che questo tipo di sistema di alimentazione - che è stato utilizzato dal Vichingo 1e2 lander (inviati su Marte nel 1979) e i più recenti Curiosità rover – fornisce una densità di energia senza precedenti, il costo di tali missioni è proibitivo.
Inoltre, le missioni in situ potrebbero funzionare anche in luoghi in cui le celle solari convenzionali non funzionerebbero. Questi includono non solo le posizioni nel Sistema Solare esterno (es. Europa, Titano e Encelado) ma anche luoghi più vicini a casa. Il Polo Sud-Bacino di Aitken , ad esempio, è una posizione permanentemente in ombra sulla Luna che la NASA e altre agenzie spaziali sono interessanti da esplorare (e forse colonizzare) a causa dell'abbondanza di ghiaccio d'acqua lì.
Ma c'è anche la superficie di Venere, dove la luce solare è scarsa a causa della densa atmosfera del pianeta. Come ha spiegato Paolo nel corso del seminario:
“Cosa puoi fare con altri sistemi di alimentazione in luoghi in cui il sole non splende? Ok, allora vuoi arrivare sulla superficie di Venere e durare più di un paio d'ore. E penso che negli ultimi 10 o 15 anni, tutte le missioni che [sono state proposte] sulla superficie di Venere abbiano avuto una linea temporale di due ore. E quelli sono stati tutti proposti, nessuna di quelle missioni è stata effettivamente volata. E questo è in linea con le 2 ore in cui i lander russi sono sopravvissuti quando sono arrivati sulla superficie di Venere'.
Schema di un motore Sterling, parte della missione proposta in Europa ('Fire on Europa'). Credito: lpi.usra.edu
La soluzione a questo problema, per come la vede Paul, è impiegare un sistema di energia e alimentazione chimica immagazzinata (SCEPS), noto anche come motore Sterling. Questa tecnologia collaudata si basa sull'energia chimica immagazzinata per generare elettricità ed è tipicamente utilizzata nei sistemi subacquei. Ma riproposto per Venere, potrebbe fornire a una missione lander una notevole quantità di tempo (rispetto alle precedenti missioni di Venere) con cui condurre studi di superficie.
Per il sistema di alimentazione che Paul e i suoi colleghi stanno immaginando, il motore Sterling prenderebbe il litio metallico solido (o forse iodio solido) e poi lo liquefaceva con una carica pirotecnica. Questo liquido risultante verrebbe quindi alimentato in un'altra camera dove si combinerebbe con un ossidante. Ciò produrrebbe calore e combustione, che verrebbero quindi utilizzati per far bollire l'acqua, far girare le turbine e generare elettricità.
Tale sistema è tipicamente chiuso e non produce scarichi, il che lo rende molto utile per i sistemi subacquei che non possono compromettere la loro galleggiabilità. Su Venere, un tale sistema consentirebbe la produzione elettrica senza batterie di breve durata, una costosa cella a combustibile nucleare e potrebbe funzionare in un ambiente a bassa energia solare.
Un ulteriore vantaggio per un'imbarcazione del genere che opera su Venere è che l'ossidante sarebbe fornito localmente, eliminando così la necessità di un componente pesante. Semplicemente immettendo CO2 esterna – che l'atmosfera di Venere ha in abbondanza – e combinandosi con il litio (o iodio) liquefatto del sistema, il sistema SCEPS potrebbe fornire energia sostenuta per un periodo di giorni.
L'Advanced Lithium Ion Venus Explorer (ALIVE), derivato dal rapporto finale COMPASS (2016). Credito: Oleson, Steven R. e Michael Paul.
Con l'aiuto di I concetti avanzati innovativi della NASA (NIAC) e finanziamenti dal Tecnologia della temperatura di esercizio a caldo (HOTTech) – che è supervisionato dalla NASA Divisione di scienze planetarie – Paul e i suoi colleghi sono stati in grado di testare il loro concetto e hanno scoperto che era in grado di produrre calore prolungato che era sia controllabile che sintonizzabile.
