Evropská sonda EnVision má provádět optické, spektrální i radarové mapování sesterské planety naší Země. Jenže než se tahle sonda o velikosti dodávky dostane do práce, bude muset provádět takzvaný aerobraking – snižování své oběžné dráhy pomocí tisíců průletů skrz horkou a hustou atmosféru planety Venuše, což potrvá zhruba dva roky. Evropská kosmická agentura ESA nyní na svém jedinečném testovacím středisku ověřuje vlastnosti kandidátských materiálů. Testuje u nich, zda dokáží bezpečně odolávat popsanému náročnému procesu „atmosférického surfování“.

„EnVision, jak je v současné době chystána, nemůže proběhnout bez této dlouhé fáze aerobrakingu,“ vysvětluje Thomas Voirin, manažer studie mise EnVision a dodává: „Sonda bude usazena na dráhu kolem Venuše o velké výšce – přibližně 250 000 kilometrů. Poté se ale potřebujeme dostat na polární dráhu ve výšce 500 kilometrů, kde začne vědecký průzkum. Tím, že poletíme na Ariane 62 si nemůžeme dovolit palivo navíc, které by nám umožnilo snížit oběžnou dráhu. Místo toho se sonda zpomalí opakovanými průlety skrz horní vrstvy atmosféry Venuše, kdy se dostane až do výšky pouze 130 km nad povrchem.“

Předchůdce sondy EnVision, evropská sonda Venus Express prováděla experimentální aerobraking v závěrečných měsících své mise v roce 2014, čímž získala cenné informace a zkušenosti s touto technikou. ESA jej v praxi uplatnila v roce 2017, kdy sonda TGO pomocí aerobrakingu během 11 měsíců snížila svou oběžnou dráhu kolem Marsu. „Aerobraking u Venuše však bude výrazně náročnější než v případě TGO. Začněme tím, že gravitace Venuše je výrazně vyšší než v případě Marsu. To znamená, že rychlosti, kterými bude EnVision prolétávat atmosférou, budou zhruba dvojnásobné oproti TGO. A teplo je generováno s třetí mocninou rychlosti. Právě proto musí EnVision zvolit mnohem mělčí proces aerobrakingu, což znamená, že jí to potrvá přibližně dvakrát tak dlouho,“ vysvětluje Voirin a dodává: „A aby toho nebylo málo, budeme také mnohem blíže ke Slunci. Sonda tak dostane přibližně dvakrát vyšší intenzitu slunečního záření než na Zemi. Hustá bílá oblačnost Venuše navíc odráží mnoho slunečních paprsků zpět do vesmíru, což se také musí při návrhu zohlednit. Kromě toho všeho, že jsme si uvědomili nutnost zohlednit při plánovaných tisícovkách průletů další faktor, který jsme doposud zažívali pouze na nízké oběžné dráze Země – vysoce erozivní atomární kyslík.“

Jedná se o fenomén, který během prvních desetiletí letů do kosmu zůstával skrytý a neznámý. Teprve až když se začátkem 80. letech 20. století začaly na Zemi vracet první mise raketoplánů, byli inženýři při poletových inspekcích v šoku – pokryvná vrstva zajišťující tepelnou izolaci byla silně erodovaná. Jako viník se ukázal právě atomární kyslík. Tento k životu nezbytný plyn se běžně vyskytuje v molekulách tvořených dvěma atomy kyslíku. Vysoce reaktivní atomární kyslík však tvoří pouze jediný atom kyslíku. Ten vzniká ve chvíli, kdy je dvouatomová molekula kyslíku zasažena silným ultrafialovým zářením ze Slunce a dojde k jejímu rozdělení. Dnes se již všechny mise, které mají fungovat níže než 1000 km nad Zemí, navrhují tak, aby odolávaly atomárnímu kyslíku. Namátkou to platí pro všechny družice sledující Zemi (třeba evropské Sentinely) nebo veškerý hardware vyvíjený pro Mezinárodní kosmickou stanici.

Spektrální pozorování jevu zvaného airglow, která prováděly dřívější sondy, potvrdila, že atomární kyslík je v horních vrstvách atmosféry Venuše (která je více než 90× hustší než pozemský vzduch) široce zastoupen. „Koncentrace je dost vysoká. U jednoho průletu by to nehrálo žádnou velkou roli, ale při více než tisícovce průletů už se to začíná hromadit a nakonec se dostaneme na úrovně, kdy vliv atomárního kyslíku musíme zohlednit. Bude to ekvivalent toho, co zažíváme na oběžné dráze Země, ovšem při vyšších teplotách,“ upřesnil Voirin. Doplňme ještě, že za vyšších teplot probíhají reakce rychleji a ochotněji.

