Вчені змоделювали, як це – зануритися на Уран

За допомогою високотемпературного плазмового тунелю вчені з’ясували, як це – зануритися в глибини Урана.

Звичайно, ми знаємо, що там буде смердіти; але є й інші міркування, які необхідно враховувати при розробці зонда, здатного витримати суворі умови. Тому вчені змоделювали атмосферні умови далекого крижаного гіганта Сонячної системи та його майже близнюка Нептуна напередодні місій на ці дві планети, які можуть одного дня відбутися.

“Проблема полягає в тому, що будь-який зонд зазнає впливу високих тисків і температур, а отже, потребує високоефективної системи термозахисту, щоб витримати перебування в атмосфері протягом корисного часу”, – пояснює інженер з аеротермодинаміки Луїс Волпот з Європейського космічного агентства.

“Щоб розпочати розробку такої системи, нам потрібно спочатку адаптувати існуючі європейські випробувальні установки, щоб відтворити відповідні атмосферні склади і швидкості”.

Вхідний експеримент у плазмовій аеродинамічній трубі PWK1 в Штутгартському університеті. (ЄКА)

Дослідження нашої Сонячної системи далеке від завершення. Ми вже встигли побувати на Марсі, а зонди навколо Сатурна і Юпітера перевернули наші уявлення про газових гігантів.

Ми відправили космічні апарати на Меркурій і Венеру. Але найкраще дослідження Урана і Нептуна було здійснено у 1980-х роках за допомогою “Вояджера-2”.

Отже, ми багато чого не знаємо про ці дві загадкові зовнішні планети. І вчені з НАСА та ЄКА дедалі наполегливіше вимагають відправити туди місію, щоб ми могли почати заповнювати деякі з цих кричущих прогалин у знаннях.

Ці два крижані гіганти дуже схожі один на одного, але між ними є деякі інтригуючі відмінності, наприклад, різниця у відтінках, зумовлена розподілом газів у їхніх атмосферах.

Крім того, їхні атмосфери дуже відрізняються від атмосфер Сатурна та Юпітера, тому останні не можна використовувати як аналог для розуміння того, як ці відмінності проявляються.

Уран і Нептун: такі схожі, але й такі різні. (NASA)

Вчені хотіли б відправити атмосферні зонди, подібні до зонду входу в атмосферу, який місія НАСА “Галілео” відправила на Юпітер, щоб дослідити атмосферу крижаних гігантів зсередини. Але для того, щоб проводити вимірювання і передавати дані додому, на Землю, такі зонди повинні витримувати умови, в які їх відправляють.

Такий зонд подорожуватиме зі швидкістю до 23 кілометрів (14,3 милі) на секунду, що призведе до високих температур, коли він пролітатиме крізь атмосфери планет.

Отже, міжнародна команда вчених з Великої Британії, Європейського космічного агентства та Німеччини створила субмасштабний вхідний зонд, подібний до зонда “Галілео”, і використала два різних об’єкти для відтворення умов: тунель T6 “Сталкер”, гіперзвукову плазмову установку Оксфордського університету у Великій Британії, та плазмові аеродинамічні труби Групи діагностики високотемпературних потоків Штутгартського університету.

Вони створили атмосферні аналоги, використовуючи суміші газів, подібні до тих, що є на Нептуні та Урані, і піддали свій зонд еквівалентним швидкостям до 19 кілометрів на секунду. Потім зонд виміряв конвективний тепловий потік через його поверхню.

Модель зонда “Галілео” у масштабі 1:10 під час вхідних випробувань у тунелі T6 “Сталкер”. (Оксфордський університет)

“Тунель [Сталкер] здатний вимірювати як конвекційний, так і радіаційний тепловий потік, і критично важливо забезпечити необхідні швидкості потоку для відтворення входу в крижаний гігант зі слідами CH4 [метану]”, – пояснює Волпот.

“Сам тунель працює за допомогою привода з вільним поршнем, який може бути з’єднаний з кількома різними компонентами нижче за течією, щоб стати ударною трубою, відбитим ударним тунелем або розширювальною трубою. Така адаптивність дозволяє проводити широкий спектр випробувань – від субмасштабних модельних випробувань до дослідження фундаментальних процесів високошвидкісних течій”.

Тим часом, плазмовий тунель в Штутгарті є єдиним у світі об’єктом, який може створити умови, необхідні для вивчення впливу абляції і піролізу на захист космічних апаратів.

Тепер, коли експерименти були успішно проведені, дослідники можуть використовувати отриману інформацію для розробки датчиків, які вимірюватимуть атмосферу крижаних гігантів, коли вони занурюватимуться в таємничі глибини. Урана.