Un ulteriore aiuto è venuto dal Glenn Research Center's BUSSOLA lab, gli ingegneri di più discipline eseguono analisi di sistemi di veicoli integrati. Da tutto questo, un concetto di missione noto come il Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE) è stato sviluppato. Con l'aiuto di Steven Oleson, il capo del laboratorio COMPASS di GRC, Paul e il suo team immaginano una missione in cui un lander raggiunge la superficie di Venere e la studia per 5-10 giorni.
Tutto sommato, si tratta di una finestra operativa compresa tra 120 e 240 ore, in altre parole, da 60 a 120 volte più lunga delle missioni precedenti. Tuttavia, resta da vedere quanto costerebbe una missione del genere. Secondo Paul, quella domanda divenne la base di un dibattito in corso tra lui e Oleson, che non era d'accordo sul fatto che potesse far parte del Programma di scoperta o il Programma Nuove Frontiere .
Come ha spiegato Paul, le missioni appartenenti al primo sono state recentemente limitate a un livello compreso tra $ 450 e $ 500 milioni, mentre le seconde sono limitate a $ 850 milioni. 'Credo che se lo facessi bene, potresti inserirlo in una missione Discovery', ha detto. 'Qui in APL, ho visto idee davvero complicate che si adattavano a un limite di costo di Discovery. E credo che il modo in cui abbiamo creato questa missione tu possa farlo per una missione Discovery. E sarebbe davvero eccitante riuscire a farlo'.
Rappresentazione artistica della superficie di Venere. Credito: ESA/AOES
Da un punto di vista puramente tecnologico, questa non è un'idea nuova. Ma in termini di esplorazione dello spazio, non è mai stato fatto prima. Certo, ci sono ancora molti test che dovrebbero essere condotti prima di poter pianificare una missione su Venere. In particolare, ci sono i sottoprodotti creati dalla combustione di litio e CO2 in condizioni simili a Venere, che hanno già prodotto alcuni risultati inaspettati durante i test.
Inoltre, c'è il problema del gas azoto (N2) – presente anche nell'atmosfera di Venere – che si accumula nel sistema, che dovrebbe essere sfiatato per evitare uno scoppio. Ma i vantaggi di un tale sistema sono evidenti e Paul ei suoi colleghi sono ansiosi di compiere ulteriori passi per svilupparlo. Quest'estate faranno un altro test di uno SCEPS al litio sotto l'occhio vigile della NAIC.
Entro questo periodo l'anno prossimo, sperano di aver completato la loro analisi e il loro progetto per il sistema, e di iniziare a costruirne uno che sperano di testare in un ambiente a temperatura controllata. Questo sarà il primo passo in quello che Paul spera sarà un periodo di tre anni di test e sviluppo.
'Il primo anno fondamentalmente faremo un sacco di calcoli numerici per assicurarci di averlo fatto bene', ha detto. “Il secondo anno lo costruiremo e lo testeremo a temperature più alte della temperatura ambiente, ma non alle alte temperature di Venere! E nel terzo anno, faremo il test ad alta temperatura'.
In definitiva, il concetto potrebbe essere fatto funzionare in qualsiasi numero di condizioni di alta e bassa temperatura, consentendo missioni di lunga durata convenienti in tutti i tipi di ambienti estremi. Questi includerebbero Titano, Europa ed Encelado, ma anche Venere, la Luna e forse anche le regioni permanentemente in ombra sui poli di Mercurio.
L'esplorazione dello spazio è sempre una sfida. Ogni volta che arrivano idee che rendono possibile il picco in più ambienti e con un budget per l'avvio, è tempo di iniziare a ricercarle e svilupparle!
Per saperne di più sui risultati dei test SCEPS e per maggiori informazioni sui sistemi proposti, consulta il Presentazione e registrazione audio del seminario FISO di questa settimana. Puoi anche dare un'occhiata alla presentazione intitolata ' Una centrale elettrica a combustione per l'esplorazione della superficie di Venere “, che Paul e Oleson realizzarono durante il 48a Conferenza Lunare e Planetaria (dal 20 al 24 marzo 2017).
Ulteriori letture: FISO