Scienty

Поиск внеземной жизни и изучение «сестры Земли» — основные цели перспективной автоматической миссии «Венера-Д» («Долгоживущая»). Значительная группа отечественных ученых трудится над подготовкой полета ко второй планете от Солнца. Где и с какой целью следует искать жизнь на Венере? Какие дополнительные сведения помогут получить запланированные исследования? Почему миссия получила название «Долгоживущая»? Подробности — в новой статье с комментариями научного руководителя Института космических исследований РАН, академика Льва Матвеевича Зеленого.

Уникальная задача

В советский период Венера была предметом активного изучения с помощью множества космических аппаратов. Впечатляющие результаты отечественных миссий привели к тому, что Венеру стали именовать «русской планетой». Последняя успешная посадка на эту планету, миссия «Вега-2», состоялась в 1984 году.

Миссия «Венера-Д» призвана углубить понимание Венеры, второй планеты от Солнца. Современное оборудование, отличающееся большей точностью и информативностью по сравнению с предыдущими поколениями, позволит получить новые сведения и детализировать имеющиеся данные.

Автоматическая станция «Венера-Д» будет включать орбитальный и посадочный аппараты, а также два аэростатных модуля. Запуск к планете запланирован на 2030-е годы. Для выведения станции на околоземную орбиту предполагается использовать ракету-носитель «Ангара-А5М».

«Выбор оптимального момента для старта миссии к Венере проще, чем для полета к Марсу. Наиболее эффективным является запуск аппаратов в период сближения с Венерой, что позволяет сократить расход топлива на достижение планеты. Следующий подходящий период ожидается в 2031–2032 годах, — сообщил научный руководитель проекта «Венера-Д» Лев Матвеевич Зеленый. — При разработке плана миссии необходимо учитывать два ключевых фактора: наличие подходящего момента для старта и готовность аппаратного комплекса, включая его испытания. Мы рассчитываем, что при реализации проекта «Венера-Д» нам удастся подготовить все необходимое к наступлению благоприятного периода для запуска, который позволит направить к Венере аппарат большей массы, оснащенный максимальным набором научного оборудования».

Параллельно с проектом «Венера-Д» к второй планете должны быть нацелены и несколько иностранных миссий — космические аппараты DAVINCI и VERITAS (США), Venus Orbiter Mission (Индия), EnVision (Европейское космическое агентство. Однако посадка на поверхность предусмотрена только в российской программе, остальные аппараты проведут измерения с орбиты или во время спуска в атмосфере. По мнению Л.М. Зеленого, несмотря на то, что атмосфера Венеры изучена достаточно подробно, о её поверхности известно немного. Именно поэтому работа посадочного модуля будет иметь большое значение.

В поисках баланса

Название нового проекта «долгоживущий» было выбрано не случайно: использование более современных материалов обеспечит увеличение срока службы аппаратов. В частности, аэростатные модули «Венеры-Д» впервые в истории рассчитаны на работу в атмосфере планеты приблизительно 20 дней. Для сравнения, их предшественники, запущенные в рамках советских миссий «Вега», функционировали всего 48 часов!

Положение дел с посадочным модулем представляется более перспективным. Первоначально предполагалось значительно расширить период работы оборудования на поверхности по сравнению с советскими миссиями, однако последующие расчеты продемонстрировали, что для реализации всего комплекса исследований потребуется прежнее время – два-три часа. Кроме того, аппарат потратит 50 минут на спуск, в процессе которого также будет осуществляться сбор научной информации.

«Существуют различные методы, позволяющие увеличить срок службы космических аппаратов, — уточнил Л.М. Зеленый. — Для решения этой задачи создаются специализированные теплоизоляционные материалы. Они непрерывно улучшаются, однако, по сути, эффективные разработки применялись в конструкции советских аппаратов еще несколько десятилетий назад. В период существования СССР было осуществлено десять мягких посадок на Венеру, и все эти модули функционировали на поверхности около двух часов. Это могло показаться небольшим сроком, поэтому изначально планировалось, что новый аппарат будет работать на Венере в течение суток. Однако расчеты продемонстрировали, что это не является оптимальным решением. Проблема заключается в том, что аппарат можно оборудовать высокоэффективной теплоизоляцией, обеспечивающей поддержание рабочей температуры внутри в течение нескольких дней. В таком случае в посадочном модуле не найдется достаточно места для всего комплекса научного оборудования, поскольку масса посадочного аппарата строго ограничена. Поэтому планирование миссии всегда подразумевает trade-off (англ. «компромисс». — Примеч. авт.): необходимо определить, каким образом распределить массу аппарата между техническим оборудованием, включая теплозащиту, и научными приборами. Вычисляется наилучшее соотношение, которое позволит аппарату функционировать достаточно продолжительное время для проведения всех запланированных научных измерений и при этом вместить на его борту максимально возможное количество оборудования. В результате проведенных расчетов был получен срок, сопоставимый с продолжительностью советских миссий – два-три часа. За отведенное время можно выполнить все запланированные исследования».

