ESA's EnVision-missie naar Venus zal optische, spectrale en radarbeelden van de zusterplaneet van de aarde uitvoeren. Maar voordat het aan het werk gaat, moet het ruimtevaartuig ter grootte van een busje "aerobrak" - zijn baan verlagen met duizenden passages door de hete, dikke atmosfeer van de planeet gedurende maximaal twee jaar. Een unieke ESA-faciliteit test momenteel kandidaat-ruimtevaartuigmaterialen om te controleren of ze dit uitdagende proces van atmosferisch surfen veilig kunnen weerstaan.

"EnVision zoals het momenteel is bedacht, kan niet plaatsvinden zonder deze lange fase van aerobraking", legt ESA's EnVision-onderzoeksmanager Thomas Voirin uit.

"Het ruimtevaartuig zal op zeer grote hoogte in de baan van Venus worden geïnjecteerd, op ongeveer 250.000 km, dan moeten we naar een polaire baan van 500 km hoogte gaan voor wetenschappelijke operaties. Als we op een Ariane 62 vliegen, kunnen we ons niet al het extra drijfgas veroorloven het zou nodig zijn om onze baan te verlagen. In plaats daarvan zullen we onszelf vertragen door herhaalde passages door de bovenste atmosfeer van Venus, die zo laag als 130 km van het oppervlak komen."

EnVision's voorganger, Venus Express, voerde tijdens de laatste maanden van zijn missie in 2014 experimentele aerobraking uit en verzamelde waardevolle gegevens over de techniek. Aerobraking werd in 2017 voor het eerst operationeel gebruikt door ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) om zijn baan rond de Rode Planeet over een periode van 11 maanden te verlagen.

Thomas merkt op:"Aerobraking rond Venus zal veel uitdagender zijn dan voor TGO. Om te beginnen is de zwaartekracht van Venus ongeveer 10 keer hoger dan die van Mars. Dit betekent dat snelheden die ongeveer twee keer zo hoog zijn als voor TGO zullen worden ervaren door het ruimtevaartuig bij het passeren van de atmosfeer - en warmte wordt gegenereerd als een kubus van snelheid. Dienovereenkomstig moet EnVision zich richten op een lager aerobraking-regime, wat resulteert in een aerobraking-fase die twee keer zo lang is.

"Bovendien zullen we ook veel dichter bij de zon zijn en ongeveer het dubbele van de zonne-intensiteit van de aarde ervaren, met de dikke witte wolken van de atmosfeer die veel zonlicht weerkaatsen, rechtstreeks terug naar de ruimte, wat bovendien moet worden Bovendien realiseerden we ons dat we rekening moesten houden met een andere factor over de duizenden banen die we voor ogen hebben, die voorheen alleen in een lage baan om de aarde werden ervaren:zeer erosieve atomaire zuurstof."

Dit is een fenomeen dat in de eerste decennia van het ruimtetijdperk onbekend bleef. Pas toen vroege Space Shuttle-vluchten begin jaren tachtig terugkeerden uit een lage baan om de aarde, kregen ingenieurs een schok:de thermische dekens van het ruimtevaartuig waren ernstig geërodeerd.

De boosdoener bleek zeer reactieve atomaire zuurstof te zijn - individuele zuurstofatomen aan de rand van de atmosfeer, het resultaat van standaard zuurstofmoleculen van het soort dat net boven de grond wordt gevonden en uiteen wordt gebroken door krachtige ultraviolette straling van de zon. Tegenwoordig moeten alle missies onder de 1.000 km worden ontworpen om atomaire zuurstof te weerstaan, zoals Europa's Earth-watching Copernicus Sentinels of andere hardware die is gebouwd voor het internationale ruimtestation.

Spectrale waarnemingen door vroegere Venus-orbiters van airglow boven de planeet bevestigen dat atomaire zuurstof ook wijdverbreid is aan de top van de Venusiaanse atmosfeer, die meer dan 90 keer dikker is dan de omringende lucht van de aarde.

Thomas zegt:"De concentratie is vrij hoog, met één doorgang maakt het niet zoveel uit, maar in de loop van duizenden keren begint het zich op te hopen en eindigt het met een niveau van atomaire zuurstofvloed waarmee we rekening moeten houden, gelijk aan wat we ervaring in een lage baan om de aarde, maar bij hogere temperaturen."

Het EnVision-team wendde zich tot een unieke Europese faciliteit die speciaal door ESA is gebouwd om atomaire zuurstof in een baan om de aarde te simuleren. De Low Earth Orbit Facility, LEOX, maakt deel uit van het Materials and Electrical Components Laboratory van het Agentschap, gevestigd in het technische centrum van ESA, ESTEC in Nederland.

ESA-materiaalingenieur Adrian Tighe legt uit:"LEOX genereert atomaire zuurstof op energieniveaus die gelijk zijn aan de baansnelheid. Gezuiverde moleculaire zuurstof wordt in een vacuümkamer geïnjecteerd met daarop een pulserende laserstraal. Dit zet de zuurstof om in een heet plasma waarvan de snelle expansie wordt geleid langs een conisch mondstuk en dissocieert vervolgens om een ​​zeer energetische bundel van atomaire zuurstof te vormen.

"Om betrouwbaar te werken, moet de lasertiming nauwkeurig blijven tot op de millisecondeschaal en gericht zijn op een nauwkeurigheid gemeten in duizendsten van een millimeter, gedurende de vier maanden durende duur van deze huidige testcampagne.

"Dit is niet de eerste keer dat de faciliteit is gebruikt om een ​​buitenaardse orbitale omgeving te simuleren - we hebben eerder atomaire zuurstoftests uitgevoerd op kandidaat-zonnepanelen voor ESA's Juice-missie, omdat telescopische waarnemingen suggereren dat atomaire zuurstof in de atmosfeer zal worden gevonden van Europa en Ganymedes. Voor EnVision vormt de verhoogde temperatuur tijdens aerobraking echter een extra uitdaging, dus de faciliteit is aangepast om deze extremere Venusiaanse omgeving te simuleren."

Een reeks materialen en coatings van verschillende delen van het EnVision-ruimtevaartuig, waaronder meerlaagse isolatie, antenneonderdelen en stervolgelementen, worden in een plaat geplaatst om te worden blootgesteld aan de paars gloeiende LEOX-straal. Tegelijkertijd wordt deze plaat verwarmd om de verwachte thermische flux na te bootsen, tot 350 °C.

Thomas voegt toe:"We willen controleren of deze onderdelen bestand zijn tegen erosie en ook hun optische eigenschappen behouden, wat inhoudt dat ze niet verslechteren of donker worden, wat een domino-effect kan hebben op hun thermisch gedrag, omdat we delicate wetenschappelijke instrumenten die een bepaalde temperatuur moeten handhaven. We moeten ook schilfering of ontgassing vermijden, wat tot besmetting leidt."

Deze huidige testcampagne maakt deel uit van een groter panel dat onderzoek doet naar EnVision aerobraking, inclusief het gebruik van een Venus-klimaatdatabase die is ontwikkeld op basis van eerdere missieresultaten om de lokale variabiliteit van de atmosfeer van de planeet te schatten om veilige marges voor het ruimtevaartuig te bepalen.

De resultaten van deze testcampagne worden eind dit jaar verwacht. + Verder verkennen

Nieuwe automatische besturingstechniek maakt gebruik van zonnepanelen van ruimtevaartuigen om de gewenste baan bij Mars te bereiken