In 2005, de Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) werd opgericht met de hulp van NASA om te beoordelen hoe de vooruitgang in ruimtevluchttechnologieën zou kunnen worden gebruikt om missies terug naar de maan en verder te vergemakkelijken. In 2006, de FISO-werkgroep heeft ook de FISO Telecon-serie opgericht om het publiek te bereiken en hen voor te lichten over kwesties met betrekking tot ruimtevaarttechnologie, Engineering, en wetenschap.

Elke week, the Telecon Series houdt een seminar waar experts het laatste nieuws en ontwikkelingen uit hun respectievelijke vakgebieden kunnen delen. Op woensdag, 19 april, in een seminar getiteld "Een luchtademende metaalverbrandingscentrale voor Venus in situ exploratie", NASA-ingenieur Michael Paul presenteerde een nieuw idee waarbij bestaande technologie zou kunnen worden gebruikt om missies van langere duur naar Venus te maken.

Om de geschiedenis van Venus-verkenning samen te vatten, zeer weinig sondes zijn ooit in staat geweest om de atmosfeer of het oppervlak lang te verkennen. Niet verrassend, gezien het feit dat de atmosferische druk op Venus 92 keer zo hoog is als hier op aarde op zeeniveau. Om nog maar te zwijgen van het feit dat Venus ook de heetste planeet in het zonnestelsel is - met gemiddelde oppervlaktetemperaturen van 737 K (462 ° C; 863,6 ° F).

Vandaar dat die paar sondes die de atmosfeer en het oppervlak in detail verkenden - zoals de Venera-sondes en -landers uit het Sovjettijdperk en NASA's Pioneer Venus-multiprobe - slechts enkele uren gegevens konden retourneren. Alle andere missies naar Venus hebben de vorm van orbiters aangenomen of bestonden uit ruimtevaartuigen die langsvluchten uitvoerden terwijl ze op weg waren naar andere bestemmingen.

Na 20 jaar op het gebied van ruimteverkenning en ruimtevaarttechniek te hebben gewerkt, Michael Paul is goed thuis in de uitdagingen van het opzetten van missies naar andere planeten. Tijdens zijn tijd bij het John Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL), hij heeft bijgedragen aan NASA's Contour- en Stereo-missies, en speelde ook een belangrijke rol bij de lancering en vroege operaties van de MESSENGER-missie naar Mercurius.

Echter, het was een onderzoek op vlaggenschipniveau in 2008 - uitgevoerd in samenwerking tussen JHUAPL en NASA's Jet Propulsion-laboratorium (JPL) - dat zijn ogen opende voor de behoefte aan missies die gebruik maakten van het proces dat bekend staat als In-Situ Resource Utilization (ISRU). Zoals hij tijdens het seminar zei:

"Dat jaar hebben we een zeer grote missie naar Europa bestudeerd die uitgroeide tot de huidige Europa Clipper-missie. En we bestudeerden ook een vlaggenschipmissie naar de Saturnus, specifiek naar Titan. Het onderzoek naar de Titan-Saturn-systeemmissie was een echte eye-opener voor mij in termen van wat er kon worden gedaan en waarom we op bepaalde plaatsen veel meer avontuurlijke en agressievere verkenning van in-situ zouden moeten doen."

De vlaggenschipmissie naar Titan was het onderwerp van Paul's werk sinds hij in 2009 bij Penn Sate's Applied Research Laboratory kwam. Tijdens zijn tijd daar, hij werd een NASA Innovative Advanced Concepts Program (NIAC) Fellow voor zijn co-creatie van de Titan Submarine. Voor deze missie die de methaanmeren van Titan zullen verkennen, Paul hielp bij het ontwikkelen van onderwaterkrachtsystemen die energie zouden leveren aan planetaire landers die de zon niet kunnen zien.