Для защиты оборудования посадочного модуля от суровых условий окружающей среды будет использована не только внутренняя и внешняя теплоизоляция, но и аккумулятор холода, интегрированный в конструкцию аппарата. Впоследствии, из-за перегрева, система будет автоматически деактивироваться.

«Мы увидим, как температура внутри устройства будет постепенно возрастать, и когда она достигнет определенного критического уровня (примерно 80–90 °C), оборудование начнет выходить из строя. На данный момент у нас нет электронных компонентов, способных функционировать продолжительное время при такой высокой температуре», — объяснил Л.М. Зеленый.

В облаках и не только

Основная задача, которую ученые намерены решить с помощью новой миссии, заключается в выяснении, существует ли жизнь на Венере?

Оптимальным местом для поиска живых организмов представляются кислотные облака Венеры. Температура и давление в нижних и средних слоях этих облаков сопоставимы с условиями, наблюдаемыми на поверхности Земли, при этом 20–25% воды присутствует в мелких атмосферных каплях, содержащих 75–80% серной кислоты. Прямые измерения подтверждают наличие хлора, серы и фосфора в нижнем слое облаков – элементов, необходимых для формирования клеток. Данная среда может быть вполне подходящей для существования микроорганизмов: даже на Земле в глубоких подземных слоях обитают активные бактерии. Их можно встретить и в сильно разреженных слоях атмосферы. Подобные организмы способны выживать, например, окисляя соединения серы и железа.

На поддержку данной гипотезы указывают два значимых открытия. Прежде всего, в верхних слоях венерианских облаков отмечается повышенная активность поглощения ультрафиолетового излучения. Характер вещества, ответственного за это поглощение, остается неясным, однако на Земле существуют бактерии, способные поглощать излучение в аналогичной области спектра. Кроме того, в 2020 году новость об обнаружении фосфина в венерианских облаках вызвала широкий резонанс в научном мире ( PH₃), поскольку данный объект может представлять собой результат метаболической деятельности микроорганизмов, исследования аппарата «Венера-Д» будут включать изучение неидентифицированного поглотителя ультрафиолетового излучения и поиск в атмосфере планеты различных газов, служащих биомаркерами.

Ученых также интересует изучение поверхности Венеры. Это связано с необычным наблюдением: на панорамных изображениях планеты, полученных советскими космическими аппаратами, часто можно заметить объекты, которые присутствуют на одних снимках, но отсутствуют на других, создавая впечатление изменения их положения. Ожидается, что изображения, сделанные посадочным модулем «Венера-Д», прояснят природу этих явлений.

«По словам разработчика, после посадки на планету аппарат должен будет создать высококачественные, четкие и детализированные снимки венерианской поверхности с высоким разрешением по времени Л.М. Зеленый. — Таким образом, если на поверхности планеты происходят какие-либо движения, которые, по нашему мнению, были заметны на снимках, сделанных советскими «Венерами», мы сможем наблюдать их с большей точностью и надежностью. Поскольку выводы, основанные на панорамах, полученных еще в 1970-е годы, всегда вызывают вопросы и критику. При этом стоит отметить, что даже тогда ученые А.С. Селиванов и Ю.М. Гектин из Российского научно-исследовательского института космического приборостроения создали для аппаратов программы “Венера” передовые телевизионные системы, опередившие свое время на 20–30 лет. Поэтому телевидение на аппаратах той эпохи отличалось высоким качеством и надежностью. В настоящее время используемые технологии будут еще более продвинутыми».

