Вчені розглядають можливість випромінювання енергії через атмосферу Венери

Кілька тижнів тому команда вчених з Каліфорнійського технологічного інституту оголосила, що їм вдалося передати на Землю енергію з орбітального супутника. Це було небагато енергії, але це показало, що це можливо. Згодом ми зможемо передавати енергію з сонячних супутників на Землю, роблячи сонячну енергію доступною майже скрізь і допомагаючи боротися зі зміною клімату. Але є ще одне потенційне застосування: живлення поверхневих зондів на Венері.

Про Венеру знають усі. Через надзвичайну спеку та нищівний атмосферний тиск він вбив кілька посадкових апаратів. Старий Радянський Союз відправив серію зондів на поверхню планети, і більшість із них зазнали невдачі. Найуспішнішим був Venera 13, який витримав трохи більше двох годин при 457 °C (855 °F) і піддався тиску 9,0 МПа (89 стандартних атмосфер).

Незважаючи на короткий, але значний успіх Венери 13, планета зберегла свої таємниці, і ми повертаємося на її поверхню, щоб розкрити їх. Ось чому NASA хоче відправити посадковий модуль на поверхню в рамках своєї місії DAVINCI+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging).

Але виникає питання про те, як забезпечити посадковий модуль на унікальній, підступній поверхні Венери, якщо припустити, що ми зможемо створити такий, який не легко піддасться несприятливим умовам Венери. Звичайні методи — сонячна енергія, батареї, радіоізотопні термоелектричні генератори — не справляються з цим завданням. Про це свідчить нове дослідження під назвою «Можливість випромінювання енергії через атмосферу Венери», опубліковане в журналі Acta Astronautica. Відповідний автор Ерік Брендон з Лабораторії реактивного руху.

«Найсучасніші технології космічної енергетики, що включають сонячні батареї, батареї та радіоізотопні термоелектричні генератори, не здатні працювати на поверхні Венери, обмежені високими температурами, високим тиском і корозійним середовищем», — пояснюють автори.

Венера знаходиться ближче до Сонця, але її густа атмосфера означає, що на поверхню не потрапляє багато сонячного випромінювання. Близько 75% сонячної енергії відбивається хмарами Венери, і лише близько 2,5% сонячного потоку, що падає на верхні шари атмосфери, досягає поверхні. Над хмарами надлишок сонячної енергії. Венера отримує вдвічі більше сонячного випромінювання у верхній частині своєї атмосфери, ніж Земля у верхній частині своєї атмосфери.

Чи можна цю рясну енергію використати сонячними колекторами над хмарами, а потім спрямувати на посадковий модуль/марсохід? Це повинно було б пройти через багато густих хмар. «Здійсненність такого підходу та інших пов’язаних концепцій місії обговорюється в цьому документі з точки зору атмосферного поглинання та розсіювання випромінюваної енергії», – йдеться в документі.

Передача енергії з одного місця в інше називається бездротовою передачею енергії (або потужності). Існує два типи: ближнього та далекого поля. Близьке поле – це передача енергії на коротку відстань, подібна до типу, який використовується в зарядних панелях для мобільних пристроїв. Передача енергії в дальньому полі також називається енергетичним випромінюванням, і вона використовує мікрохвилі або лазери для передачі енергії від виробника до приймача.

Однією з проблем передачі енергії від орбітального сонячного колектора до наземного апарату є ускладнення на геостаціонарній орбіті Венери. Планета обертається настільки повільно, що геостаціонарна орбіта знаходиться на великій відстані від планети, що робить орбіту нестабільною. Так чи інакше, сонячний колектор повинен бути ближче до планети. Над верхніми хмарами, приблизно на висоті 60 або 70 км, колектор, по суті, отримуватиме все доступне сонячне світло. Розробка місії, можливо, повинна тримати збирач або групу збирачів на правильній висоті та положенні.

Альтернативним рішенням є передача частини енергії на посадковий модуль на кожній орбіті, цього може бути достатньо. «Сотні ват-годин (ват-годин) енергії можуть бути отримані протягом кількох орбітальних проходів посадкового модуля», — пояснюють автори.

