Alla missione per esplorare Venere: la missione VADER

Immagine di Venere ottenuta dall'orbita. Credit: NASA

Immagine in ultravioletto di Venere ed il suo terminatore (confine tra emisfero illuminato dal Sole e quello in ombra). Scatto ottenuto dalla sonda europea Venus Express. ESA/MPS, Katlenburg-Lindau, Germany

L'idea del team prende il nome di VADER (Venus Atmosphere, Descent and Environmental Research), e si candida come missione di media categoria, per la classe "New Frontiers". L'obbiettivo è quello di esplorare la struttura dell'atmosfera venusiana, specialmente la parte bassa, difficilmente osservabile dall'orbita, e la geologia sulla superficie. La sonda passerebbe ben 60 minuti in una lenta discesa nell'atmosfera, analizzando in dettaglio ogni strato, rilevando dati sia riguardo alla chimica che alla dinamica atmosferica (temperatura, pressione, velocità dei venti, etc).
Durante la discesa saranno anche raccolte immagini ad alta risoluzione a diverse lunghezze d'onda.

La sonda è pensata per sopravvivere poi sulla superficie di Venere per l'incredibile durata di almeno 75 minuti! Rispetto a Marte vi sembrerà pochissimo, ma per le condizioni che deve sopportare una sonda robotica su Venere, è l'equivalente di secoli!

Queste immagini mostrano prima un panorama a colori ottenuto dalla sonda Venera 14 mentre in basso c'è un paragone tra la superficie vista dalla missione Venera 13 dove atterrò e quella vista in un'altro posto dalla Venera 14. Credit: Roscosmos/Don P. Mitchell/Donald Davis

La missione è nata dopo una lunga settimana di studi intensivi condotta durante una Scuola Estiva di Scienze Planetarie, nel 2012, presso il Jet Propulsion Laboratory, della NASA.

*Obbiettivi Scientifici:

L'obbiettivo è quello di studiare con strumenti molto più sofisticati e dettagliati l'atmosfera e la superficie del pianeta più simile al nostro tra tutti quelli che conosciamo. Certo, tutti siamo affezzionatissimi a Marte, e lo immaginiamo come la nostra futura seconda casa, ma è per le condizioni climatiche, non tanto per le caratteristiche planetarie. Venere ha più o meno la stessa grandezza della Terra, ha una composizione interna simile in termini sia di massa che di elementi, e ha un'atmosfera spessa come la nostra, con segni di tanta attività geologica anche relativamente recente nella sua storia. Detto questo però, Venere è radicalmente diversa in ogni altro aspetto. E non sappiamo quasi nulla di certo sul perché!

Mosaico globale dei dati radar ottenuti dalla sonda Magellan, che mostrano la superficie di Venere. Notate non solo i giganteschi vulcani ma anche i canali sono riusciti a scavare su tutto il pianeta. Credit: NASA/JPL

Mappa topografica della superficie di Venere ottenuta grazie alle rilevazioni fatte tra il 1990 ed il 1994 dalla sonda Magellan, della NASA. Credit: NASA/JPL/USGS

Tanto per fare un esempio, la sua superficie ha tutta meno di 500 milioni di anni e non abbiamo idea di cosa sia successo! Tutto il pianeta è completamente ricoperto di lava ed ex-vulcani giganti, ma non si sa esattamente cosa li abbia portati in superficie in così grande quantità. E non sappiamo ovviamente niente riguardo a com'era il pianeta in passato. Aveva oceani? aveva continenti? aveva...vita? Chi lo sa..
L'atmosfera di Venere poi, ha subito un cambiamento climatico radicale ad opera di un fenomeno chiamato "effetto sera". Vi suona famigliare? Dovrebbe, perché lo stesso processo fa parte anche del clima terrestre, ed è il modo in cui il pianeta sta arrivando ad un riscaldamento sempre maggiore negli ultimi decenni. Ma a Venere che successo? come mai è diventato questo inferno? Rischiamo che succeda anche alla Terra?

