Como a sonda DAVINCI da NASA resistirá às condições infernais de Vênus

Como é nosso vizinho, você pode imaginar que temos uma compreensão completa do planeta Vênus. Mas você estaria errado. A NASA não visita o planeta há mais de 30 anos, e há tanto sobre o lugar que mal entendemos, desde sua história geológica até que tipos de rochas estão em sua superfície, que muito de seu ambiente é essencialmente um mistério .

Os cientistas pensam que Vênus já foi como a Terra , mas os dois divergiram em algum ponto de sua evolução para se tornarem os lugares muito diferentes que são hoje. Sabemos que Vênus tem uma atmosfera espessa que mantém o calor e o torna o planeta mais quente do sistema solar. E sabemos que sua superfície está coberta de montanhas, fendas e vulcões, embora não saibamos se ainda estão ativos.

Uma razão pela qual tanto permanece desconhecido sobre Vênus é que sua espessa atmosfera esconde a maior parte de seu terreno da vista, e é difícil espiar através das camadas de nuvens para ver o que está por baixo. Outra razão é que é um lugar assustadoramente inóspito. Entre suas temperaturas de cozimento e sua atmosfera espessa e cheia de ácido, nada feito pelo homem sobreviveu em sua superfície por mais de alguns minutos.

Mas se quisermos saber mais sobre esse misterioso planeta ao lado, precisamos visitá-lo. E é exatamente isso que a missão DAVINCI da NASA planeja fazer, lançando uma sonda na atmosfera para fazer leituras até a superfície. A missão, que será uma de um trio de missões a Vênus na próxima década, está programada para ser lançada em 2029 e chegar a Vênus para sua queda na atmosfera em 2031.

Para descobrir como você constrói uma sonda para resistir a esse ambiente infernal e o que podemos aprender com isso, conversamos com dois membros da equipe DAVINCI: Jim Garvin, investigador principal da missão, e Mike Sekerak, engenheiro de projeto de sistemas.

O que há com a atmosfera de Vênus?

Vênus representa uma fronteira na ciência planetária sobre a qual muito pouco se sabe, considerando o quão relativamente próximo está de nós. O que está acontecendo abaixo da camada superior de nuvens é uma questão particularmente intrigante.

“A caracterização da atmosfera, desde o topo das nuvens até a superfície – essa atmosfera grande e massiva, com 75% de sua massa nos 15 a 20 quilômetros inferiores – é quase inexplorada”, disse Garvin.

Sondas enviadas a Vênus nas décadas de 1960 e 1970 tentaram coletar dados sobre a atmosfera e tiveram algum sucesso. Mas medições anteriores da atmosfera não eram confiáveis, devido a problemas físicos com sondas anteriores, como entradas entupidas e tecnologia limitada disponível. Isso levou a algumas leituras embaralhadas, das quais Garvin diz: “Algumas delas não fazem sentido”.

A atmosfera inferior, em particular, é de muitas maneiras um mistério. Pode ser um fluido supercrítico, no qual a temperatura e a pressão são tão grandes que se espalham como um líquido. Há também a questão de como as rochas na superfície do planeta interagem com a atmosfera.

E estudar a atmosfera e a superfície pode ajudar a responder a uma das maiores perguntas que temos sobre Vênus: já teve oceanos de água líquida em sua superfície e, em caso afirmativo, o que aconteceu com eles?

Dois grandes desafios

Vênus não é um lugar acolhedor para uma sonda: é duas vezes mais quente que um forno e há mais pressão na superfície do que estar sob um quilômetro de oceano.

“Os desafios técnicos que temos aqui são muito empolgantes”, disse Sekerak. O maior problema para qualquer missão potencial a Vênus é o calor, já que as temperaturas da superfície podem chegar a 475 graus Celsius. Isso é quente o suficiente para derreter chumbo, e causa estragos na eletrônica.

Essa é apenas uma parte do desafio ambiental. “A pressão, no entanto, não está muito atrás em termos de dificuldades”, disse Sekerak. A pressão na superfície é de cerca de 95 bar, ou quase 100 vezes a pressão atmosférica na superfície da Terra, então projetar uma sonda para esse tipo de ambiente é como construir um submarino.

