Nel 2005, il Future In-Space Operations Working Group (FISOWG) è stato istituito con l'aiuto della NASA per valutare come i progressi nelle tecnologie di volo spaziale potrebbero essere utilizzati per facilitare le missioni sulla Luna e oltre. Nel 2006, il gruppo di lavoro FISO ha anche istituito la serie Telecon FISO per condurre attività di sensibilizzazione al pubblico ed educarlo su questioni relative alla tecnologia dei voli spaziali, ingegneria, e scienza.

Ogni settimana, la serie Telecon tiene un seminario in cui gli esperti sono in grado di condividere le ultime notizie e gli sviluppi dei rispettivi campi. Di mercoledì, 19 aprile, in un seminario intitolato "Una centrale elettrica a combustione di metalli che respira aria per l'esplorazione di Venere in situ", L'ingegnere della NASA Michael Paul ha presentato una nuova idea in base alla quale la tecnologia esistente potrebbe essere utilizzata per effettuare missioni di più lunga durata su Venere.

Per ricapitolare la storia dell'esplorazione di Venere, pochissime sonde sono mai state in grado di esplorare a lungo la sua atmosfera o la sua superficie. Non sorprendente, considerando che la pressione atmosferica su Venere è 92 volte quella che c'è qui sulla Terra al livello del mare. Per non parlare del fatto che Venere è anche il pianeta più caldo del sistema solare, con temperature superficiali medie di 737 K (462 °C; 863,6 °F).

Ecco perché quelle poche sonde che hanno effettivamente esplorato l'atmosfera e la superficie in dettaglio, come le sonde e i lander Venera dell'era sovietica e la multisonda Pioneer Venus della NASA, sono state in grado di restituire dati solo per poche ore. Tutte le altre missioni su Venere hanno assunto la forma di orbiter o consistevano in veicoli spaziali che effettuavano sorvoli durante il viaggio verso altre destinazioni.

Avendo lavorato nel campo dell'esplorazione spaziale e dell'ingegneria aerospaziale per 20 anni, Michael Paul è esperto nelle sfide di montare missioni su altri pianeti. Durante il suo periodo con il Laboratorio di Fisica Applicata della John Hopkins University (JHUAPL), ha contribuito alle missioni Contour e Stereo della NASA, ed è stato anche determinante nel lancio e nelle prime operazioni della missione MESSENGER su Mercurio.

Però, è stato uno studio di punta nel 2008 - eseguito in collaborazione tra JHUAPL e il laboratorio Jet Propulsion della NASA (JPL) - che gli ha aperto gli occhi sulla necessità di missioni che sfruttassero il processo noto come In-Situ Resource Utilization (ISRU). Come ha affermato durante il seminario:

"Quell'anno abbiamo effettivamente studiato una missione molto grande su Europa che si è evoluta nell'attuale missione Europa Clipper. E abbiamo anche studiato una missione di punta su Saturno, a Titano in particolare. Lo studio della missione del sistema Titano-Saturno è stato una vera rivelazione per me in termini di cosa si potrebbe fare e perché dovremmo fare molte esplorazioni più avventurose e più aggressive in situ in determinati luoghi".

La missione di punta su Titano è stata oggetto del lavoro di Paul da quando è entrato a far parte dell'Applied Research Laboratory di Penn Sate nel 2009. Durante la sua permanenza lì, è diventato Fellow del NASA Innovative Advanced Concepts Program (NIAC) per la sua co-creazione del Titan Submarine. Per questa missione, che esplorerà i laghi di metano di Titano, Paul ha aiutato a sviluppare sistemi di alimentazione sottomarini che avrebbero fornito energia ai lander planetari che non possono vedere il sole.

Tornato a JHUAPL, dove ora è il responsabile della formulazione della missione spaziale, Paul continua a lavorare su concetti in situ che potrebbero consentire missioni in luoghi del sistema solare che presentano una sfida. Esplorazione in situ, dove si fa affidamento sulle risorse locali per vari scopi, presenta numerosi vantaggi rispetto a concetti più tradizionali, non ultimo il rapporto costo-efficacia.

Considera la missione che si basa su generatori termoelettrici a radioisotopi multi-missione (MMRTG), in cui elementi radioattivi come il plutonio-238 vengono utilizzati per generare elettricità. Considerando che questo tipo di sistema di alimentazione - che è stato utilizzato dai lander Viking 1 e 2 (inviati su Marte nel 1979) e dal più recente rover Curiosity - fornisce una densità di energia senza pari, il costo di tali missioni è proibitivo.

Cosa c'è di più, le missioni in situ potrebbero funzionare anche in luoghi in cui le celle solari convenzionali non funzionerebbero. Questi includono non solo le posizioni nel sistema solare esterno (cioè Europa, Titan ed Encelado) ma anche luoghi più vicini a casa. Il Bacino Polo Sud-Aitken, Per esempio, è una posizione permanentemente in ombra sulla Luna che la NASA e altre agenzie spaziali sono interessanti da esplorare (e forse colonizzare) a causa dell'abbondanza di ghiaccio d'acqua lì.

