Fra den sovjetiske rumsonde Vega 1 lyste Venus op i halvmåneform den 9. juni 1985, da sonden frigjorde det kugleformede nedstigningsmodul forrest på fartøjet. I to dage faldt nedstigningsmodulet mod planeten, før den ramte den øvre atmosfære. I en højde af 61 kilometer delte kuglen sig i to stykker. Det ene stykke fortsatte sit fald mod overfladen for enden af en faldskærm. Nede på overfladen overlevede den i blot 56 minutter før Venus’ atmosfæriske tryk og varme slog den ihjel.

Det andet stykke overlevede i meget længere tid. Det blev hængende i den meget koldere og tynde øvre atmosfære. Med sig havde det en aerostat – en ballon fyldt med helium som kan svæve i en konstant højde. Fra bunden af aerostaten hang en 13 meter lang line og for enden af den sad videnskabeligt måleudstyr. I to dage sendte udstyret data fra Venus’ atmosfære og tilbagelagde i den tid 11.600 kilometer. Den kan have rejst endnu længere, efter systemerne ombord lukkede ned.

Det er svært at arbejde i rummet. Som de nysgerrige væsner vi er, vil vi gerne kigge de steder, det er allersværest at nå hen til. Vores søskendeplaneter gør det en svær opgave for os. Venus har en overflade plaget af ekstrem varme og knusende atmosfærisk tryk. På Titan vil den frysende kulde hurtigt tage livet af rumsonder. Og Mars, som det blev demonstreret med ESAs Schiaparelli landingsmodul, er en tricky planet at lande på på grund af den tynde atmosfære.

De udfordringer får ingeniører til at slide over designs, som kan sende rumsonder sikkert til deres destinationer, og sørge for at de overlever så længe som muligt.

Den fjerde vej i planetudforskningen 

Indtil videre har videnskabsfolk overvejende benyttet tre typer missioner til at studere Solsystemets himmellegemer på nært hold: forbiflyvninger (fly-by), kredsløb og landingsfartøjer. Forbiflyvninger som Voyager 1 og 2 giver snapshots af himmellegemer som planeter, kometer, asteroider og måner. En satellit i kredsløb kan derimod tegne et globalt billede over længere tid. Men det kræver et landingsfartøj at – bogstavelig talt – grave i overfladen og undersøge indholdet. De sidste to muligheder, satelliter i kredsløb og landingsfartøjer, giver den største datamængde. I samarbejde kan de to missionstyper samle data på både makro- og mikroniveau. På Mars har rovere og satellitter været afgørende i opdagelsen af planetens varme og våde fortid.

Men Vega 1 og dens søstermission Vega 2 tilbyder en fjerde missionstype – en slags mellemvej mellem landingsfartøj og en satellit. Aerostaterne svævende højt oppe i Venus’ atmosfære overlevede i langt længere tid end de landingsfartøjer, der fulgte med dem og de indsamlede data, som er umulig at få fat i fra kredsløb. Indtil videre er Vega missionerne de eneste, der har brugt dette koncept.

Balloner har flere fordele. Udover at de kan overleve længe på ugæstfri planeter som Venus, er de også relativt billige. Eftersom vinden skubber ballonen har den ikke brug for selv at skabe fremdrift. Til sammenligning bliver landingsfartøjer ofte præcis der hvor de lander. Det begrænser det område de kan udforske. Selvfølgelig kan rovere potentielt dække store afstande men deres afhængighed af elektriske motorer, hjul og anden teknik gør dem til komplicerede maskiner, som skal styres med stor omsorg, hvis de skal holde længe. En satellit skal bruge raketdyser og brændstof så de kan navigere derhen, hvor forskerne vil undersøge planeten. Det delikate brændstof skal opbevares i fejlsikrede brændstoftanke, hvilket øger prisen på satellitten.

Ballon-designet behøver intet af det. Det sparer masse og tid på at kontrollere sonden og derfor penge. På Jorden er balloner så billige, at universiteter verden over bruger dem til studenter-projekter til udforskning af stratosfæren og til at teste hardware til CubeSats.

Desuden er atmosfæren et ideelt sted at studere planeten fra. Mens satellitter kan se næsten alt fra kredsløb, er de ikke i stand til at flyve i atmosfæren. Luften virker som en bremse og satellitter har brug for at opretholde deres kredsløbshastighed, hvis ikke de skal styrte ned. Det betyder, at satellitter er begrænset i hvor tæt på overfladen de kan komme, hvis der er en atmosfære. For at få en ordentlig opløsning af overfladen, skal deres teleskoper være relativt store. Men en ballon kan – fordi den flyver tættere på overfladen – bruge et mindre teleskop og stadig få en større opløsning end en satellit.