Teruggekeerd naar JHUAPL, waar hij nu de Space Mission Formulation Lead is, Paul blijft werken aan in-situ concepten die missies mogelijk kunnen maken naar locaties in het zonnestelsel die een uitdaging vormen. In-situ exploratie, waar lokale hulpbronnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt, biedt tal van voordelen ten opzichte van meer traditionele concepten, niet de minste daarvan is kosteneffectiviteit.

Overweeg een missie die afhankelijk is van multi-missie radio-isotopen thermo-elektrische generatoren (MMRTG) - waar radioactieve elementen zoals Plutonium-238 worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Terwijl dit type krachtsysteem - dat werd gebruikt door de Viking 1 en 2 landers (in 1979 naar Mars gestuurd) en de meer recente Curiosity rover - een ongeëvenaarde energiedichtheid biedt, de kosten van dergelijke missies zijn onbetaalbaar.

Bovendien, in-situ missies zouden ook kunnen functioneren op plaatsen waar conventionele zonnecellen niet zouden werken. Deze omvatten niet alleen locaties in het buitenste zonnestelsel (d.w.z. Europa, Titan en Enceladus) maar ook dichter bij huis. Het Zuidpool-Aitken-bekken, bijvoorbeeld, is een permanent beschaduwde locatie op de maan die NASA en andere ruimteagentschappen interessant vinden om te verkennen (en misschien te koloniseren) vanwege de overvloed aan waterijs daar.

Maar er is ook het oppervlak Venus, waar zonlicht schaars is vanwege de dichte atmosfeer van de planeet. Zoals Paul in de loop van het seminar uitlegde:

"Wat kun je doen met andere energiesystemen op plaatsen waar de zon gewoon niet schijnt? Oké, dus je wilt naar de oppervlakte van Venus gaan en het langer dan een paar uur volhouden. En ik denk dat in de laatste 10 of 15 jaar, alle missies die [werden voorgesteld] naar het oppervlak van Venus hadden een tijdlijn van ongeveer twee uur. En die werden allemaal voorgesteld, geen van die missies werd daadwerkelijk gevlogen. En dat komt overeen met de 2 uur die de Russische landers overleefden toen ze daar aankwamen, naar het oppervlak van Venus."

De oplossing voor dit probleem, zoals Paulus het ziet, is om een ​​Stored-Chemical Energy and Power System (SCEPS) te gebruiken, ook bekend als een Sterling-motor. Deze bewezen technologie is gebaseerd op opgeslagen chemische energie om elektriciteit op te wekken, en wordt meestal gebruikt in onderwatersystemen. Maar hergebruikt voor Venus, het zou een lander-missie een aanzienlijke hoeveelheid tijd kunnen geven (vergeleken met eerdere Venus-missies) om oppervlaktestudies uit te voeren.

Voor het energiesysteem bedenken Paul en zijn collega's, de Sterling-motor zou vast-metaal-lithium (of mogelijk vast jodium) gebruiken, en vervolgens vloeibaar maken met een pyrotechnische lading. Deze resulterende vloeistof zou dan in een andere kamer worden gevoerd waar het zou worden gecombineerd met een oxidatiemiddel. Dit zou warmte en verbranding produceren, die dan zou worden gebruikt om water te koken, spinturbines, en elektriciteit opwekken.

Een dergelijk systeem is typisch gesloten en produceert geen uitlaatgassen, wat het erg handig maakt voor onderwatersystemen die hun drijfvermogen niet in gevaar kunnen brengen. op Venus, een dergelijk systeem zou elektrische productie mogelijk maken zonder batterijen met een korte levensduur, een dure nucleaire brandstofcel, en zou kunnen functioneren in een omgeving met weinig zonne-energie.

Een bijkomend voordeel voor een dergelijk vaartuig dat op Venus werkt, is dat het oxidatiemiddel lokaal wordt geleverd, waardoor er geen zwaar onderdeel nodig is. Door simpelweg CO2 van buitenaf binnen te laten - die de atmosfeer van Venus in overvloed heeft - en te combineren met het vloeibare lithium (of jodium) van het systeem, het SCEPS-systeem zou gedurende een periode van dagen aanhoudende energie kunnen leveren.

