Under 2005, Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) inrättades med hjälp av NASA för att bedöma hur framsteg inom rymdfärdsteknologier skulle kunna användas för att underlätta uppdrag tillbaka till månen och därefter. Under 2006, FISO Working Group etablerade också FISO Telecon Series för att nå allmänheten och utbilda dem i frågor som rör rymdfärdsteknik, teknik, och vetenskap.

Varje vecka, Telecon Series håller ett seminarium där experter kan dela med sig av de senaste nyheterna och utvecklingen från sina respektive områden. På onsdag, 19 april, i ett seminarium med titeln "Ett luftandande metallförbränningskraftverk för Venus in situ exploration", NASA-ingenjören Michael Paul presenterade en ny idé där befintlig teknik kan användas för att göra längre uppdrag till Venus.

För att sammanfatta historien om Venus utforskning, mycket få sonder har någonsin kunnat utforska dess atmosfär eller yta länge. Inte förvånandsvärt, med tanke på att atmosfärstrycket på Venus är 92 gånger vad det är här på jorden vid havsnivån. För att inte tala om det faktum att Venus också är den hetaste planeten i solsystemet - med en genomsnittlig yttemperatur på 737 K (462 ° C; 863,6 ° F).

Det är därför de få sonderna som faktiskt utforskade atmosfären och ytan i detalj – som Venera-sonderna och landningarna från sovjettiden och NASA:s Pioneer Venus multiprobe – bara kunde returnera data under några timmar. Alla andra uppdrag till Venus har antingen tagit formen av orbiters eller bestått av rymdfarkoster som genomförde förbiflygningar på väg till andra destinationer.

Efter att ha arbetat inom rymdutforskning och flygteknik i 20 år, Michael Paul är väl insatt i utmaningarna med att montera uppdrag till andra planeter. Under sin tid på John Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL), han bidrog till NASA:s kontur- och stereouppdrag, och var också avgörande i lanseringen och tidiga operationer av MESSENGER-uppdraget till Merkurius.

Dock, det var en studie på flaggskeppsnivå 2008 – utförd i samarbete mellan JHUAPL och NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) – som öppnade hans ögon för behovet av uppdrag som utnyttjade den process som kallas In-Situ Resource Utilization (ISRU). Som han sa under seminariet:

"Det året studerade vi faktiskt ett mycket stort uppdrag till Europa som utvecklades till det nuvarande Europa Clipper -uppdraget. Och vi studerade också ett flaggskeppsuppdrag till Saturnus, specifikt till Titan. Titan-Saturns systemuppdragsstudie var en riktig ögonöppnare för mig när det gäller vad som kunde göras och varför vi borde göra mycket mer äventyrliga och mer aggressiva utforskningar av in-situ på vissa platser."

Flaggskeppsuppdraget till Titan var föremål för Pauls arbete sedan han började på Penn Sates Applied Research Laboratory 2009. Under hans tid där, han blev en NASA Innovative Advanced Concepts Program (NIAC) Fellow för sitt medskapande av Titan Submarine. För detta uppdrag, som kommer att utforska Titans metansjöar, Paul hjälpte till att utveckla undervattenskraftsystem som skulle ge energi till planetariska landare som inte kan se solen.

Efter att ha återvänt till JHUAPL, där han nu är rymduppdragets formuleringsledare, Paul fortsätter att arbeta med in-situ-koncept som skulle kunna möjliggöra uppdrag till platser i solsystemet som utgör en utmaning. Utforskning på plats, där man förlitar sig på lokala resurser för olika ändamål, har många fördelar jämfört med mer traditionella koncept, inte minst är kostnadseffektiviteten.

Tänk på uppdrag som är beroende av Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators (MMRTG) – där radioaktiva element som Plutonium-238 används för att generera elektricitet. Medan denna typ av kraftsystem – som användes av Viking 1 och 2 landare (skickade till Mars 1979) och den nyare Curiosity rover – ger oöverträffad energitäthet, kostnaderna för sådana uppdrag är oöverkomliga.

Vad mer, In-situ-uppdrag skulle också kunna fungera på platser där konventionella solceller inte skulle fungera. Dessa inkluderar inte bara platser i det yttre solsystemet (dvs. Europa, Titan och Enceladus) men också platser närmare hemmet. Sydpolen-Aitken Basin, till exempel, är en permanent skuggad plats på månen som NASA och andra rymdorganisationer är intressanta i att utforska (och kanske kolonisera) på grund av överflödet av vattenis där.