Quindi, la sonda : 1) Studierebbe la fisica e la chimica dell'atmosfera di Venere; 2) Studierebbe l'interazione tra l'atmosfera e la superficie per capire l'equilibrio radiativo, le dinamiche climatiche ed i cicli chimici; 3) Studierebbe la geofisica e la geochimica della crosta di Venere; 4) Studierebbe le proprietà fisiche dell'atmosfera dalla parte più alta fino alla superficie migliorando così anche il calcolo circa il pattern dei venti e la struttura 3D dell'atmosfera planetaria; 5) Studierebbe l'erosione meteorologica della crosta venusiana; 6) Cercherebbe segni geologici e chimici di passati cicli idrologici, oceani e ambienti passati favorevoli alla vita. A questo si aggiunge ovviamente anche la possibilità di avere tante immagini ad alta risoluzione di un mondo che per adesso abbiamo appena appena solo intravvisto dalle foto in bassa risoluzione delle sonde russe, Venera.

*Zona dell'Atterraggio :

Il team ha proposto come zona di studio i fianchi della Phoebe Regio. Si tratta di una regione particolarissima che ha segni evidenti sia di vulcanesimo che di attività tettonica passata. Si pensa sia una delle regioni con le rocce più antiche sul pianeta, probabilmente risalenti a prima dell'evento che ha completamente rimesso a nuovo la crosta di Venere, cancellando tracce del passato.

Vulcano poco a sud del confine della Phoebe Regio. I dati rilevati qui riguardano la temperatura del terreno. In rosso le zone più calde, in blu, le zone più fredde. In base ai minerali diversi, e alla diversa storia, il calore viene disperso in maniera differente. Credit: NASA

Immagine dell'intera Phoebe Regio e del grande canyon chiamato Devana Chasma. Credit: NASA

Ecco perché sarebbe così importante andare ad esplorare questa zona. Se abbiamo chance di trovare qualcosa su com'era il pianeta prima, sarà dalle prove geologiche conservate in sedimenti come questi. L'idea di andare sui fianchi del vulcano è data dalla speranza che parte del materiale crollato dalle regioni più alte sia finito in basso. quindi c'è la possibilità di esaminare in un sol colpo sia materiale basso che alto.

Questa regione non è stata scoperta da poco, ed è anzi una delle più studiate dal pianeta. E' già stata visitata da missioni passate, in particolare il lander russo Venera 13.

Parte della fiancata della Phoebe Regio, vista dalla sonda Venera 13. Credit: Roscosmos

Questo fatto offre anche una base di analisi preliminari da cui partire e a cui fare riferimento anche per notare eventuali cambiamenti atmosferici nella stessa regione, nell'arco di decenni.

*Strumenti Scientifici:

La missione VADER porterebbe con se quattro pacchi di strumenti per affrontare i suoi obbiettivi scientifici.
1) ACS (Atmospheric Composition Suite). Si tratta di un insieme di strumenti specifici per indagare sulla composizione atmosferica. Conterrà uno Spettrometro di Massa Neutrale (NMS), ed uno Spettrometro Laser Sintonizzante (TLS). Entrambi dovrebbero misurare i rapporti isotopici tra i vari gas nobili presenti e l'abbondanza di vapore acqueo e composti solforosi dalla parte più alta dell'atmosfera, fino alla superficie. Il NMS porterà anche un Raccoglitore Aerosol, per identificare rapidamente la composizione chimica delle particelle aerosol presenti nell'atmosfera venusiana.

2) IS (Imagin Suite). Si tratta dell'insieme di camere fotografiche di cui la sonda sarà dotata. Consisterà in tre camere visibili (sitecams) ed una camera dedicata alle immagini da ottenere durante la discesa. Le camere visibili avrebbero un campo di vista (FOV) di 124° x 124°, fornendo una completa vista panoramica, con una risoluzione angolare di 2.1 mrad per pixel, permettendo così alle camere di ottenere immagini dettagliate anche di oggetti fino ad 1cm in diametro, se abbastanza vicini. Le sitecams saranno montate sul perimetro del veicolo per riuscire ad ottenere immagini dell'immediata periferia del sito di atterraggio, fornendo così informazioni sulla geologia, morfologia e caratteristiche fisiche del terreno circostante. La camera per la discesa sarebbe ovviamente montata in fondo e scatterebbe immagini per raccogliere informazioni sulla struttura delle nuvole, fornendo anche un dati visivi sulla morfologia più vasta del sito dove la navicella andrà a posarsi. La camera mostrerà la zona in luce visibile permettendoci anche di cogliere differenze morfologiche a differenti scale e investigare eventuali segni geologici vasti riguardo a passati cicli idrologici.

