Нові космічні місії ESA: торкнутися Венери

Минулого разу ми розповіли про плани Європейського космічного агентства (ESA) на 2024-2025 роки. Тепер зануримося трошки глибше в майбутнє, адже в десятирічних планах європейців є вельми важливі для людства космічні місії до Венери. Можна навіть сказати, що друга планета від Сонця буде головним дослідницьким орієнтиром для астрономічних наукових кіл Європи та США. У період з 2029 до 2031-го туди збираються запустити одразу три космічні місії: DAVINCI (орієнтовний запуск 2029 року) і VERITAS (не раніше 2031-го), якими опікується NASA, та EnVision, за втілення якої відповідає ESA.

Запуск EnVision може стати не тільки ідеальною демонстрацією всієї потужності, на яку здатні нові ракети Ariane 6, але й надати найбільш повне уявлення про Венеру та її минуле, адже процеси, що якось загубили цей водний світ, можливо, колись почнуться і на нашій планеті.

Отже, розглянемо детально EnVision — одну з найамбітніших планетарних місій ESA у цьому десятиріччі.

Внесок NASA: модуль VenSAR

Проєкт з дослідження Венери за допомогою автоматизованого супутника-сканера офіційно оголосили 2021 року. Саме тоді обрали головний зонд місії EnVision — компактну наукову лабораторію, оснащену найсучаснішими системами для радіолокаційного картографування другої планети від Сонця.

EnVision є частиною більш глобальної програми ESA Cosmic Vision — своєрідного майстер-плану агентства з дослідження планет ближнього кола Сонячної системи.

За програмою місії, космічний апарат EnVision оперуватиме на полярній орбіті Венери протягом 15 місяців, і зосередиться на чотирьох ключових зонах. Деякі з них навмисне збігатимуться з зонами інтересу космічного корабля NASA Magellan, який працював на орбіті Венери з 1990 до 1994 року.

Космічна лабораторія EnVision буде оснащена відразу чотирма станціями (модулями), кожна з яких відповідатиме за свою наукову місію. Консультації ESA з NASA щодо наукового обладнання, яке мають встановити на EnVision, завершилися розподілом зобов’язань. Відтак NASA взяло участь у розробці модуля VenSAR — радара із синтезованою апертурою, проєктованого групою вчених під керівництвом Скотта Генслі з Лабораторії реактивного руху (JPL) у штаті Каліфорнія.

Модуль VenSAR космічного апарата EnVision виконуватиме різноманітні функції. Утім, топографічний мапінг поверхні та картографування, без сумнівів, виходять на перше місце. Радар працює у S-діапазоні, себто його робоча частота наближається до 3,2 ГГц.

Поверхова поляриметрія — один із методів картографування, запропонованих VenSAR. Він визначається у вимірі зміни поляризації електромагнітних хвиль, які віддзеркалюються від поверхні. Поляриметрія — своєрідне топологічне сканування поверхні за допомогою радара в наближених до атмосфери умовах, коли сигнали з довжиною хвилі ≈9,4 см мають найбільшу прохідність середовища.

Роздільна здатність зображення рельєфу, яке буде в змозі зробити VenSAR, сягатиме близько 10 м на піксель, що доволі деталізовано для орбітальної радарної зйомки.

За допомогою VenSAR зонд виконуватиме регіональне картографування Венери із можливістю зосередитися на певних зонах інтересу під час орбітального маневрування. Модуль також надаватиме дані радіометрії і скатерометрії (вимірювання інтерферометрії відображеного лазерного променя).

Радарна станція із синтезованою апертурою застосовує й методи стереовізуалізації, за яких можна досягти штучного посилення глибини — своєрідної ілюзії 3D-ефекту отриманого зображення. Методологія стає доступною завдяки постійному руху космічного апарата орбітою Венери, що змінює положення сканера між випромінюванням та прийомом сигналу. Цей інтервал між вимірюваннями (паралакс між радарними зображеннями) можна під час подальшого оброблення даних візуалізувати як одне глибоке зображення. Методологія стереовізуалізації використовується і при обробці звичайних супутникових фотознімків.

