Her er en plan om at sende et rumfartøj til Venus, og få Venus til at betale for det

I 2005, Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) blev etableret med hjælp fra NASA for at vurdere, hvordan fremskridt inden for rumfartsteknologier kunne bruges til at lette missioner tilbage til Månen og videre. I 2006 FISO Working Group etablerede også FISO Telecon Series for at opsøge offentligheden og uddanne dem i spørgsmål vedrørende rumfartsteknologi, ingeniørarbejde, og videnskab.

Hver uge, Telecon Series afholder et seminar, hvor eksperter kan dele de seneste nyheder og udviklinger fra deres respektive områder. På onsdag, 19 april, i et seminar med titlen "An Air-Breathing Metal-Combustion Power Plant for Venus in situ Exploration", NASA-ingeniør Michael Paul præsenterede en ny idé, hvor eksisterende teknologi kunne bruges til at foretage længerevarende missioner til Venus.

For at opsummere historien om Venus-udforskning, meget få sonder har nogensinde været i stand til at udforske dens atmosfære eller overflade i lang tid. Ikke overraskende, taget i betragtning, at det atmosfæriske tryk på Venus er 92 gange, hvad det er her på Jorden ved havoverfladen. For ikke at nævne det faktum, at Venus også er den varmeste planet i solsystemet - med gennemsnitlige overfladetemperaturer på 737 K (462 °C; 863,6 °F).

Derfor var de få sonder, der rent faktisk undersøgte atmosfæren og overfladen i detaljer – som Venera-sonder og landingsrør fra sovjettiden og NASA's Pioneer Venus multiprobe – kun i stand til at returnere data i få timer. Alle andre missioner til Venus har enten taget form af orbitere eller bestået af rumfartøjer, der flyver forbi, mens de er på vej til andre destinationer.

Efter at have arbejdet inden for rumudforskning og rumfartsteknik i 20 år, Michael Paul er velbevandret i udfordringerne ved at rejse på missioner til andre planeter. I løbet af sin tid med John Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL), han bidrog til NASA's Contour og Stereo missioner, og var også medvirkende til lanceringen og de tidlige operationer af MESSENGER-missionen til Merkur.

Imidlertid, det var en undersøgelse på flagskibsniveau i 2008 – udført i samarbejde mellem JHUAPL og NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) – der åbnede hans øjne for behovet for missioner, der udnyttede processen kendt som In-Situ Resource Utilization (ISRU). Som han sagde under seminaret:

"Det år studerede vi faktisk en meget stor mission til Europa, som udviklede sig til den nuværende Europa Clipper-mission. Og vi studerede også en flagskibsmission til Saturn, specifikt til Titan. Titan-Saturn-systemets missionsundersøgelse var en rigtig øjenåbner for mig med hensyn til, hvad der kunne gøres, og hvorfor vi skulle lave en meget mere eventyrlig og mere aggressiv udforskning af in-situ visse steder."

Flagskibsmissionen til Titan var genstand for Pauls arbejde, siden han kom til Penn Sates Applied Research Laboratory i 2009. Under hans tid der, han blev en NASA Innovative Advanced Concepts Program (NIAC) Fellow for sin samskabelse af Titan Submarine. Til denne mission, som vil udforske Titans metansøer, Paul hjalp med at udvikle undervandsenergisystemer, der ville levere energi til planetariske landere, der ikke kan se Solen.

Efter at have vendt tilbage til JHUAPL, hvor han nu er Space Mission Formulation Lead, Paul fortsætter med at arbejde på in-situ koncepter, der kunne muliggøre missioner til steder i solsystemet, der udgør en udfordring. In-situ udforskning, hvor der er brug for lokale ressourcer til forskellige formål, præsenterer adskillige fordele i forhold til mere traditionelle koncepter, ikke mindst omkostningseffektivitet.

Overvej missioner, der er afhængige af Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators (MMRTG) - hvor radioaktive elementer som Plutonium-238 bruges til at generere elektricitet. Hvorimod denne type strømsystem – som blev brugt af Viking 1 og 2 landere (sendt til Mars i 1979) og den nyere Curiosity rover – giver uovertruffen energitæthed, omkostningerne ved sådanne missioner er uoverkommelige.

Hvad mere er, in-situ missioner kunne også fungere på steder, hvor konventionelle solceller ikke ville fungere. Disse omfatter ikke kun steder i det ydre solsystem (dvs. Europa, Titan og Enceladus), men også steder tættere på hjemmet. Sydpolen-Aitken-bassinet, for eksempel, er et permanent skygget sted på Månen, som NASA og andre rumbureauer er interessante i at udforske (og måske kolonisere) på grund af overfloden af ​​vandis der.

Men der er også overfladen Venus, hvor sollys er en mangelvare på grund af planetens tætte atmosfære. Som Paul forklarede i løbet af seminaret:

"Hvad kan du gøre med andre strømsystemer på steder, hvor solen bare ikke skinner? Okay, så du ønsker at komme til overfladen af ​​Venus og vare mere end et par timer. Og jeg tror, ​​at i de sidste 10 eller 15 år, alle de missioner, der [blev foreslået] til overfladen af ​​Venus havde stort set en to-timers tidslinje. Og de blev alle foreslået, ingen af ​​disse missioner blev faktisk fløjet. Og det er i tråd med de 2 timer, som de russiske landere overlevede, da de kom dertil, til overfladen af ​​Venus."