Непохожая «сестра» Земли

Венера представляет собой увлекательный объект для изучения. Например, ее атмосфера движется в 50 раз быстрее, чем сама планета. Этот феномен получил название суперротация. Также интерес исследователей вызывает экстремальный парниковый эффект.

Считается, что в первые миллиарды лет формирования Солнечной системы на Венере могли существовать подходящие условия для возникновения жизни. На планете, возможно, существовал океан. Однако затем эволюция Венеры приняла радикальный оборот. Постепенно океан начал испаряться. Вследствие этого в атмосфере Венеры увеличивалось содержание парниковых газов — водяного пара и углекислого газа, выделяемого вулканами. Со временем перегрев планеты достиг неуправляемой фазы, и Венера раскалилась до нынешних температур. При этом водяной пар со временем исчез из атмосферы, поскольку под действием солнечного излучения молекулы H₂O распались на ионы водорода и кислорода, а те унес в космическое пространство солнечный ветер, от которого Венера, в отличие от Земли, практически не защищена природным щитом в виде магнитного поля.

«На данный момент стало более или менее ясно, почему у Венеры отсутствует магнитное поле. Медленное вращение планеты вокруг своей оси является одной из причин (вероятно, основной), препятствующей развитию эффекта динамо внутри Венеры. Причина столь низкой скорости вращения до сих пор вызывает дискуссии, — добавил Л.М. Зеленый. — Планета вращается достаточно медленно, однако ее атмосфера нагревается под воздействием солнечного излучения, что приводит к ее ускорению и колебаниям. Когда солнечный свет нагревает определенную область атмосферы, газ в этой области начинает распространяться. В атмосфере формируются многочисленные образования, напоминающие ячейки, и часть вещества перемещается к ночной стороне планеты, другая – в направлении полюсов. Более детально, в меридиональных ячейках, расположенных в облачном слое, происходит движение к полюсам и к экватору (ячейки Хэдли), а крупная глобальная ячейка, отвечающая за перемещение с дневной на ночную сторону, находится над облаками в мезосфере.

Изучение сложной атмосферной динамики Венеры продолжается. Скорость суперротации связана с циклами солнечной активности, однако на нее влияют и другие факторы, а не только солнечные. Значительный вклад в исследование суперротации внесла недавняя европейская миссия «Венера-Экспресс», функционировавшая с 2006 по 2014 год. Российские ученые, преимущественно из ИКИ РАН, сыграли существенную роль в реализации этого проекта и выступили разработчиками экспериментов (спектрометры PFS и SPICAV/SOIR), и как соратники французских и шведских коллег (эксперименты VIRTIS, VMC, ASPERA). В настоящее время продолжается работа над анализом этих данных, в которой задействованы молодые сотрудники института».

Изучение истории Венеры и исследование ее эволюции помогут, среди прочего, понять, каким путем развивается и наша планета: существует ли для Земли угроза повторения сценария, произошедшего с ее «сестрой», если не остановить выбросы парниковых газов в атмосферу?

Программа «Венера-Д» предназначена для более детального изучения указанных характеристик планеты. Как подчеркнул Л.М. Зеленый, российские ученые в основном сосредоточены на поиске признаков жизни, поскольку другие аспекты исследования в значительной степени охватываются параллельными миссиями, реализуемыми зарубежными специалистами.

От орбиты до поверхности

Посадочный модуль «Венера-Д» будет оборудован несколькими камерами: основной, микроскопической и цветными панорамными. Это обеспечит возможность детального изучения поверхности планеты в точке посадки. На аппарат, имеющий массу приблизительно 800 кг, также планируется установить спектрометры различных типов, которые помогут определить состав поверхности (включая конкретные изотопы, в том числе радиоактивные, и минералы) на глубину до 0,5 м, провести поиск воды в недрах планеты и исследовать взаимодействие атмосферы с поверхностью.

Для решения ряда задач, в том числе для определения изотопного и элементного состава горных пород, посадочный модуль должен собрать образец грунта с поверхности планеты. Полученные образцы будут исследоваться самостоятельно внутри аппарата.

«В настоящее время ведется разработка грунтозаборного устройства. Конструкция будет достаточно сложной, так как необходимо будет транспортировать собранный материал из внешней среды с экстремальными температурами и давлением внутрь аппарата, где условия будут приближены к земным. В настоящее время рассматриваются различные варианты конструкций», — отметил Л.М. Зеленый.

