Comment la sonde DAVINCI de la NASA résistera aux conditions infernales de Vénus

Comme il se trouve que c'est notre voisin d'à côté, vous pouvez imaginer que nous avons une connaissance approfondie de la planète Vénus. Mais vous auriez tort. La NASA n'a pas visité la planète depuis plus de 30 ans, et il y a tellement de choses sur l'endroit que nous comprenons à peine, de son histoire géologique aux types de roches qui se trouvent à sa surface, qu'une grande partie de son environnement est essentiellement un mystère .

Les scientifiques pensent que Vénus ressemblait autrefois à la Terre , mais les deux ont divergé à un moment donné de leur évolution pour devenir les endroits très différents qu'ils sont aujourd'hui. Nous savons que Vénus a une atmosphère épaisse qui retient la chaleur et en fait la planète la plus chaude du système solaire. Et nous savons que sa surface est couverte de montagnes, de crevasses et de volcans, bien que nous ne sachions pas s'ils sont toujours actifs.

L'une des raisons pour lesquelles tant de choses restent inconnues sur Vénus est que son atmosphère épaisse cache la majeure partie de son terrain à la vue, et il est difficile de regarder à travers les couches de nuages ​​pour voir ce qu'il y a en dessous. Une autre raison est que c'est un endroit effrayant et inhospitalier. Entre ses températures de cuisson et son atmosphère épaisse et remplie d'acide, rien d'artificiel n'a survécu à sa surface plus de quelques minutes.

Mais si nous voulons en savoir plus sur cette mystérieuse planète voisine, nous devons la visiter. Et c'est exactement ce que la mission DAVINCI de la NASA prévoit de faire, en laissant tomber une sonde dans l'atmosphère pour prendre des mesures tout au long de sa chute à la surface. La mission, qui fera partie d' un trio de missions vers Vénus au cours de la prochaine décennie, devrait être lancée en 2029 et arriver à Vénus pour sa chute dans l'atmosphère en 2031.

Pour savoir comment construire une sonde pour résister à cet environnement infernal, et ce que nous pourrions en apprendre, nous avons parlé à deux membres de l'équipe DAVINCI : Jim Garvin, chercheur principal de la mission, et Mike Sekerak, ingénieur de projet systèmes.

Qu'en est-il de l'atmosphère de Vénus ?

Vénus représente une frontière de la science planétaire dont on sait très peu, compte tenu de sa proximité relative avec nous. Ce qui se passe sous la couche nuageuse supérieure est une question particulièrement intrigante.

"La caractérisation de l'atmosphère, du sommet des nuages ​​à la surface – cette grande atmosphère massive, dont 75% de la masse se trouve dans les 15 à 20 kilomètres inférieurs – est presque inexplorée", a déclaré Garvin.

Des sondes envoyées sur Vénus dans les années 1960 et 1970 ont tenté de recueillir des données sur l'atmosphère et ont eu un certain succès. Mais les mesures précédentes prises de l'atmosphère n'étaient pas fiables, en raison de problèmes physiques avec les sondes précédentes, comme des entrées bouchées et de la technologie limitée disponible. Cela a conduit à des lectures brouillées, dont Garvin dit: "Certaines d'entre elles n'ont pas de sens."

La basse atmosphère en particulier est à bien des égards un mystère. Il pourrait s'agir d'un fluide supercritique, dans lequel la température et la pression sont si élevées qu'il clapote comme un liquide. Il y a aussi la question de savoir comment les roches à la surface de la planète interagissent avec l'atmosphère.

Et étudier l'atmosphère et la surface pourrait aider à répondre à l'une des plus grandes questions que nous nous posons à propos de Vénus : avait-elle autrefois des océans d'eau liquide à sa surface, et si oui, que leur est-il arrivé ?

Deux grands défis

Vénus n'est pas un endroit accueillant pour une sonde : il fait deux fois plus chaud qu'un four et il y a plus de pression à la surface que d'être sous un kilomètre d'océan.

"Les défis techniques que nous avons ici sont assez excitants", a déclaré Sekerak. Le plus gros problème pour toute mission potentielle vers Vénus est la chaleur, car les températures de surface peuvent atteindre 900 degrés Fahrenheit (475 degrés Celsius). C'est assez chaud pour faire fondre le plomb, et ça fait des ravages dans l'électronique.

Ce n'est cependant qu'une partie du défi environnemental. "La pression, cependant, n'est pas loin derrière en termes de difficultés", a déclaré Sekerak. La pression à la surface est d'environ 95 bars, soit près de 100 fois la pression atmosphérique à la surface de la Terre, donc concevoir une sonde pour ce type d'environnement, c'est un peu comme construire un sous-marin.