Quando cair na atmosfera, o DAVINCI estará em uma corrida contra o tempo para reunir todas as informações necessárias antes que o calor e a pressão destruam seus componentes. Para manter a sonda ativa pelo maior tempo possível, ela é esférica e coberta por uma espessa camada de titânio para suportar a pressão e isolar contra o calor. Depois, há mais isolamento dentro dessa concha, feita de materiais especiais, incluindo o astroquartzo, um tipo de fibra feita de quartzo fundido.

O interior é projetado para manter os componentes isolados termicamente também do exterior, para evitar que o calor seja transferido do casco. Ele é então preenchido com gás dióxido de carbono para proteger a eletrônica de alta tensão de faíscas e impedir que quaisquer gases da Terra vazem durante o lançamento.

No geral, a sonda, que a equipe chama de esfera de descida, tem cerca de um metro de diâmetro. Ele será lançado de um orbitador com um pára-quedas para retardar sua descida, embora a atmosfera ajude nisso porque é tão espessa que é mais como deixar a sonda cair na água do que no ar.

No total, levará 63 minutos para a sonda chegar à superfície e, nessa hora, reunirá o máximo de dados possível antes de ser inevitavelmente destruída pelo ambiente brutal.

Amostragem até o fim

A esfera de descida cairá através da atmosfera e amostrará todo o caminho para baixo, para construir uma imagem da atmosfera de cima para baixo.

Dentro da esfera estarão instrumentos como espectrômetros, semelhantes aos instrumentos dos rovers de Marte Curiosity e Perseverance, que podem medir a composição química das amostras observando os comprimentos de onda da luz que elas absorvem. Mas, ao contrário dos rovers de Marte, que podem levar horas ou dias para coletar e analisar cuidadosamente uma amostra, o DAVINCI terá que fazer sua amostragem e análise em questão de minutos.

Existem válvulas de entrada em vários pontos sobre a esfera, com tampas de cerâmica que se quebram para ingerir gases. Esses gases precisam ser analisados ​​com extrema rapidez e, em seguida, liberados para que mais amostras possam ser coletadas. Isso permitirá que a sonda obtenha a visão mais detalhada da química da atmosfera em todas as suas camadas.

Enquanto isso está acontecendo, outros sensores na sonda medirão fatores como temperatura e pressão, para ajudar a entender a estrutura da atmosfera. Em seguida, todos esses dados serão enviados de volta ao orbitador antes que a sonda atinja a superfície.

A sonda é projetada apenas para amostrar para a atmosfera e não para pousar. Mas quando pousar na superfície, existe a possibilidade de sobreviver. A atmosfera espessa e o pára-quedas ajudarão a retardar sua descida, mas “definitivamente atingirá uma velocidade que é, uhh, menos do que ideal para equipamentos de voo espacial”, disse Sekerak com uma risada.

Se a sonda sobreviver ao pouso, porém, pode durar até 20 minutos de coleta de dados antes que o calor penetre na esfera e frite os componentes eletrônicos. E esses serão ainda mais dados de bônus sobre a temperatura e pressão da superfície, bem como os gases presentes.

Compreender a química da atmosfera é apenas uma parte dos objetivos da DAVINCI. A outra parte, que pode ser mais emocionante para o público, é tirar fotos da misteriosa superfície venusiana.

Vênus em escala humana

A sonda descerá “nas montanhas de Vênus, em um tipo de terreno que nunca foi visto pela humanidade antes”, disse Garvin. E a equipe quer registrar essa experiência visualmente e quimicamente.

A esfera de descida também terá uma câmera que capturará imagens de alto contraste da superfície, que podem ser construídas em mapas 3D.

Para uma câmera operar de dentro de uma esfera de metal, porém, você precisa de uma janela. E o vidro não é um ótimo material para lidar com ambientes de alta pressão. É por isso que a janela de DAVINCI não será feita de vidro, mas de safira.

“É literalmente uma peça de safira muito, muito grande”, disse Sekerak. “Porque tem ótimas propriedades ópticas.” É muito forte, mas também muito claro, por isso não distorce as imagens captadas. Mas, inevitavelmente, uma janela que permite a entrada de luz também permite a entrada de mais calor, então os engenheiros adicionaram materiais de mudança de fase ao redor do conjunto da janela. Este material derrete a uma temperatura específica para absorver o excesso de calor da janela.

Isso permitirá que a câmera tire imagens claras e nítidas durante a descida. Estes serão usados ​​para fotografar o terreno de Vênus, desde o alto até a própria superfície.