Tým zodpovědný za vývoj mise EnVision se proto obrátil na špičkové pracoviště, které vybudovala agentura ESA za účelem simulace účinků atomárního kyslíku na oběžné dráze. Specializovaná laboratoř LEOX (Low Earth Orbit Facility) je součástí Laboratoře materiálů a elektrických součástek v technologickém středisku Evropské kosmické agentury ESTEC v Nizozemí. Materiálový inženýr Adrian Tighe z ESA vysvětluje: „LEOX vytváří atomární kyslík na energetických úrovních, které jsou ekvivalentem orbitální rychlosti. Přečištěný molekulární kyslík je vstříknut do vakuové komory s pulsujícím laserovým svazkem, který je na něj zamířený. Tím se kyslík promění v horké plazma, jehož prudké rozpínání je usměrněno kónickou tryskou. Kyslík se pak disociuje a vytvoří vysoce energetický paprsek atomárního kyslíku. Aby vše fungovalo spolehlivě, musí načasování laseru zůstat naprosto přesné na úrovni milisekund. Usměrňování proudu pak musí být měřeno s přesností v řádu tisícin milimetru. A to vše je potřeba dodržet během čtyři měsíce trvající aktuální kampaně. Není to poprvé, kdy se tato laboratoř použila k simulaci mimozemského prostředí. Už jsme dříve prováděli testování odolnosti kandidátských materiálů pro evropskou misi JUICE vůči atomárnímu kyslíku. Bylo to proto, že dálková pozorování naznačují, že by slabé atmosféry měsíců Europa a Ganymed mohly obsahovat atomární kyslík. Ovšem zvýšené teploty na EnVision při aerobrakingu představují dodatečnou výzvu. Laboratoř proto byla upravena, aby mohla řádně simulovat toto extrémnější prostředí, které u Venuše panuje.“

Široké spektrum materiálů a povrchových vrstev z různých částí sondy EnVision (od vícevrstvé izolace, přes části antény, po prvky sledovačů hvězd) se umístí na destičku, která bude vystavena fialově zářícímu svazku v laboratoři LEOX. Souběžně je tato destička ohřívána, čímž se napodobuje očekávaný teplotní tok až 350 °C. „Chceme se ujistit, že tyto části jsou odolné vůči opotřebení a také že si zachovávají své optické vlastnosti. To znamená, že nezačnou degradovat či tmavnout, což by způsobilo dominový efekt z hlediska tepelného chování celé konstrukce. Na palubě totiž budeme mít citlivé vědecké přístroje, které musí být udržovány při stanovené teplotě. Nepřijatelné jsou také další projevy materiálů – třeba odlupování nebo uvolňování plynů, což následně vede ke kontaminaci,“ doplňuje Voirin

Současná testovací kampaň je součástí širšího programu, který se zaměřuje na aerobraking EnVision. V jeho rámci se například zpracovávají databáze klimatu Venuše vytvořené z výsledků předešlých misí, aby bylo možné odhadnout lokální proměnlivost planetární atmosféry a díky tomu nastavit bezpečné limity pro EnVision. Výsledky z této testovací kampaně se očekávají na konci letošního roku.

Evropská mise EnVision bude realizována ve spolupráci s NASA, která dodá přístroj VenSAR (radar se syntetickou aperturou) a pro kritické fáze mise zajistí podporu sítě Deep Space Network. EnVision využije širokou paletu vědeckých přístrojů, aby provedla komplexní pozorování Venuše – od průzkumu vnitřního jádra planety až po horní vrstvy atmosféry. Díky tomu budou vědci moci lépe porozumět nejbližšímu sousedovi naší Země i tomu, proč se tato planeta, která byla kdysi dávno hodně podobná Zemi, vydala na jinou cestu vývoje a nyní se od naší planety tak výrazně liší. Mise EnVision byla vybrána k realizaci jakožto pátý projekt středního rozsahu podle metodiky Cosmic Vision. Start této sondy se momentálně plánuje na začátek 30. let.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…1/06/envision10/23345754-1-eng-GB/EnVision.png
https://www.esa.int/…/06/envision6/23343681-1-eng-GB/EnVision.png
https://www.esa.int/…/16958636-1-eng-GB/Shuttle_aglow_with_atomic_oxygen.jpg
https://www.esa.int/…/16958414-1-eng-GB/Atomic_oxygen_generator.jpg
https://www.esa.int/…/24380898-1-eng-GB/Samples_for_simulated_aerobraking.jpg
https://www.esa.int/…/24380988-1-eng-GB/Samples_seen_in_infrared.jpg
https://www.esa.int/…/24380943-2-eng-GB/Samples_exposed_to_atomic_oxygen.jpg