Men det finns också ytan Venus, där solljus är en bristvara på grund av planetens täta atmosfär. Som Paul förklarade under seminariet:

"Vad kan du göra med andra kraftsystem på platser där solen bara inte skiner? Okej, så du vill komma till ytan av Venus och hålla på i mer än ett par timmar. Och jag tror att under de senaste 10 eller 15 åren, alla uppdrag som [föreslogs] till Venus yta hade i stort sett en tvåtimmars tidslinje. Och de föreslogs alla, inget av dessa uppdrag flögs faktiskt. Och det är i linje med de 2 timmar som de ryska landarna överlevde när de kom dit, till Venus yta."

Lösningen på detta problem, som Paulus ser det, är att använda ett lagrat-kemiskt energi- och kraftsystem (SCEPS), även känd som en Sterling-motor. Denna beprövade teknik är beroende av lagrad kemisk energi för att generera elektricitet, och används vanligtvis i undervattenssystem. Men avsett för Venus, det skulle kunna ge ett landeruppdrag en avsevärd tid (jämfört med tidigare Venus-uppdrag) för att utföra ytstudier.

För det kraftsystem som Paul och hans kollegor föreställer sig, Sterling-motorn skulle ta fast metall litium (eller möjligen fast jod), och sedan göra det flytande med en pyroteknisk laddning. Denna resulterande vätska skulle sedan matas in i en annan kammare där den skulle kombineras med ett oxidationsmedel. Detta skulle ge värme och förbränning, som sedan skulle användas för att koka vatten, spinnturbiner, och generera el.

Ett sådant system är vanligtvis stängt och ger inget avgaser, vilket gör det mycket användbart för undervattenssystem som inte kan äventyra sin flytförmåga. På Venus, ett sådant system skulle möjliggöra elektrisk produktion utan kortlivade batterier, en dyr kärnbränslecell, och skulle kunna fungera i en miljö med låg solenergi.

En ytterligare fördel för en sådan farkost som verkar på Venus är att oxidationsmedlet skulle tillhandahållas lokalt, vilket tar bort behovet av en tung komponent. Genom att helt enkelt släppa in extern CO2 – som Venus atmosfär har i överflöd – och kombinera med systemets flytande litium (eller jod), SCEPS-systemet skulle kunna ge hållbar energi under en period av dagar.

Med hjälp av NASA:s Innovative Advanced Concepts (NIAC) och finansiering från programmet Hot Operating Temperature Technology (HOTTech) - som övervakas av NASA:s Planetary Science Division - kunde Paul och hans kollegor testa sitt koncept, och fann att det var kapabelt att producera ihållande värme som var både kontrollerbar och avstämbar.

Ytterligare hjälp kom från Glenn Research Centers COMPASS-labb, där ingenjörer från flera discipliner utför integrerade fordonssystemanalyser. Från allt detta, ett uppdragskoncept som kallas Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE) utvecklades. Med hjälp av Steven Oleson – chefen för GRC:s COMPASS-labb – föreställer sig Paul och hans team ett uppdrag där en landare skulle nå Venus yta och studera den i 5 till 10 dagar.

Allt sagt, det är ett driftfönster på mellan 120 och 240 timmar – med andra ord, 60 till 120 gånger så lång tid som tidigare uppdrag. Dock, hur mycket ett sådant uppdrag skulle kosta återstår att se. Enligt Paul, den frågan blev grunden för en pågående debatt mellan honom och Oleson, som inte var överens om huruvida det skulle ingå i Discovery-programmet eller New Frontiers-programmet.

Som Paulus förklarade, uppdrag som tillhör den förra begränsades nyligen till $ 450 till $ 500 miljoner medan de senare är begränsade till $ 850 miljoner. "Jag tror att om du gjorde det här rätt, du kan få det till ett Discovery-uppdrag, "sa han." Här på APL, Jag har sett riktigt komplicerade idéer passa inuti ett Discovery -kostnadstak. Och jag tror att sättet vi skapade detta uppdrag, du kan göra detta för ett Discovery-uppdrag. Och det skulle vara riktigt spännande att få det gjort. "

Ur en rent teknisk synvinkel, detta inte en ny idé. Men när det gäller utforskning av rymden, det har aldrig gjorts förut. Beviljas, det finns fortfarande många tester som skulle behöva genomföras innan ett uppdrag till Venus kan planeras. Särskilt, det finns biprodukter som skapas av förbränning av litium och CO2 under Venus-liknande förhållanden, som redan gav några oväntade resultat under tester.

Dessutom, det finns problemet med att kvävgas (N2) – som också finns i Venus atmosfär – byggs upp i systemet, som skulle behöva ventileras för att förhindra en utblåsning. But the advantages of such a system are evident, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. This summer, 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."

I sista hand, 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.