Met de hulp van NASA's Innovative Advanced Concepts (NIAC) en financiering van het Hot Operating Temperature Technology (HOTTech)-programma - dat onder toezicht staat van NASA's Planetary Science Division - konden Paul en zijn collega's hun concept testen, en ontdekte dat het in staat was om aanhoudende warmte te produceren die zowel controleerbaar als afstembaar was.

Verdere hulp kwam van het COMPASS-lab van het Glenn Research Center, waren ingenieurs uit meerdere disciplines voert geïntegreerde voertuigsysteemanalyses uit. Van dit alles, een missieconcept dat bekend staat als de Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE) werd ontwikkeld. Met de hulp van Steven Oleson, het hoofd van GRC's COMPASS-lab, stellen Paul en zijn team zich een missie voor waarbij een lander het oppervlak van Venus zou bereiken en het gedurende 5 tot 10 dagen zou bestuderen.

Alles verteld, dat is een operationele venster van tussen de 120 en 240 uur – met andere woorden, 60 tot 120 keer zo lang als eerdere missies. Echter, hoeveel zo'n missie zou kosten valt nog te bezien. Volgens Paulus, die vraag werd de basis van een voortdurend debat tussen hem en Oleson, die het niet eens waren over de vraag of het deel zou uitmaken van het Discovery-programma of het New Frontiers-programma.

Zoals Paulus uitlegde, missies die tot de eerste behoorden, werden onlangs geplafonneerd op het niveau van $ 450 tot $ 500 miljoen, terwijl de laatste zijn afgetopt op $ 850 miljoen. "Ik geloof dat als je dit goed doet, je zou het in een ontdekkingsmissie kunnen krijgen, " zei hij. "Hier bij APL, Ik heb echt ingewikkelde ideeën zien passen binnen een Discovery-kostenplafond. En ik geloof dat de manier waarop we deze missie hebben gemaakt, je zou dit kunnen doen voor een ontdekkingsmissie. En het zou heel spannend zijn om dat voor elkaar te krijgen."

Puur technologisch gezien, dit is geen nieuw idee. Maar in termen van ruimteverkenning, het is nog nooit eerder gedaan. Toegekend, er zijn nog veel tests die moeten worden uitgevoerd voordat een missie naar Venus kan worden gepland. Vooral, er zijn de bijproducten die worden gecreëerd door lithium en CO2 te verbranden onder Venus-achtige omstandigheden, die tijdens tests al enkele onverwachte resultaten opleverde.

In aanvulling, er is het probleem van stikstofgas (N2) - ook aanwezig in de atmosfeer van Venus - dat zich ophoopt in het systeem, die zou moeten worden geventileerd om een ​​klapband te voorkomen. But the advantages of such a system are evident, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. Deze zomer, they will be doing another test of a lithium SCEPS under the watchful eye of NAIC.

By this time next year, they hope to have completed their analysis and their design for the system, and begin building one which they hope to test in a controlled temperature environment. This will be the first step in what Paul hopes will be a three-year period of testing and development.

"The first year we're basically going to do a lot of number crunching to make sure we got it right, " he said. "The second year we're going to built it, and test it at higher temperatures than room temperature – but not the high temperatures of Venus! And in the third year, we're going to do the high temperature test."

uiteindelijk, the concept could be made to function in any number of high and low temperature conditions, allowing for cost-effective long-duration missions in all kinds of extreme environments. These would include Titan, Europa and Enceladus, but also Venus, the Moon, and perhaps the permanently-shadowed regions on Mercury's poles as well.

Space exploration is always a challenge. Whenever ideas come along that make it possible to peak into more environments, and on a budget to boot, it is time to start researching and developing them.