Одновременно в кислотных облаках Венеры будут перемещаться два аэростатных модуля: на высоте 56 км — крупный (массой 15 кг), на уровне 54 км — малогабаритный (массой 4 кг). Предполагается, что они проведут отбор проб атмосферы, что позволит лучше понять природу неидентифицированного УФ-поглотителя. С помощью метеокомплексов оба аппарата будут изучать динамику венерианской атмосферы изнутри, распределение в ней тепловой энергии и изменения ключевых параметров. Кроме того, крупный модуль с помощью спектрометров будет анализировать состав облачного аэрозоля и изучать состав атмосферы, включая ее основные компоненты (угарный и углекислый газ, кислород, водяной пар и другие) и их изотопный состав. Малый же аппарат должен исследовать структуру облачного аэрозоля с помощью счетчика частиц и выявить возможную электрическую и сейсмическую активность с помощью радиочастотного и звукового детекторов. Энергией аэростатные модули будут питаться от солнечных батарей.

Орбитальный аппарат в рамках миссии также проведет всестороннее изучение атмосферы Венеры и частично — ее поверхности. Для этого модуль предполагается оборудовать комплексом камер и спектрометров. Среди поставленных перед аппаратом задач:

• создание первой в истории тепловой 3D-карты атмосферы планеты от поверхности до уровня 170 км;
• анализ динамики атмосферы (в том числе суперротации) и ее состава;
• исследование парникового эффекта;
• изучение УФ-поглотителя, его распределения в атмосфере;
• определение состава и структуры облаков;
• наблюдение за ионосферой Венеры — ее составом, взаимодействием с солнечным ветром, процессом «улетучивания» составляющих атмосферы в космическое пространство;
• выявление возможной вулканической активности на ночной стороне планеты и вероятной молниевой активности.

«Замечание прозвучало: «Правильно спроектированный орбитальный модуль способен функционировать на протяжении длительного времени Л.М. Зеленый. — Например, аппарат «Венера-экспресс» проработал восемь лет, а некоторые автоматические станции уже более двух десятилетий находятся на орбите Марса. Длительное наблюдение позволит продолжить тенденцию измерений, полученных предыдущими орбитальными аппаратами, и выяснить причины колебаний скорости вращения атмосферы Венеры».

Посадочный модуль также должен выполнить ряд исследований атмосферы в ходе спуска к поверхности Венеры. В частности, он может провести непосредственный химический анализ облачных аэрозолей.

Точность — выше, информации — больше

Показатели точности приборов научной аппаратуры, предназначенной для установки на посадочный модуль «Венеры-Д», значительно превосходят характеристики советских аналогов. Помимо этого, новые приборы позволят исследователям получить более обширный набор данных. Передача информации с посадочного аппарата и аэростатных модулей на Землю будет осуществляться с помощью орбитального аппарата.

«В настоящее время приборы обладают значительно большей информативностью по сравнению с предыдущими моделями. Необходимо обеспечить своевременную передачу всей собранной информации с места посадки на орбитальный аппарат, чтобы он мог успешно транслировать данные на Землю. Для этого требуется учитывать три ключевых фактора: проведение подробных, информативных измерений, передача собранных данных и поддержание рабочей температуры внутри посадочного аппарата в течение всего процесса — отметил Л.М. Зеленый. — Поскольку посадочный модуль не предполагает мобильности, отбор проб будет производиться из фиксированной точки. В связи с этим, нет необходимости в длительной эксплуатации аппарата. Наиболее важным является то, чтобы он успешно совершил посадку, зафиксировал окружающий ландшафт, собрал образцы грунта, провел их исследование и передал полученные данные на Землю. Для реализации этой задачи была создана новая технология, обеспечивающая быструю и информативную передачу данных с использованием передовых средств связи. Ключевым нововведением миссии «Венера-Д» является не усовершенствованная теплозащита, позволяющая продлить срок службы, а, напротив, высокопроизводительный информационный канал».

По словам Л.М. Зеленого, траектория полета орбитального аппарата будет рассчитываться с учетом необходимости синхронизации с посадочным модулем. Это будет происходить во время единственной четырехчасовой сессии связи с ним, а также с аэростатными модулями, в течение всего периода их функционирования.

