Quels moyens pour explorer in-situ l’atmosphère vénusienne ?

Quels moyens pour explorer in-situ l’atmosphère vénusienne ?

Il me semble utile de créer un sujet à part entière car plusieurs fois sur des sujets traitant de cette planète, des posts en ont traités de manière éparse.

Cette exploration a déjà débuté avec les sondes Vénéra , mais sur des durées courtes de quelques dizaines d’heure  qui ne permettent pas de connaitre suffisamment cette atmosphère très complexe et diversifiée.
 
Les moyens possibles sont soit des aérostats, soit des aéroplanes soit pour des plus courtes durées des parachutes .

Je commence ce sujet en reprenant des posts du sujet
La Vie a-t-elle existé sur Vénus?
, mais nous pourrons très  probablement en retrouver sur d’autres sujets traitant de Vénus.

Spoiler:

Je m’aperçois en fouillant sur le net que cette idée a déjà été avancée de l’utilisation du diazote toutefois en utilisant de l’air dans

Colonisation de Vénus

Spoiler:

Un rapide calcul montre que le remplacement de l’hélium par le diazote de densité 28/29 # 0,97 (ou l’air de densité très voisine égale à 1 par définition) n’augmenterait pas de manière trop grande le volume de l’aérostat qui resterait de toute manière de volume bien moins grand que ceux des ballons-sondes devant s’élever à plus de 40 km d’altitude dans l’atmosphère de la Terre.
La densité du CO₂ est de  44/29 #1,52 et celui de l’hélium de 4/ 29 # 0,14
La différence de densité entre le CO₂ et le diazote est donc de 0,55 et celle entre ce même CO₂ et l’hélium de 1, 38  ce qui donne un volume multiplié par 1,38/0,55 #2,5  sans tenir compte de l’enveloppe de surface plus grande, donc plus lourde, ni du matériel nécessaire à la nano-filtration.
En prenant en compte cela , on devrait de retrouver avec un volume environ triple en utilisant le diazote à la place de l’hélium, mais avec l’avantage de réduire de beaucoup les pertes par diffusion et d’avoir ce gaz sur place et donc renouvelable.

Je pense qu'il est intéressant de rappeler, à l'occasion, que Vénus, contrairement à ce qu'on croit souvent, est la planète du système solaire présentant les caractéristiques atmosphériques les plus proches des conditions terrestres :
à 50 km d'altitude, la pression et la température moyenne sont celles qu'on trouve "en gros" sur Terre au niveau de la mer.
Cette tranche d'air est située entre plusieurs couches de nuages, et il y pleut de temps en temps de l'acide chlorhydrique.

Akwa a écrit:Je pense qu'il est intéressant de rappeler, à l'occasion, que Vénus, contrairement à ce qu'on croit souvent, est la planète du système solaire présentant les caractéristiques atmosphériques les plus proches des conditions terrestres :
à 50 km d'altitude, la pression et la température moyenne sont celles qu'on trouve "en gros" sur Terre au niveau de la mer.
Cette tranche d'air est située entre plusieurs couches de nuages, et il y pleut de temps en temps de l'acide chlorhydrique.

Certes, sauf la composition chimique ! Toutefois si l'acide chlorhydrique est corrosif pour certains métaux et bien sûr pas fameux pour nos bronches et notre peau - à l'exception de la paroi de l'estomac qui en secrète un peu et peut en supporter suffisamment dilué - il nous faut pas oublier le pouvoir corrosif du dioxygène de l'air terrestre en présence d'humidité et/ou de sel - même si nous ne pouvons pas nous en passer.

Hum ! Je crains que si on commence d'entrée de jeu à mélanger une "exploration in-situ de l'atmosphère martienne" avec des moyens et techniques envisageables sur le moyen terme (donc par des sondes et appareillages automatiques raisonnablement concevables) , et ce que supposerait une présence humaine .... (sans parler d'une colonisation avec des cités volantes en atmosphère acide ).... on ait du mal à garder une certaine cohérence.

Le sujet ne concerne que les moyens techniques pour se maintenir et se déplacer dans l'atmosphère de Vénus  et si j'ai cité  le sujet sur la colonisation de Vénus, c'est uniquement pour confirmer que l'idée d'utiliser d'autres gaz que l'hélium   ou le dihydrogène pour la flottabilité dans l'atmosphère vénusienne avait déjà était envisagé avec l'air qui est un mélange majoritairement constitué de diazote (80%).

Mais effectivement il ne faut pas changer de sujet et je souhaite rester sur celui des sondes vénusiennes atmosphériques . 