Ma c'è anche la superficie Venere, dove la luce solare è scarsa a causa della densa atmosfera del pianeta. Come ha spiegato Paolo nel corso del seminario:

"Cosa puoi fare con altri sistemi di alimentazione in luoghi in cui il sole non splende? Ok, quindi vuoi arrivare alla superficie di Venere e durare più di un paio d'ore. E penso che negli ultimi 10 o 15 anni, tutte le missioni che [sono state proposte] sulla superficie di Venere avevano praticamente una linea temporale di due ore. E quelli sono stati tutti proposti, nessuna di quelle missioni è stata effettivamente volata. Ed è in linea con le 2 ore in cui i lander russi sono sopravvissuti quando sono arrivati ​​lì, alla superficie di Venere."

La soluzione a questo problema, come la vede Paolo, è quello di impiegare un sistema di energia e alimentazione chimica immagazzinata (SCEPS), noto anche come motore Sterling. Questa tecnologia collaudata si basa sull'energia chimica immagazzinata per generare elettricità, ed è tipicamente utilizzato nei sistemi subacquei. Ma riproposto per Venere, potrebbe fornire a una missione lander una notevole quantità di tempo (rispetto alle precedenti missioni Venere) con cui condurre studi di superficie.

Per il sistema di alimentazione che Paul e i suoi colleghi stanno immaginando, il motore Sterling prenderebbe litio metallico solido (o forse iodio solido), e poi liquefarlo con una carica pirotecnica. Questo liquido risultante verrebbe quindi alimentato in un'altra camera dove si combinerebbe con un ossidante. Questo produrrebbe calore e combustione, che poi servirebbe per far bollire l'acqua, turbine di rotazione, e generare elettricità.

Tale sistema è tipicamente chiuso e non produce scarico, il che lo rende molto utile per i sistemi subacquei che non possono compromettere la loro galleggiabilità. su Venere, un tale sistema consentirebbe la produzione elettrica senza batterie di breve durata, una costosa cella a combustibile nucleare, e potrebbe funzionare in un ambiente a bassa energia solare.

Un ulteriore vantaggio per un'imbarcazione del genere che opera su Venere è che l'ossidante sarebbe fornito localmente, eliminando così la necessità di un componente pesante. Semplicemente immettendo CO2 esterna – che l'atmosfera di Venere ha in abbondanza – e combinandosi con il litio (o iodio) liquefatto del sistema, il sistema SCEPS potrebbe fornire energia sostenuta per un periodo di giorni.

Con l'aiuto di Innovative Advanced Concepts (NIAC) della NASA e il finanziamento del programma Hot Operating Temperature Technology (HOTTech), supervisionato dalla Planetary Science Division della NASA, Paul e i suoi colleghi sono stati in grado di testare il loro concetto, e scoprì che era in grado di produrre calore prolungato che era sia controllabile che sintonizzabile.

Un ulteriore aiuto è venuto dal laboratorio COMPASS del Glenn Research Center, dove ingegneri provenienti da più discipline eseguono analisi di sistemi di veicoli integrati. Da tutto questo, è stato sviluppato un concetto di missione noto come Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE). Con l'aiuto di Steven Oleson, il capo del laboratorio COMPASS di GRC, Paul e il suo team immaginano una missione in cui un lander raggiunge la superficie di Venere e la studia per 5-10 giorni.

Tutto detto, questa è una finestra operativa compresa tra 120 e 240 ore, in altre parole, Da 60 a 120 volte il tempo delle missioni precedenti. Però, quanto costerebbe una missione del genere resta da vedere. Secondo Paolo, quella domanda divenne la base di un dibattito in corso tra lui e Oleson, che non erano d'accordo sul fatto che facesse parte del Discovery Program o del New Frontiers Program.

Come ha spiegato Paolo, le missioni appartenenti al primo sono state recentemente limitate a un livello compreso tra $ 450 e $ 500 milioni, mentre le seconde sono limitate a $ 850 milioni. "Credo che se l'hai fatto bene, potresti inserirlo in una missione Discovery, " ha detto. "Qui ad APL, Ho visto idee davvero complicate rientrare in un limite di costo di Discovery. E credo che il modo in cui abbiamo realizzato questa missione, potresti farlo per una missione Discovery. E sarebbe davvero emozionante riuscire a farlo".

Da un punto di vista puramente tecnologico, questa non è una nuova idea. Ma in termini di esplorazione dello spazio, non è mai stato fatto prima. Concesso, ci sono ancora molti test che dovrebbero essere condotti prima di poter pianificare una missione su Venere. In particolare, ci sono i sottoprodotti creati dalla combustione di litio e CO2 in condizioni simili a Venere, che ha già prodotto alcuni risultati inaspettati durante i test.

Inoltre, c'è il problema del gas azoto (N2) – presente anche nell'atmosfera di Venere – che si accumula nel sistema, che dovrebbe essere sfiatato per evitare uno scoppio. But the advantages of such a system are evident, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. Quest'estate, 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."

In definitiva, 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.