Lorsqu'il sera largué dans l'atmosphère, DAVINCI se lancera dans une course contre la montre pour rassembler toutes les informations dont il a besoin avant que la chaleur et la pression ne détruisent ses composants. Pour garder la sonde active le plus longtemps possible, elle est sphérique et recouverte d'une épaisse coque en titane pour résister à la pression et isoler de la chaleur. Ensuite, il y a plus d'isolation à l'intérieur de cette coque, faite de matériaux spéciaux, dont l'astroquartz, un type de fibre fabriquée à partir de quartz fondu.

L'intérieur est également conçu pour maintenir les composants isolés thermiquement de l'extérieur, afin d'éviter que la chaleur ne soit transférée de la coque. Il est ensuite rempli de gaz carbonique pour protéger l'électronique haute tension des étincelles et pour empêcher tout gaz terrestre de s'infiltrer pendant le lancement.

Dans l'ensemble, la sonde, que l'équipe appelle la sphère de descente, mesure environ un mètre de diamètre. Il sera libéré d'un orbiteur avec un parachute pour ralentir sa descente, bien que l'atmosphère y contribue car elle est si épaisse qu'elle ressemble plus à la chute de la sonde dans l'eau que dans l'air.

Au total, il faudra 63 minutes à la sonde pour atteindre la surface, et pendant cette heure, elle collectera autant de données que possible avant d'être inévitablement détruite par l'environnement brutal.

Échantillonnage tout le long

La sphère de descente tombera à travers l'atmosphère et échantillonnera tout le long, pour construire une image de l'atmosphère du haut vers le bas.

À l'intérieur de la sphère se trouveront des instruments tels que des spectromètres, similaires aux instruments des rovers martiens Curiosity et Perseverance, qui peuvent mesurer la composition chimique des échantillons en examinant les longueurs d'onde de la lumière qu'ils absorbent. Mais contrairement aux rovers martiens, qui peuvent prendre des heures ou des jours pour collecter et analyser soigneusement un échantillon, DAVINCI devra effectuer son échantillonnage et son analyse en quelques minutes.

Il y a des soupapes d'admission à divers points de la sphère, avec des couvercles en céramique qui se détachent pour ingérer les gaz. Ces gaz doivent être analysés extrêmement rapidement, puis purgés afin de pouvoir prélever davantage d'échantillons. Cela permettra à la sonde d'obtenir l'aspect le plus détaillé à ce jour de la chimie de l'atmosphère dans toutes ses couches.

Pendant ce temps, d'autres capteurs de la sonde mesureront des facteurs tels que la température et la pression, pour aider à comprendre la structure de l'atmosphère. Ensuite, toutes ces données seront renvoyées à l'orbiteur avant que la sonde n'atteigne la surface.

La sonde est uniquement conçue pour échantillonner dans l'atmosphère et non pour atterrir. Mais quand il touchera la surface, il est possible qu'il survive. L'atmosphère épaisse et le parachute aideront à ralentir sa descente, mais "il frappera certainement à une vitesse qui est, euh, loin d'être idéale pour le matériel de vol spatial", a déclaré Sekerak en riant.

Si la sonde survit à l'atterrissage, cependant, la collecte de données peut durer jusqu'à 20 minutes avant que la chaleur ne pénètre à travers la sphère et ne fasse frire l'électronique. Et ce seront encore plus de données bonus sur la température et la pression de surface, ainsi que sur les gaz présents.

Comprendre la chimie de l'atmosphère n'est qu'une partie des objectifs de DAVINCI. L'autre partie, qui pourrait être la plus excitante pour le public, consiste à prendre des photos de la mystérieuse surface vénusienne.

Vénus à taille humaine

La sonde descendra "dans les montagnes de Vénus, dans une sorte de terrain qui n'a jamais été vu par l'humanité auparavant", a déclaré Garvin. Et l'équipe veut enregistrer cette expérience aussi bien visuellement que chimiquement.

La sphère de descente aura également une caméra qui capturera des images à contraste élevé de la surface, qui pourront ensuite être intégrées dans des cartes 3D.

Cependant, pour qu'une caméra fonctionne à l'intérieur d'une sphère métallique, vous avez besoin d'une fenêtre. Et le verre n'est pas un matériau idéal pour faire face à des environnements à haute pression intense. C'est pourquoi la vitrine de DAVINCI ne sera pas en verre mais en saphir.

"C'est littéralement un très, très gros morceau de saphir", a déclaré Sekerak. "Parce qu'il a de grandes propriétés optiques." Il est très solide mais aussi très clair, de sorte qu'il ne déformera pas les images prises à travers lui. Mais inévitablement, une fenêtre qui laisse entrer la lumière laissera également entrer plus de chaleur, c'est pourquoi les ingénieurs ont ajouté des matériaux à changement de phase autour de l'assemblage de la fenêtre. Ce matériau fond à une température spécifique pour absorber l'excès de chaleur de la fenêtre.

Cela permettra à la caméra de prendre des images claires et nettes lors de sa descente. Ceux-ci seront utilisés pour photographier le terrain de Vénus, de haut en bas jusqu'à la surface elle-même.