Le indagini fatte dalla sonda Venus Express hanno mostrato un pianeta con un'atmosfera incredibilmente attiva e dinamica, e questi giganteschi vortici polari sono soltanto un esempio. Nuovi studi condotti sullo studio della morfologia delle nuvole la meteorologia del pianeta hanno portato a scoprire che ci sono molte più similitudini climatiche tra Venere e la Terra di quanto si potrebbe pensare. Credit: ESA

Immagine nel vicino infrarosso ottenuta dalla sonda Galileo, diretta verso Giove, durante il suo passaggio ravvicinato intorno a Venere il 10 Febbraio 1990. La navicella è arrivata a soli 100.000 km dal pianeta ed i suoi occhi a infrarossi hanno permesso di osservare in modo totalmente nuovo i vari strati di nuvole che compongono l'atmosfera di Venere. Il colore più rosso è rappresentato da dal calore radiato dall'atmosfera più bassa (tra 10 e 16 km). Le nuvole di acido solfidrico sono visibili in un colore molto più scuro e si trovano sopra. Notate inotlre come vicino all'equatore le nuvole si formano a blocchi e in maniera caotica, mentre vicino ai poli, si allungano in filamenti simili alle braccia di un uragano. Credit: NASA

Vortici polari al polo sud di Venere, Credit: NASA/JPL

3) SCS (Surface Composition Suite). Si tratta dell'insieme di strumenti per lo studio della composizione della superficie. Il "Surface Composition Suite" include uno Spettrometro LIBS (laser induced breakdown spectroscopy), un microscopio, uno spettrometro Raman, uno spettrometro a raggi gamma, ed un penetrometro. Gli spettrometri LIBS e Raman dovrebbero esaminare la composizione mineralogica e gli elementi chimici presenti. Il microscopio permetterebbe di ottenere dati sulle texture della superficie ed in particolare sulle caratteristiche dei granelli minerali più fini. Lo spettrometro a raggi gamma invece misurerebbe la radioattività degli elementi pesanti come Uranio, Torio e Potassio. Infine, il penetrometro misurerebbe le proprietà fisiche del terreno (durezza meccanica, resistenza, forza di compressione).

4) ADS (Atmospheric Dynamics Suite). Si tratta degli strumenti che studieranno le dinamiche atmosferiche e climatiche. Lo strumento ASI (Atmospheric Structure Instrument), sarà un insieme di termocoppie, barometri, accellerometri, neflometri oltre a radiometri spettrali. Questo insieme di strumenti servirà per misurare la variazione di temperatura, pressione, densità e velocità del vento durante la lunga discesa atmosferica. Il neflometro servirebbe per esaminare la luce diffusa dalle particelle nell'atmosfera, calcolando così la quantità di gocce presenti nelle nuvole e la distribuzione degli aerosol. I radiometri invece misurerebbero gli spettri visibili ed infrarossi per determinare la composizione atmosferica ed investigare il bilancio radiativo.

*Struttura, Design e Tecnologie per la Sonda

Quindi, tutto bellissimo ed interessantissimo, ma come si fa a farci sopravvivere questa sonda per così tanto tempo in un ambiente così ostile??? E qui arrivano le ingegnose idee ingegneristiche: Prima di tutto, la sonda avrà una struttura sferica particolare, basandosi anche sull'esperienza delle sonde passate, per riuscire a resistere meccanicamente alla compressione atmosferica e termicamente all'estrema temperatura, dissipandola al meglio. Tra le pareti della sonda ci saranno materiali particolari ricchi di H2O e LiNO3.3H2O, per riuscire a dissipare velocemente il calore e mantenere una temperatura costante per abbastanza tempo. La struttura di base ospiterebbe fino a 9 finestre per le fotocamere e per gli strumenti che hanno bisogno di assaggiare l'esterno per i loro studi.

Design e struttura della sonda VADER. Credit: P. Sharma et al. 2013

Il sistema di atterraggio sarebbe principalmente costruito intorno ai tre piedi resistentissimi ma con delle parti periferiche frammentatili, per assorbire meglio lo shock iniziale dell'impatto con la superficie. Il fondo della sonda sarebbe a circa 0.25 metri dalla superficie per riuscire ad evitare di picchiare contro sassi troppo grandi. Il basso centro di gravità della sonda dovrebbe riuscire a stabilizzarla in modo da farla stare nella posizione giusta a prescindere dal terreno, soddisfacendo così i requisiti di stabilità per la funzionalità.