Але це більші проблеми загальної архітектури місії. Це дослідження припускає, що існують розв’язання цієї проблеми. У цій роботі автори зосереджуються на тому, як випромінювати енергію та отримувати її, що до кінця не вивчено. «Однак на сьогодні не було проведено ретельного дослідження щодо можливостей передачі потужності на відповідних довжинах хвиль, якщо можна було б розробити та реалізувати відповідну платформу та архітектуру місії», — пишуть автори.

Проблема в тому, що атмосфера Венери щільна і містить хімічні речовини, які перешкоджають випромінюванню мікрохвиль. Особливу проблему становлять концентрації CO_2.

Лазери можуть бути кращим варіантом. Незважаючи на проблеми з щільною атмосферою, існують певні «частотні вікна» в атмосфері, які можуть дозволити потужне випромінювання за допомогою лазерів. «На Венері, незважаючи на безперервне хмарне покриття, може бути можливим енергетичне випромінювання через лазерні джерела, незважаючи на інтуїцію, враховуючи певні оптичні/інфрачервоні «вікна», присутні в атмосфері Венери, які недоступні за допомогою мікрохвильового випромінювання», — пишуть автори.

Лазери також мають інші переваги, як-от менше поширення променя порівняно з мікрохвилями. Це означає, що приймальні антени не повинні бути такими великими. Однометрового приймача може бути достатньо, і він не буде настільки громіздким, щоб надто заважати конструкції посадкового модуля.

Хоча сонячна енергія надто велика у верхній частині атмосфери Венери, передача її через всю атмосферу може бути не найкращим підходом. Натомість повітряна куля чи інший транспортний засіб може розташуватися поблизу середини атмосфери. Там він отримував би достатньо сонячної енергії, щоб бути можливим, і йому потрібно було б лише проміняти енергію через частину атмосфери.

Дослідження показують, що висота 47 км є значною. На цій висоті є нижня хмара, а під нею випромінювана енергія піддається меншому розсіюванню. Це також показує, що з 47 км найвищий коефіцієнт пропускання становить 1022 нанометри, де приблизно 20% енергії, що випромінюється, досягне наземного посадкового модуля.

«Ці розрахунки вказують на правдоподібний підхід до енергетичного випромінювання на Венері, використовуючи передачу з повітряної платформи, що працює поблизу хмарної бази», — пишуть автори.

Але чи існує технологія для цього? У документі не обговорюється, який тип транспортного засобу чи платформи можна використовувати на висоті 47 км. Вони зосереджуються на самій потужності випромінювання, і якщо розрахунки показують, що це можливо. Але вони також говорять про доступну лазерну технологію та про те, чи вона справляється із завданням.

За словами дослідників, ми ще не маємо потрібного типу лазера.

Проте дослідники зайняті їх розробкою. Волоконні лазери, леговані ітербієм (YDFL), які працюють у ближньому інфрачервоному діапазоні (NIR), які також можуть працювати на високій потужності, знаходяться в стадії розробки. На жаль, вони не працюють на ідеальній довжині хвилі для використання на Венері: 1022. Натомість вони обмежені двома іншими діапазонами: 970–980 нм і 1030–1100 нм. Але лазери є предметом інтенсивної уваги різних дослідників у всьому світі, і прогрес є стабільним.

Завдання утримувати якусь підйомну платформу стабільною та в правильному положенні є критично важливою для будь-якої місії з енергетичним випромінюванням. Але дослідники вже працюють над повітряними кулями та іншими літальними платформами для використання на Венері. Припускаючи, що їх можна розробити, автори впевнені, що сценарій потужного випромінювання зможе прийняти виклик і створити успішні місії на поверхню Венери.

«Крім того, незважаючи на те, що існують інженерні та проектні проблеми, пов’язані з керуванням і наведенням такої платформи літального апарату, яка використовується для енергетичного випромінювання та загального керування температурою, цей аналіз показує, що ці оптичні вікна можуть бути використані для забезпечення достатніх для місії рівнів потужності для бути спрямованим на поверхню Венери».

Нам потрібно краще зрозуміти атмосферу Венери, перш ніж можна буде спроектувати конкретну систему. DAVINCI+ має три головні наукові цілі, і одна з них полягає в тому, щоб зрозуміти атмосферу, коли вона подорожує крізь неї. Його знахідки допоможуть вченим зрозуміти, з якими перешкодами вони стикаються, випромінюючи потужність на поверхню планети. Якщо це вдасться зробити надійно, то Венера буде відкритою для дослідження. Джерело