Любопытство или безопасность?

Определение оптимальной точки посадки остается одной из задач, которые предстоит решить специалистам в рамках подготовки к миссии «Венеры-Д». Благодаря современным технологиям, аппарат можно будет доставить в заданный район планеты с погрешностью до 5 км, в то время как у советских миссий эта точность составляла 300 км).

«В настоящее время наши знания о Венере значительно расширились по сравнению с периодом Советского Союза. Аппараты того времени совершали посадку вслепую, пробиваясь сквозь облака и приземляясь практически в произвольной точке – поистине удивительно, что все посадки оказались успешными и посадочные модули не перевернулись. Точное место посадки определялось с погрешностью до нескольких сотен километров. Сегодня мы располагаем топографическими картами, созданными на основе данных радиолокационных исследований, полученных в ходе американской орбитальной миссии Magellan (NASA) благодаря данным, полученным в ходе исследований, проведенных советскими станциями «Венера-15» и «Венера-16» под руководством академика В.А. Котельникова, топография Венеры достаточно хорошо изучена, — отметил Л.М. Зеленый. — В настоящее время среди ученых существуют дискуссии о том, какая область планеты представляется наиболее перспективной для посадки и детального изучения. Выделяются более молодые участки поверхности, покрытые лавой в результате интенсивной вулканической активности: в целом поверхность Венеры значительно моложе по сравнению с другими планетами. Также рассматриваются тессеры – более древние области, характеризующиеся сложным и изрезанным рельефом, напоминающим мозаику или черепицу. Эти участки, образованные пересекающимися хребтами и грабенами, обычно считаются результатом тектонических деформаций, и их исследование имеет большую научную ценность. Тем не менее, посадка на тессеры затруднена из-за их изрезанного и изломанного рельефа. Поэтому сторонники более консервативного подхода предлагают выбрать для посадки более безопасную, хотя и менее интересную с научной точки зрения местность. Окончательное решение еще не принято. В целом, существующие технические возможности позволяют с высокой точностью осуществить посадку аппарата в любую точку планеты, выбранную научным комитетом».

В едином порыве к космической цели

«По словам эксперта, в реализации проекта задействованы представители почти всей российской научной среды Л.М. Зеленый. — Основную научную аппаратуру для миссии разрабатывает Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН). В подготовке миссии задействованы сотрудники атмосферной лаборатории и отдела ядерной планетологии нашего института. Также в работе участвуют Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, оказавший значительный вклад в подготовку запусков советских «Венер», Институт астрономии РАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова. Коллеги из Института физики Земли РАН проявляют интерес к особенностям внутреннего строения Венеры — и, как следствие, к причинам отсутствия эффекта “динамо”. Ученые из Института физики атмосферы РАН стремятся получить больше информации о причинах формирования сильного парникового эффекта на Венере, поскольку они исследуют этот эффект на Земле и планируют провести сопоставительный анализ. Совместно с Институтом прикладной физики РАН мы намерены провести экспериментальные исследования молний в атмосфере Венеры: на планете много вулканов, и их извержения зачастую связаны с накоплением атмосферного электричества. Это явление хорошо известно на Земле. Наконец, активно сотрудничает с нами Научный совет РАН по астробиологии, возглавляемый академиком Алексеем Юрьевичем Розановым. Мы полагаем, что главная задача нашей экспедиции — поиск внеземной жизни. Именно это новое открытие мы надеемся сделать и по-настоящему удивить человечество».

Источники

Комментарии Л.М. Зеленого

Информация, предоставленная Л.М. Зеленым

Институт космических исследований РАН. «Венера-Д»

Электронная версия Большой российской энциклопедии). Эффективная температура (в астрономии)

Электронная версия Большой российской энциклопедии). В.Г. Сурдин. Альбедо

Источники изображений в тексте: freepik / фотобанк Freepik, Николай Малахин / «Научная Россия», starline / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, Материалы получены из архивов ИКИ АН СССР и ИППИ АН СССР / предоставлены Л.М. Зеленым, слайды презентации Л.М. Зеленого / Российская академия наук, fanjianhua / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, balasoiu / фотобанк Freepik, Ольга Мерзлякова / «Научная Россия».