In base ai modelli sviluppati da proposte passate, c'è un margine del 30% della massa previsto per la fonte energetica, il propellente e sistemi di comunicazione. Si pensa però che la massa totale della sonda, al lancio, dovrebbe aggirarsi intorno a 1.354 kg. La missione, secondo gli scienziati, dovrebbe creare un ritorno di circa 2 GB di dati scientifici utili entro la fine della sua vita. Può non sembrare molto rispetto ad altre missione, ma ricordate che stiamo parlando dell'inferno!

*Periodo di lancio e Costi.

Se dovesse essere accettata, la missione inizierebbe ad essere costruita nei prossimi anni, con l'idea di un lancio l'8 Luglio 2020, con una finestra di lancio di circa 20 giorni. La sonda impiegherebbe solo 108 giorni di viaggio dal lancio fino all'inizio delle procedure preliminari di entrata nell'atmosfera venusiana. Quattro giorni prima dell'entrata e la discesa, una manovra particolare cambierebbe la posizione della sonda Vader in modo da mantenerla in comunicazione con il satellite che la porterà, per almeno 135 minuti durante la discesa. Le attività previste durano 60 minuti durante la discesa e 75 minuti dalla superficie.

Architettura della missione VADER, dal suo lancio all'arrivo sulla superficie. Credit: P. Sharma et al. 2013

Il costo si aggira intorno ai 1,042 miliardi di dollari. Cioè poco sotto il massimo previsto per questo tipo di missioni, per la categoria a cui è candidata, che si aggira intorno ai 1,069 miliardi di dollari. Questa stima include anche una riserva rispetto a possibili imprevisti aumenti del costo, per un massimo del 50% del prezzo iniziale. La quantità è stata calcolata usando modelli del Team-X/JPL.

*La missione sa da fare?

La domanda è ovviamente se questa proposta andrà in porto oppure no. Intanto dovremmo aspettare e vedere la valutazione della comunità scientifica. La NASA, a cui questa missione è diretta, si trova in una situazione molto difficile per quanto riguarda gli investimenti nel campo dell'esplorazione spaziale, ma in teoria dovrebbe comunque decidere entro i prossimi anni su qualche missione della categoria New Frontiers puntare. Può anche darsi che si salti al decennio futuro direttamente, ed in quel caso vedremmo una nuova missione di questa categoria volare soltanto alla fine degli anni '20, inizio anni '30.
Il rischio ovviamente è di andare a creare un vuoto di missioni per tutto il decennio prossimo, se questo decennio non si inizia a lavorare ad alcuni concept.
Durante il Decadal Survey, cioè la lista di priorità stillata dalla comunità scientifica mondiale, Venere era tra le primissime richieste per essere studiata meglio. A questo si aggiunge la richiesta di una sempre più folta comunità di planetologi e geologi che vogliono veder aggiornare i dati riguardo a questo pianeta rimasto un po' nel dimenticatoio a favore del grande successo di Marte.

Ben 28 missioni sono state proposte per l'esplorazione di Venere, negli anni passati, nella categoria Discovery, quella inferiore per costo e difficoltà alla New Frontiers, ma nessuna di queste ce l'ha fatta ad arrivare alla fase dei finalisti. Credit: Nature

Non è facile dire se questa missione avrà o no una chance. Non è l'unica missione proposta per l'esplorazione di Venere e vedremmo nelle prossime settimane anche le altre concorrenti. Una delle idee più gettonate e di far volare un'orbiter nuovo con un sistema radar molto più avanzato di quello della sonda Magellan, per ottenere delle nuove mappe ad altissima risoluzione di tutta la superficie di Venere.
Starà alla NASA trovare i soldi e decidersi sulla priorità tra tutte le missioni, e starà alla comunità scientifica nel senso più largo cercare di capire su quale missione vuole puntare per quanto riguarda l'esplorazione di Venere.
L'idea di un lander è davvero affascinante, ed è indubbio che le indagini atmosferiche sarebbero preziosissime. Bisogna però capire se il ritorno di quei 2 GB di dati valgono 1 miliardo di dollari, specialmente in un tempo finanziariamente così ristretto. La missione ha sicuramente però dalla sua il fatto che è un design che si basa su tecnologie già consolidate ed avrebbe un basso rischio fallimento. Inoltre è anche vero che seppur pochi, quei dati sono imprescindibili per comprendere la storia di questo pianeta, e non si possono ottenere dall'orbita.
Sarà sicuramente una dura lotta.