D'ailleurs à propos de la colonisation de Vénus et donc de la présence d'humains, il existe déjà un sujet:
Colonisation : Vénus plus attractive que Mars ?

Séparer le diazote du dioxyde de carbone de l’atmosphère vénusienne devrait pouvoir se faire avec des membranes céramiques et des membranes organiques denses tels les polyimides, polysulfones, polycarbonates.

http://vietsciences.free.fr/giaokhoa/chemistry/polimere/membrance.htm

Spoiler:

La taille d’une molécule de C0₂  est de l’ordre de 232,6 pm  soit # 2 Å ( Å : angström soit 10 ^{- 10} m ) (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyde_de_carbone  ) tandis que celle de la molécule de diazote N₂ est de 109,76 pm soit # 1Å  (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Diazote  )

Il en résulte que la taille de la molécule C0₂ est plus du double de celle de N₂ et la séparation avec des membranes poreuses par nanofiltration  est possible.  

Voir :

D’autres procédés que la nanofiltration pourraient s’avérer encore plus efficaces  pour la séparation du diazote de l’atmosphère vénusienne comme l’adsorption à pression alternée  ( PSA
: Pression Swing Adsorption )

Spoiler:

sur des matériaux tels les zéolithes

Spoiler:

Il serait alors aussi possible de compenser en permanence les pertes par diffusion du diazote  de l'enveloppe de l'aérostat et permettre ainsi une navigation de longue durée dans l'atmosphère vénusienne en modifiant l’altitude à volonté par purge ou gonflage au diazote prélevé dans l'atmosphère de Vénus qui en contient 3%

Un autre moyen : l’avion solaire
La rotation très lente de Vénus - le jour vénusien étant plus long que son année – permettrait de maintenir en permanence un avion solaire dans l’hémisphère éclairé de Vénus et donc de n’embarquer que des  batteries légères de faible capacité ne servant qu’à moduler la puissance de l’avion ; de plus l’ensoleillement au sommet des nuages peut être plus fort que pour la Terre : des avantages très importants par rapport aux avions solaires terrestres.

http://www.nasa.gov/centers/glenn/multimedia/artgallery/art_feature_005_CD2001-81065.html

En : original

Flight Over Venus
Now that humans have mastered atmospheric flight above the Earth, researchers at Glenn have set their sights on flight above our neighboring planets. Venus provides several advantages for flying a solar-powered aircraft. At the top of the cloud level, the solar intensity is comparable to or greater than solar intensities above Earth. The atmospheric pressure would make flight much easier than on planets such as Mars. In addition, Venus' slow rotation would allow an airplane to fly in continuous sunlight, eliminating the need for energy storage for nighttime flight. These factors make Venus a prime choice for a long-duration solar-powered aircraft for scientific research. Exploratory planetary mapping and atmospheric sampling over Venus may lead to a greater understanding of the greenhouse effect not only on Venus but on Earth as well.

Fr : Google traduction

Vol au-dessus de Vénus
Maintenant que les humains ont maîtrisé vol atmosphérique au-dessus de la Terre, des chercheurs de Glenn ont jeté leur dévolu sur le vol au-dessus de nos planètes voisines. Venus offre plusieurs avantages pour voler un avion solaire. Au sommet de l'échelle des nuages, l'intensité solaire est comparable ou supérieure à celle des intensités solaires dessus de la Terre. La pression atmosphérique rendrait vol beaucoup plus facile que sur des planètes telles que Mars. En outre, la rotation lente de Vénus permettrait à un avion de voler dans la lumière du soleil en continu, éliminant le besoin de stockage d'énergie pour le vol de nuit. Ces facteurs font de Vénus un premier choix pour un avion solaire de longue durée pour la recherche scientifique. Exploratoire cartographie planétaire et d'échantillonnage atmosphérique sur Venus peuvent conduire à une meilleure compréhension de l'effet de serre non seulement sur Vénus, mais sur terre aussi.

Cette idée avait déjà été abordée sur notre forum:
Vénus en avion ?

Giwa a écrit:
La taille d’une molécule de C0₂  est de l’ordre de 232,6 pm  soit # 2 Å ( Å : angström soit 10 ^{- 10} m ) (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Dioxyde_de_carbone  ) tandis que celle de la molécule de diazote N₂ est de 109,76 pm soit # 1Å  (voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Diazote  )

Il en résulte que la taille de la molécule C0₂ est plus du double de celle de N₂ et la séparation avec des membranes poreuses par nanofiltration  est possible.  