Інструменти, якими володітиме американський модуль VenSAR, прокладуть EnVision прямий шлях до можливості вести 3D-мапінг зон інтересу Венери в режимі майже реального часу (все-таки слід зважати на часові затримки у подальшій передачі отриманих даних на Землю). Серед інших цікавинок, які містить в собі SAR-станція, є опція альтиметрії (вимірювання висоти зонда) для допомоги вже у режимі орбітального керування.

Радар із синтезованою апертурою за спеціальним температурним каналом може відстежувати поступові зміни температури на поверхні Венери під час численних прольотів своїх маршрутних точок.

Venus SRS: можливість зазирнути під венеріанський ґрунт

Три інші наукові експерименти, якими оснастять космічний зонд EnVision, вироблені ESA. До їхньої розробки залучили провідних європейських фахівців у галузях астрономії та аерокосмічної інженерії з низки найсильніших наукових інститутів Старого Світу. Кожен із трьох модулів матиме власну зону відповідальності, яка буде розбита на спостереження за атмосферою (а саме за вмістом та міграцією діоксиду сірки), геологічними структурами та гравітаційним полем Венери.

За геологічні дослідження відповідатиме Venus Subsurface Radar Sounder (SRS) — другий прилад на EnVision, що є підповерхневим радарним ехолотом низької частоти. За своїм устроєм SRS — дипольна радарна антена, яка приймає сигнал у діапазоні 9-30 МГц. Концепція модуля спроєктована і втілена співробітниками Університету ді Тренто, Італія, під керівництвом Лоренцо Бруццоне. 

На відміну від SAR-радара, який оперує з відносно короткими хвилями до 10 см, SRS працюватиме у мегагерцовому діапазоні, коли довжина випромінюваної електромагнітної хвилі сягає від 10 до 100 м. Саме такі частоти радара дозволять науковому приладу SRS зануритися під венеріанську поверхню у пошуках кратерів та інших особливостей рельєфу, що можуть ховатися під товстим шаром планетарного ґрунту.

Робоча частота у 9 МГц має більшу проникливу здатність і надасть EnVision можливість зазирнути майже на 600 м вглиб венеріанського ґрунту (залежно від сканованої породи). Щоправда, при використанні такого типу сигналу доволі сильно впаде роздільна здатність візуалізованого зображення — вона становитиме ≈16 м/піксель. Використання хвиль меншої довжини на діапазонах 30 МГц прогнозовано призведе до зменшення ліміту заглиблення (до 350 м), але в кілька разів підвищить якість отриманих знімків — до 5 м на піксель.

Виходячи з цього, EnVision SRS буде здатен до двох основних типів досліджень. Зокрема, це високочутливі SRS Hi-density для отримання даних про найбільш цікаві зони інтересу Венери (~20% планети), та гірші за якістю SRS Low-density, які охоплять інші ~80% планети.

Тобто SRS буде орієнтований переважно на дослідження ударних кратерів (можливі поклади цінних металів), потоків лави (що можуть інформувати щодо внутрішнього устрою планети) та інших типів геологічних утворень, які найбільше цікавитимуть учених. 

Дослідження атмосфери: три детектори VenSpec

Venus Spectroscopy Suite (VenSpec) — науковий модуль для дослідження гірських порід Венери, який складається з трьох приладів: VenSpec-M, VenSpec-H і VenSpec-U. За їхньою розробкою стоять одразу три провідні європейські інститути.

• VenSpec-M — науковий прилад для визначення хімічного складу гірської породи Венери. Ця універсальна геологічна обсерваторія на борту EnVision подарує ESA шанс детально ознайомитися з типами породи та, що найважливіше, вивчити залишки елементів. Це може надати уявлення про геологічне минуле планети на мільйони років углиб. Експеримент VenSpec-M розроблений науковими співробітниками берлінського Інституту планетарних досліджень при Німецькому аерокосмічному центрі (DLR) під керівництвом Йорна Гелберта.
• VenSpec-H — це ультрафіолетовий спектрометр та інфрачервоний картограф для дослідження венеріанської атмосфери. Основним завданням VenSpec-H стане вивчення тропосфери, а також дослідження механізму вулканізації планети через незвичайну призму — вміст вулканічних газів у її атмосфері. Саме концентрація оксиду сірки (SO₂) та її співвідношення з залишками H₂O, які й досі наявні у венеріанській атмосфері, можуть дати уявлення про механізми процесів виникнення та розповсюдження вулканічних хмар. Проєктом керує доктор Анн Карін Вандале з Королівського бельгійського інституту космічної аерономії (BIRA-IASB).
• VenSpec-U (також називають VeSUV) — спектрометричний прилад, що дозволяє проводити моніторинг надлишку вулканічних сірчистих газів (SO, SO₂) у венеріанській атмосфері. За майже 40-річний період космічних досліджень було встановлено, що вміст SO₂ в атмосфері планети демонструє тенденцію до хвильових інтервалів, коли спочатку фіксується його великий викид у атмосферу, із поступовим зниженням протягом подальших десятків років.