Selvfølgelig er opløsningen højest på overfladen. Men overfladen kan være farlig. En rover skal undgå skarpe sten, klipper, afgrunde, klitter og huller. Holdene bag NASAs Curiosity og Opportunity roverne arbejder hårdt på at finde de sikreste ruter for roverne. Dertil kommer reglerne om »planet-beskyttelse« (planetary protection), som tvinger rovere til at køre udenom områder, hvor der stadig kunne være liv på Mars.

En ballon kan simpelthen svæve henover alle farer og begrænsninger. Fra en sikker afstand kan den studere områder som en rover ikke kan nå. Nogle ballon-designs gør det endda muligt for ballonen at lande og indsamle prøver på samme måde som en rover ville.

Hvorhen vinden blæser

Det lyder godt altsammen, men der er også ulemper ved ballon-designet.

Den mest åbenlyse udfordring er styring. Som nævnt, vil vinden bevæge ballonen. Det er okay, hvis du som forsker er ligeglad med, hvor din sonde flyver hen. I realiteten nyder de færreste forskere den luksus at være ligeglade – de vil undersøge specifikke steder. Det er svært med en ballon. Ulig flyvemaskiner har balloner ikke et aerodynamisk design, som hjælper dem med at styre i atmosfæren. De svæver blot med vinden.

En løsning på problemet er at udforme ballonen som et luftskib – altså forme den som en ellipse, som gør den mere aerodynamisk. Samtidig udstyres den med propeller. Men det kræver mere masse, som ellers kunne være brugt på videnskabelige instrumenter og et luftskib er mere kompliceret end en ballon.

Jeg talte med en Ph.D.-studerende fra NC State University, Christopher Yoder, som havde en effektiv løsning på det problem.

– En måde at løse problemet på, er at hænge et sejl fra ballonen og bruge den til at guide ballonen med løftekraften fra sejlet. Den metode kræver kun en smule energi og har potentialet til at styre retningen over længere perioder.

Græskar-ballon på Mars, sample-return mission fra Venus og et Titan-luftskib som heler sig selv

Christopher Yoder er ikke den eneste, som arbejder med designs til rum-balloner. Ved den sydlige spids af Hawaiis Big Island, hvor den stenede kyst møder det mørkeblå Stillehav, samledes en gruppe ingeniører fra NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i sommeren 2002. Vejret der er godt det meste af året, men ingeniørerne var ikke kommet for at nyde solen eller vandet. I stedet valgte de stedet, fordi vejret tillader en test af deres to ballon-typer.

Prototyperne var designet med henblik på udforskning af Mars. Efter oppustningen tog den første form efter en sfære, som de fleste balloner gør. Den var lavet af skrøbelig mylar-film. Den anden tog form af et aflangt græskar og var lavet af tungt, men stærkt, polyethylene film. Hver prototype blev båret op til en højde af 34 kilometer af en ballon. Der blev de frigjort, en faldskærm åbnede sig og prototyperne begyndte oppustningen. Den sfæriske ballon overlede ikke testen men græskar-ballonen gjorde.

Testen over Big Island var kulminationen på fem års forskning. I 1997 satte JPL gang i et projekt kaldet »Mars Balloon Validation Program«. De hentede inspiration fra Vega-missionerne og de ville lave en ballon, som kan udforske Mars.

Mars har næsten ingen atmosfære. Derfor skal balloner være meget store for at have opdrift, og de skal helst bestå af et meget let materiale. Men først skal ballonen frigøres i atmosfæren. En ballon som løsrives fra en beholder ved supersoniske hastigheder udsættes for voldsomme kræfter. Det øger risikoen for at den lette plastic går i stykker.

For at gøre ballonen mere modstandsdygtig overfor de voldsomme kræfter ved at blive sluppet fri i luften, havde ingeniørerne fra JPL designet den anden prototype med »sener«. Udover at det gav ballonen en græskar-form gjorde det også ballonen mere robust.