La dimension de la molécule HCl est d'environ 125 pm .... et il y a probablement d'autres molécules dans le "mélange gazeux" dont la taille peut se rapprocher de celle du N₂ qu'on voudrait isoler (on ne connait pas la composition avec précision )
Et de possibles interactions chimiques avec les dispositifs de capture, de nanofiltration, de stockage  ..... sont peut-être à redouter ?

montmein69 a écrit:
La dimension de la molécule HCl est d'environ 125 pm .... et il y a probablement d'autres molécules dans le "mélange gazeux" dont la taille peut se rapprocher de celle du N₂ qu'on voudrait isoler (on ne connait pas la composition avec précision )
Et de possibles interactions chimiques avec les dispositifs de capture, de nanofiltration, de stockage  ..... sont peut-être à redouter ?

Effectivement,il faut réfléchir à toutes ces interactions, mais en tenant compte des concentrations des espèces chimiques selon qu'elles sont majoritaires, minoritaires, voire ultra-minoritaires.

Concernant l’acide sulfurique et le dioxyde de soufre, ces molécules de tailles plus grandes bien plus grandes ne passeront pas avec le diazote, par contre effectivement il faut réfléchir aux molécules de chlorure d’hydrogène HCl  dont la taille se rapproche de celles  du diazote.
Mais attention, nous parlons bien des molécules de chlorure d’hydrogène HCl et non des gouttelettes en suspension d’acide chlorhydrique en solution aqueuse constitué d’ions oxonium H₃O ⁺ _aq et d’ions hydroxyle HO^- _aq.
Or  cette concentration est très faible et varie entre 100 à 600 ppb (parties par billion, c’est-à-dire par milliard)
Surprenant ! … Non, car si l’atmosphère de Vénus contient des acides, ils sont contenus dans des gouttelettes d’eau en suspension  qui sont ainsi acidifiées : il reste d’ailleurs dans l’atmosphère vénusienne  20 ppm de molécules H₂0 sous forme de vapeur (parties par million soit 20 000 ppb) donc bien plus que la concentration résiduelle en chlorure d’hydrogène non dissoute.
Et même si quelques molécules passeront à l’intérieur du ballon, elles resteront ultra-minoritaires et des purges partielles épisodiques permettront d’éviter leur accumulation au cas où elles ne diffuseraient absolument pas à travers la paroi du ballon.

Mais à la réflexion, je penche de plus en plus pour l’adsorption sur des zéolithes qui peut être encore beaucoup plus sélectif  … et qui pourrait d’ailleurs avoir de l’avenir sur notre planète pour s’occuper du CO₂

Sincèrement, c'est bien se compliquer la vie que d'imaginer regonfler le ballon avec l'azote de l'air.

Avec une enveloppe bien foutue, on doit pouvoir avoir une ballon qui ne se dégonfle pas pendant des mois (est-ce que les pneus de voiture se dégonflent sensiblement avant de nombreux mois ? Et pourtant ils sont pas spécialement bien étanches).
Au pire, une petite bonbonne d'azote comprimé permet de compenser les éventuelles pertes.

Akwa a écrit:Sincèrement, c'est bien se compliquer la vie que d'imaginer regonfler le ballon avec l'azote de l'air.

Avec une enveloppe bien foutue, on doit pouvoir avoir une ballon qui ne se dégonfle pas pendant des mois (est-ce que les pneus de voiture se dégonflent sensiblement avant de nombreux mois ? Et pourtant ils sont pas spécialement bien étanches).
Au pire, une petite bonbonne d'azote comprimé permet de compenser les éventuelles pertes.

On ne peut tout de même pas comparer l'épaisseur d'un pneu de voiture -avec  celui de la paroi d'un ballon-sonde , sinon ce dernier ne risquerait pas de s'envoler .
D'autre part un pneu est d'une bonne étanchéité, même pour les pneus actuels sans chambre à air, surtout quand ils sont bien gonflés car alors le pneu adhère plus fortement à la jante. D'ailleurs paradoxalement plus la pression baisse, plus les fuites augmentent à ce niveau et plus le pneu de dégonfle vite pour finir à plat.   Dans tout les  cas il vaut toujours mieux vérifier la pression de ses pneus avant un long voyage...dixit la Prévention Routière  ;) 

Sinon je suis d'accord que le diazote, c'est déjà mieux que le dihydrogène ou l'hélium pour réduire les pertes par diffusion .
D'accord pour quelques semaines , on devrait pouvoir quand même faire avec une réserve de diazote

Mais la paroi d'un ballon ne peut être trop épaisse sinon la poids de l'enveloppe devient trop importante et si on veut tenir comme les rovers sur Mars des années alors il faudra prélever le diazote sur place .