Така циркуляція діоксиду вуглецю або може свідчити про потужну вулканічну активність, або ж є повільною циркуляцією самої атмосфери планети. Венеріанська атмосфера, можливо, виявиться схожою на океан, з десятирічними припливами і відливами колосальних сірчистих хмар. Крім цього, VenSpec-U здатний вимірювати ультрафіолетові контрасти за допомогою спектрального аналізу розсіяного сонячного світла, яке надходить на приймальний сенсор (тому ця технологія використовуватиметься виключно на денній стороні планети). 

Такий комплексний підхід EnVision гарантує здатність отримувати більше спектральних даних — необхідне різноманіття початкових змінних для подальшої побудови моделей уже на Землі. Прилад розроблено вченими з LATMOS (Laboratoire atmosphères, milieux, observations spatiales), головного аерокосмічного дослідницького хабу Версальського університету, Франція. Керує проєктом Еммануель Марк.

Сканер поверхневої гравітації RSE

Фінальним модулем EnVision є Radio Science Experiment (RSE), розроблений двома вченими з Нантського університету у Франції — Керолайн Дюмулен і Паскалем Розенблаттом. Лабораторія для виміру гравітації RSE буде здатна виявляти надчутливі коливання гравітаційного поля, які зонд постійно оновлюватиме, подорожуючи орбітою Венери, особливо пролітаючи повз її полюси.

За час своєї місії EnVision має накопичити достатню кількість даних сканування для побудови повноцінних гравітаційних мап північної і південної півкуль планети. З цієї точки зору місія EnVision стане доволі щасливим шансом, адже вимір поверхневої гравітації Венери із Землі видається дійсно важким завданням через те що планета надто наближена до Сонця, надважка маса якого викривлює її гравітацію. Натомість RSE буде значно ближче до поверхні планети, а низький ексцентриситет орбітального руху космічного корабля дозволить отримати дуже чутливі виміри гравітаційного поля.

Маючи картину гравітаційного поля, з одного боку, та дані топографії планети, отримані з VenSAR, можна буде скласти найбільш детальне уявлення про ядро Венери. А отже — і зазирнути у глибинні процеси, якими керується життя (якщо його можна так назвати) на планеті.

Попри свій неминучий фінал, EnVision буде здатна побачити Венеру на тих рівнях, куди ніколи б не дісталася людина. Задіяння повного циклу надпотужних сучасних технологій електромагнітного сканування надасть людству величезний масив даних, особливо що стосується еволюції цього, колись вологого, а зараз посушливого та зневодненого світу.

Запуск EnVision запланований на 2031 рік, якщо графіки не зазнають змін. Космічний апарат стартує за допомогою ракети-носія Ariane 6 (модифікації 62), в якої на той момент має накопичитися певний досвід після комерційних польотів чи наукових запусків.

Зазначимо, що попередні модифікації ракет серії Arian не змогли б виконувати місії на кшталт EnVision. Сама лишень стартова маса космічного корабля сягне 2607 кг. Додайте до цього ще 255 кг корисного вантажу з науково-експериментальним обладнанням, і стане зрозуміло, чому європейський космос планує подібні подорожі лише на наступне десятиріччя — носій спочатку необхідно добре випробувати. Відтак поява нових ракет подарує космічному сектору Європи унікальну можливість в дослідженні ближнього кола планет Сонячної системи.

Космічна місія EnVision стане лише першою з трьох мандрівок до Венери, запланованих на наступне десятиліття, і буде втілена спільними зусиллями NASA та ESA. Разом же ці три вояжі принесуть науковцям терабайти даних спостереження, які ляжуть в основу написання подальших наукових праць про венеріанську еволюцію в минулому та спостереження за її сучасними циклами.