“Nossas imagens finais terão resolução de 10 centímetros”, disse Garvin. “Essa é a escala que você veria olhando pela sua sala de estar.”

Além de oferecer uma riqueza de dados científicos, Garvin espera que a captura de imagens nessa escala ajude o público a sentir que pode ver Vênus como um lugar real, não apenas um ponto a ser observado de longe.

“Queremos trazer a visão humana e nossa percepção sensorial para Vênus”, disse ele. “Vamos começar a sentir Vênus na escala humana.”

Teste para o desconhecido

A verdadeira parte complicada de uma missão a Vênus nem é lidar com os desafios que conhecemos, como a temperatura e a pressão. Está tentando antecipar quais desafios podem surgir de um ambiente sobre o qual temos tão poucas informações.

É por isso que os testes e a preparação serão uma grande parte do que a equipe DAVINCI fará nos próximos sete anos, em preparação para um lançamento programado para 20219.

“Fazemos testes de pior caso”, explicou Sekerak. “Então, testamos qual poderia ser o pior ambiente.”

Por exemplo, os pesquisadores sabem que as nuvens de Vênus contêm gotas de ácido sulfúrico – e o ácido sulfúrico corrói materiais. É uma preocupação particular para o cordão de Kevlar que prenderá a esfera de descida ao pára-quedas. Então, para testar se o talabarte pode suportar o ambiente ácido, os engenheiros não apenas o suspendem em algumas gotas de ácido – eles revestem toda a superfície com ácido e, em seguida, testam a força de tração do talabarte para garantir que ele possa sobreviver por tempo suficiente para leve a sonda pela atmosfera mesmo no pior caso possível.

Quanto à forma como você testa o hardware em ambientes tão diferentes da Terra, você precisa ser criativo. Para ver quanto tempo levaria para a esfera de metal aquecer, a equipe a levou a uma fundição de metal. “O trabalho deles é derreter metal”, disse Sekerak. “E colocamos nossa instrumentação lá dentro para praticar o aquecimento, para medir esse fluxo de calor.”

A ideia é construir margem suficiente em cada sistema crítico para permitir quaisquer incógnitas que o planeta possa lançar na esfera. Garvin explicou: “Construímos … muito pensamento de engenharia e redução de risco em como fazemos isso”.

Isso afeta até mesmo a maneira como os dados serão coletados. “Se tivermos um bom dia em Vênus, provavelmente teremos 500 imagens de descida”, disse ele. “Se tivermos o pior dia absoluto conhecido pela humanidade, provavelmente teremos 35 de volta. Mas 35 é muito mais do que precisamos para fazer esse tipo de mapeamento.” É claro que mais imagens significam mais informações, e isso é preferível, pois permite mais ciência. Mas mesmo com as piores condições, eles descobrirão informações valiosas.

Sempre algo novo para aprender

Visitar Vênus é um enorme desafio, mesmo para os padrões ambiciosos das grandes missões espaciais. Mas a recompensa potencial em termos do que podemos aprender é enorme.

Aprender sobre Vênus será fascinante por si só. Mas também é importante para a nossa compreensão dos exoplanetas. À medida que missões como o Telescópio Espacial James Webb descobrem e investigam novos planetas fora do nosso sistema solar, precisaremos de um ponto de referência para planetas rochosos como Terra, Marte e Vênus.

Temos uma compreensão bastante sólida das características essenciais da Terra e de Marte e, adicionando dados de Vênus, seremos capazes de entender planetas distantes muito melhor.

“Vênus se tornará um ponto de calibração para os tipos de planetas grandes, rochosos e com atmosfera que poderemos ver e entender com Webb e os grandes telescópios que vêm além”, disse Garvin.

E, claro, há aquele instinto mais humano, para aprender e explorar e viajar para novos lugares. “Esta é uma das razões pelas quais eu amo trabalhar nessas missões de exploração espacial – estamos indo para algum lugar sobre o qual não sabemos muito”, disse Sekerak.

Aprendemos muito sobre a construção para os ambientes da Terra e de Marte, e agora podemos pegar um pouco desse conhecimento e aplicá-lo em algum lugar diferente. Construir para esse ambiente aumentará nossa tecnologia, e visitá-lo com uma sonda pode começar a desvendar alguns de seus mistérios. Como disse Sekerak, ao visitar um novo ambiente espacial, “sempre há algo novo que você pode aprender”.