Giwa a écrit:
On ne peut tout de même pas comparer l'épaisseur d'un pneu de voiture -avec  celui de la paroi d'un ballon-sonde , sinon ce dernier ne risquerait pas de s'envoler .

Oui et non. Tu fais allusion à des ballons terrestres ou martien, dont l'objectif est qu'ils volent en atmosphère ultra-raréfiée (40 km d'altitude sur Terre).

Sur Vénus, le problème de densité de l'air se pose beaucoup moins, et si tu te contente de voler à 40 ou 50 km d'altitude, tu peux faire ton ballon en gros caoutchouc gonflé à l'azote (ou plus léger/moins dense).

J'irais même jusqu'à dire qu'une balle en plastique pressurisée (en ignorant les contraintes de températures) larguée dans l'atmosphère, n'atteindrait peut être jamais le sol, finissant par "flotter" sur une hyper-dense couche de CO².

Akwa a écrit:..
J'irais même jusqu'à dire qu'une balle en plastique pressurisée (en ignorant les contraintes de températures) larguée dans l'atmosphère, n'atteindrait peut être jamais le sol, finissant par "flotter" sur une hyper-dense couche de CO².

Effectivement pourquoi pas ?  Mais il faut tout de même que la masse volumique moyenne de notre  « bathyscaphe » vénusien ne dépasse pas 65 kg/m³ ( ce qui reste quand même «  léger » ) sous une pression de 91,8 atm ce qui correspond aux pressions qui règnent vers 900 m de fond dans nos océans et avec des températures supérieures ( 740 K # 467 °C ) à celles de fumeurs noirs des fonds sous-marins  vers 350 °C
http://fr.wikipedia.org/wiki/V%C3%A9nus_%28plan%C3%A8te%29

Spoiler:

http://www.linternaute.com/science/environnement/dossier/sous-l-ocean/2.shtml

Spoiler:

Pour rappel le projet EVE (European Venus Explorer )qui comporte un ballon sonde inspiré des ballons de Vega: ballon binaire avec un ballon supérieur  gonflé à l'hélium et en dessous un ballon à changement de phase eau liquide/ vapeur d'eau

 

Un ballon gonflé a la vapeur d'eau ? sa serai plus léger que l’atmosphère de venus ? diantre, est-ce vraiment si ténu que sa l'atmosphère de cette planète ?

yoann a écrit:Un ballon gonflé a la vapeur d'eau ? sa serai plus léger que l’atmosphère de venus ? diantre, est-ce vraiment si ténu que sa l'atmosphère de cette planète ?

Bon, comme la réponse à cette question est un peu longue, une grande partie sera sous volets à ouvrir si vous le souhaitez

 
Cela a fonctionné avec les ballons Véga.

Spoiler:

Voir un site sympa sur les Vols de ballons solaires
http://ballonsolaire.pagesperso-orange.fr/index.htm

Spoiler:

Or l’atmosphère de Vénus vers 50 km se retrouve avec des pressions et des températures proches de celles de la Terre 

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A8re_de_V%C3%A9nus
La région de la troposphère la plus similaire à la Terre est proche de la tropopause — la frontière entre la troposphère et la mésosphère qui se trouve à environ 50 km d'altitude. D'après les sondes Magellan et Venus Express, la région comprise entre 52,5 et 54 km a une température allant de 293 K (20 °C) à 310 K (37 °C), et la région au-dessus de 49,5 km a une pression atmosphérique correspondant à la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer

... et n’a donc rien de ténue  et comme sa densité d est voisine de 1,5 puisque constituée principalement de dioxyde de carbone, cela entraine que la masse volumique de l’air vénusien est proche de 2 kg/m³ ce qui conférerait à l’air terrestre si on remplissait un ballon avec, une capacité de levage  de 2 – 1 ,2 = 0,8 kg/ m³ (en négligeant la masse de l’enveloppe)
Le cas d’un ballon à changement de phase avec vapeur d’eau et eau liquide est plus complexe à traiter car il faudrait faire intervenir la pression partielle en vapeur d’eau  dans un gaz auxiliaire non condensable comme le dihydrogène, l'hélium ou le diazote
Nous nous placerons dans des conditions plus simples -  pour le raisonnement ... mais pas pour la technologie à mettre en œuvre - où l’eau est devenue un fluide super critique à plus de 374 ° C  vers 10 km au dessus du sol de Vénus : 385 °C et 47,39  atm soit 4 802 kPa
Voir : http://fr.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A8re_de_V%C3%A9nus
Au niveau du sol où la température atteint 462 °C et 92 atm soit 9 320 kPa,  la masse volumique du fluide eau est de 30 kg/ m³ (calcul effectué au moyen du logiciel DensiCal  téléchargeable (voir  http://metgen.pagesperso-orange.fr/metrologiefr19.htm  ) au lieu de 67 kg/m³ pour l’air vénusien, soit une capacité de levage de 37 kg/m³ 
Un ballon de 27 m³ rempli d’eau supercritique au voisinage du sol  (en  ne tenant pas compte de l’enveloppe) pourrait soulever une tonne, soit un  cube de 3 m d’arête : intéressant pour un aérostat évoluant au dessus du sol vénusien !