"Nos images finales auront une résolution de 10 centimètres", a déclaré Garvin. "C'est l'échelle que vous verriez dans votre salon."

En plus d'offrir une mine de données scientifiques, Garvin espère que la capture d'images à cette échelle aidera le public à se sentir comme s'il pouvait voir Vénus comme un lieu réel, et pas simplement comme un point à observer de loin.

"Nous voulons apporter la vision humaine et notre perception sensorielle à Vénus", a-t-il déclaré. "Nous commencerons à sentir Vénus à l'échelle humaine."

Tester l'inconnu

La partie la plus délicate d'une mission sur Vénus ne consiste même pas à relever les défis que nous connaissons, comme la température et la pression. Il essaie d'anticiper les défis qui pourraient survenir dans un environnement sur lequel nous avons si peu d'informations.

C'est pourquoi les tests et la préparation occuperont une place importante dans l'action de l'équipe DAVINCI au cours des sept prochaines années, en vue d'un lancement prévu en 20219.

"Nous effectuons des tests dans le pire des cas", a expliqué Sekerak. "Nous testons donc ce que pourrait être le pire environnement."

Par exemple, les chercheurs savent que les nuages ​​de Vénus contiennent des gouttes d'acide sulfurique – et l'acide sulfurique ronge les matériaux. C'est un souci particulier pour la longe Kevlar qui va attacher la sphère de descente au parachute. Donc, pour tester si la longe peut résister à l'environnement acide, les ingénieurs ne la suspendent pas simplement dans quelques gouttes d'acide – ils enduisent toute la surface d'acide, puis testent la force de traction de la longe pour s'assurer qu'elle peut survivre assez longtemps pour faire passer la sonde dans l'atmosphère même dans le pire des cas.

Quant à la façon dont vous testez le matériel dans des environnements si différents de la Terre, vous devez faire preuve de créativité. Pour voir combien de temps il faudrait pour que la sphère métallique se réchauffe, l'équipe l'a emmenée dans une fonderie de métaux. "Leur travail consiste à faire fondre le métal", a déclaré Sekerak. "Et nous avons mis notre instrumentation à l'intérieur pour nous entraîner à le chauffer, pour mesurer ce flux de chaleur."

L'idée est de créer suffisamment de marge dans chaque système critique pour permettre toutes les inconnues que la planète pourrait jeter sur la sphère. Garvin a expliqué : "Nous avons intégré… beaucoup de réflexion technique et de réduction des risques dans la façon dont nous procédons."

Cela affecte même la manière dont les données seront collectées. "Si nous passons une bonne journée sur Vénus, nous obtiendrons probablement 500 images de descente", a-t-il déclaré. "Si nous avons le pire jour absolu connu de l'humanité, nous en aurons probablement 35 en retour. Mais 35, c'est bien plus que ce dont nous avons besoin pour faire ce genre de cartographie. Bien sûr, plus d'images signifie plus d'informations, et c'est préférable car cela permet plus de science. Mais même dans les pires conditions, ils trouveront des informations inestimables.

Toujours quelque chose de nouveau à apprendre

Visiter Vénus est un énorme défi, même selon les normes ambitieuses des grandes missions spatiales. Mais le gain potentiel en termes de ce que nous pouvons apprendre est énorme.

En savoir plus sur Vénus sera fascinant en soi. Mais c'est aussi important pour notre compréhension des exoplanètes. Alors que des missions comme le télescope spatial James Webb découvrent et étudient de nouvelles planètes en dehors de notre système solaire, nous aurons besoin d'un point de référence pour les planètes rocheuses comme la Terre, Mars et Vénus.

Nous avons une compréhension assez solide des caractéristiques essentielles de la Terre et de Mars, et en ajoutant des données de Vénus, nous serons en mesure de mieux comprendre les planètes éloignées.

"Vénus va devenir un point d'étalonnage pour les types de grosses planètes rocheuses porteuses d'atmosphère que nous pourrons voir et comprendre avec Webb et les grands télescopes qui viennent au-delà", a déclaré Garvin.

Et bien sûr, il y a cet instinct des plus humains, celui d'apprendre, d'explorer et de voyager vers de nouveaux endroits. "C'est l'une des raisons pour lesquelles j'aime travailler sur ces missions d'exploration spatiale – nous allons dans un endroit dont nous ne savons pas grand-chose", a déclaré Sekerak.

Nous avons beaucoup appris sur la construction pour les environnements de la Terre et de Mars, et maintenant nous pouvons prendre une partie de ces connaissances et les appliquer à un endroit différent. Construire pour cet environnement étendra notre technologie, et le visiter avec une sonde peut commencer à percer certains de ses mystères. Comme l'a dit Sekerak, lors de la visite d'un nouvel environnement spatial, "il y a toujours quelque chose de nouveau que vous pouvez apprendre".