Men det er ikke nødvendigvis nok. Jeffery Hall, som har arbejdet på testen, skrev til mig i en e-mail:

– Det anses for mindre sandsynligt at bruge balloner til udforskning af Mars på grund af problemerne med at frigøre den i luften og problemet med at puste den op. I den overskuelige fremtid har eksisterende satelliter og rovers allerede evnen til at klare udfordringerne med udforskning af Mars.

Jeffery Hall har også arbejdet på andre koncepter. I 2006 byggede han og andre ingeniører fra JPL, NASA Wallops og ILC Dover en 5,5 meter stor sfærisk overtryksballon, som kunne flyve i en højde af 55 kilometer over Venus’ overflade. De testede endda hvordan en teflon-belægning kunne beskytte ballonen fra den syreholdige atmosfære.

Sådan et fartøj kan dale ned til overfladen, samle en jordprøve op, stige op igen og sende jordprøven afsted på en lille raket tilbage til Jorden. Der er endda mulighed for, at balloner som denne kan lede efter liv i Venus’ atmosfære. Nogle mikrober kan måske overleve i de øvre lag af atmosfæren, hvor temperaturerne og det atmosfæriske tryk minder mere om Jordens.

I et andet projekt undersøgte Jeffery, hvordan man kan lave et luftskib, som kan overleve i lang tid i Titans atmosfære.

Det som virkelig begrænser balloners levetid er huller. På Jorden vil mængden af huller vokse over tid på grund af temperaturskiftet mellem nat og dag. Det får plasticen til at strække sig og trække sig sammen og det skaber huller. Det samme vil ske i Titans atmosfære med den forskel, at der ikke er nogen mennesker til at reparere ballonen og fylde den med helium eller brint.

Hvis du får et sår og taber blod vil din krop skabe nye blodceller og kroppen sørger for at lukke såret. Forestil dig, at man kan overføre det til et luftskib. Det var præcis det, som Jeffery og hans hold forsøgte. De fandt på et gas-behandlingssystem som kan konvertere metan til brint. Titans atmosfære består mestendels af nitrogen, men lidt over en procent er metan. Med en lille kemisk reaktor kan luftskibet skille de fire brint-atomer fra det ene kulstof-atom i metanen og brinten kan bruges til at vedligeholde opdriften i luftskibet. Der vil godt nok stadig opstå huller i luftskibet, men den konstante tilførsel af brint ville udligne tabet af opdrift. Luftskibet ville også blive udstyret med et system, som kan fjerne nitrogenet, der ellers ville gøre luftskibet tungere.

Sådan et system kunne forlænge livet hos et Titan-luftskib med et år eller længere. NASA har kigget på designet som en mulig måde til at udforske Titan.

Dårlige tider for rumballoner

JPL har desværre ikke fortsat sit arbejde med balloner til planetudforskning. Arbejdet med Mars-ballonen sluttede i 2008. I 2013 stoppede projektet med Venus-ballonen og Titan-luftskibet fortsatte til 2014. Jeffery Hall og nogle af hans kolleger forsøger at genstarte udviklingen af Venus – og Titan-balloner.

Selvom der ikke er momentum i arbejdet med balloner, er det stadig et potentiale at hente. Det kan være vores eneste måde rigtig at udforske Venus og designet kan få os tættere på Titan. I fremtiden håber jeg at se billeder, der er taget fra enden af en line forbundet til en ballon der svæver højt over et fremmed landskab.

Videre læsning:

V. V. Kerzhanovich, J. A. Cutts, H. W. Cooper, J. L. Hall, B. A. McDonald, M. T. Pauken, C. V. White, A. H. Yavrouian, A. Castano, H. M. Cathey, D. A. Fairbrother, I. S. Smith, C. M. Shreves, T. Lachenmeier, E. Rainwater and M. Smith, “Breakthrough in Mars Balloon Technology,” Advances in Space Research, Vol. 33, 2004, 1836-1841.

J. L. Hall, V. V. Kerzhanovich, A. H. Yavrouian, G. A. Plett, M. Said, D. Fairbrother, C. Sandy, T. Frederickson, G. Sharpe, and S. Day, “Second generation prototype design and testing for a high altitude Venus balloon,” Advances in Space Research, Vol. 44, 2009, pp. 93-105..

J. L. Hall, J. A. Jones, L. Brooke, B. Hennings, R. Van Boeyen, A. H. Yavrouian, J. Mennella and V. V. Kerzhanovich, “Gas management system for an ultra long duration Titan blimp,”Advances in Space Research, Vol. 44, 2009, pp. 116-123.