Løsningen på dette problem, som Paulus ser det, er at anvende et Stored-Chemical Energy and Power System (SCEPS), også kendt som en Sterling-motor. Denne gennemprøvede teknologi er afhængig af lagret kemisk energi til at generere elektricitet, og bruges typisk i undervandssystemer. Men omvendt til Venus, det kunne give en landermission en betydelig mængde tid (sammenlignet med tidligere Venus-missioner) til at udføre overfladestudier.

For det magtsystem, Paul og hans kolleger forestiller sig, Sterling-motoren ville tage fast-metal lithium (eller muligvis fast jod), og derefter gøre det flydende med en pyroteknisk ladning. Denne resulterende væske ville derefter blive ført ind i et andet kammer, hvor den ville blive kombineret med et oxidationsmiddel. Dette ville producere varme og forbrænding, som så skulle bruges til at koge vand, spin turbiner, og generere elektricitet.

Et sådant system er typisk lukket og producerer ingen udstødning, hvilket gør det meget nyttigt for undervandssystemer, der ikke kan kompromittere deres opdrift. På Venus, et sådant system ville give mulighed for elektrisk produktion uden kortlivede batterier, en dyr nuklear brændselscelle, og kunne fungere i et miljø med lav solenergi.

En ekstra fordel for et sådant fartøj, der opererer på Venus, er, at oxidationsmidlet vil blive leveret lokalt, dermed fjerner behovet for en tung komponent. Ved blot at lukke CO2 ud – som Venus' atmosfære har i overflod – og kombinere med systemets flydende lithium (eller jod), SCEPS-systemet kunne levere vedvarende energi i en periode på dage.

Med hjælp fra NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC) og finansiering fra Hot Operating Temperature Technology (HOTTech) programmet – som overvåges af NASAs Planetary Science Division – var Paul og hans kolleger i stand til at teste deres koncept, og fandt ud af, at den var i stand til at producere vedvarende varme, der var både kontrollerbar og indstillelig.

Yderligere hjælp kom fra Glenn Research Centers COMPASS-laboratorium, hvor ingeniører fra flere discipliner udfører integrerede køretøjssystemer analyser. Fra alt dette, et missionskoncept kendt som Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE) blev udviklet. Med hjælp fra Steven Oleson – lederen af ​​GRC's COMPASS-laboratorium – forestiller Paul og hans team sig en mission, hvor en lander ville nå overfladen af ​​Venus og studere den i 5 til 10 dage.

Alt i alt, det er et driftsvindue på mellem 120 og 240 timer – med andre ord, 60 til 120 gange så lang tid som tidligere missioner. Imidlertid, hvor meget en sådan mission vil koste, er endnu uvist. Ifølge Paul, det spørgsmål blev grundlaget for en igangværende debat mellem ham selv og Oleson, der var uenige om, hvorvidt det ville være en del af Discovery-programmet eller New Frontiers-programmet.

Som Paulus forklarede, missioner tilhørende førstnævnte blev for nyligt begrænset til $450 til $500 millioner niveau, mens sidstnævnte er begrænset til $850 millioner. "Jeg tror, ​​at hvis du gjorde det rigtigt, du kunne få det til en Discovery-mission, " sagde han. "Her på APL, Jeg har set virkelig komplicerede ideer passe ind i et Discovery-omkostningsloft. Og jeg tror, ​​at den måde, vi lavede denne mission på, du kunne gøre dette til en Discovery-mission. Og det ville være rigtig spændende at få det gjort."

Ud fra et rent teknologisk synspunkt, dette er ikke en ny idé. Men med hensyn til udforskning af rummet, det er aldrig blevet gjort før. Indrømmet, der er stadig mange tests, der skal udføres, før en mission til Venus kan planlægges. I særdeleshed, der er biprodukter skabt ved forbrænding af lithium og CO2 under Venus-lignende forhold, som allerede gav nogle uventede resultater under tests.

Ud over, der er problemet med at nitrogengas (N2) – også til stede i Venus' atmosfære – opbygges i systemet, som skal udluftes for at forhindre en udblæsning. But the advantages of such a system are evident, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. Den her sommer, they will be doing another test of a lithium SCEPS under the watchful eye of NAIC.

By this time next year, they hope to have completed their analysis and their design for the system, and begin building one which they hope to test in a controlled temperature environment. This will be the first step in what Paul hopes will be a three-year period of testing and development.

"The first year we're basically going to do a lot of number crunching to make sure we got it right, " he said. "The second year we're going to built it, and test it at higher temperatures than room temperature – but not the high temperatures of Venus! And in the third year, we're going to do the high temperature test."

Ultimativt, the concept could be made to function in any number of high and low temperature conditions, allowing for cost-effective long-duration missions in all kinds of extreme environments. These would include Titan, Europa and Enceladus, but also Venus, the Moon, and perhaps the permanently-shadowed regions on Mercury's poles as well.

Space exploration is always a challenge. Whenever ideas come along that make it possible to peak into more environments, and on a budget to boot, it is time to start researching and developing them.