Rappel d'un sujet de Paolo concernant un projet ESA de fin 2005 d'un aérobot vénusien rigide et toroïdale  utilisant comme gaz porteur le dihydrogène : 
 Etude ESA de ballons de longue durée sur Venus

Long-Duration balloon for in-situ exploration of the Venus atmosphere




Effectivement on peut remplacer l'hélium par le dihydrogène dans l’atmosphère sans dioxygène de Vénus sans qu'il y ait risque de combustion ou d'explosion ; de plus le dihydrogène est quand même deux fois plus léger que l'hélium et moins couteux .

Le bouclier thermique déployable  ADEPT  envisagé  dans le cadre d’une mission vers Vénus VITaL

La descente dans les couches denses de l’atmosphère se ferait ensuite sous parachute.

Un document à propos de la mission vénusienne  VITaL (Venus Intrepid Tessera Lander) évoquée dans le post précédent

Giwa a écrit:Un autre moyen : l’avion solaire
La rotation très lente de Vénus - le jour vénusien étant plus long que son année – permettrait de maintenir en permanence un avion solaire dans l’hémisphère éclairé de Vénus et donc de n’embarquer que des  batteries légères de faible capacité ne servant qu’à moduler la puissance de l’avion ; de plus l’ensoleillement au sommet des nuages peut être plus fort que pour la Terre : des avantages très importants par rapport aux avions solaires terrestres.

http://www.bonnetnoel.com/
http://www.nasa.gov/centers/glenn/multimedia/artgallery/art_feature_005_CD2001-81065.html

En : original

Flight Over Venus
Now that humans have mastered atmospheric flight above the Earth, researchers at Glenn have set their sights on flight above our neighboring planets. Venus provides several advantages for flying a solar-powered aircraft. At the top of the cloud level, the solar intensity is comparable to or greater than solar intensities above Earth. The atmospheric pressure would make flight much easier than on planets such as Mars. In addition, Venus' slow rotation would allow an airplane to fly in continuous sunlight, eliminating the need for energy storage for nighttime flight. These factors make Venus a prime choice for a long-duration solar-powered aircraft for scientific research. Exploratory planetary mapping and atmospheric sampling over Venus may lead to a greater understanding of the greenhouse effect not only on Venus but on Earth as well.

Fr : Google traduction

Vol au-dessus de Vénus
Maintenant que les humains ont maîtrisé vol atmosphérique au-dessus de la Terre, des chercheurs de Glenn ont jeté leur dévolu sur le vol au-dessus de nos planètes voisines. Venus offre plusieurs avantages pour voler un avion solaire. Au sommet de l'échelle des nuages, l'intensité solaire est comparable ou supérieure à celle des intensités solaires dessus de la Terre. La pression atmosphérique rendrait vol beaucoup plus facile que sur des planètes telles que Mars. En outre, la rotation lente de Vénus permettrait à un avion de voler dans la lumière du soleil en continu, éliminant le besoin de stockage d'énergie pour le vol de nuit. Ces facteurs font de Vénus un premier choix pour un avion solaire de longue durée pour la recherche scientifique. Exploratoire cartographie planétaire et d'échantillonnage atmosphérique sur Venus peuvent conduire à une meilleure compréhension de l'effet de serre non seulement sur Vénus, mais sur terre aussi.

Cette idée avait déjà été abordée sur notre forum:
Vénus en avion ?

À mon avis on n'est pas prêts d'arriver sur vénus.. on commence à peine à faire des "missions suicidaires" pour envoyer des personnes sur mars...

LEandraM1 a écrit:
À mon avis on n'est pas prêts d'arriver sur vénus.. on commence à peine à faire des "missions suicidaires" pour envoyer des personnes sur mars...

[mod]Bonjour, vous avez mis votre contribution à l'intérieur de la citation de Giwa. Je l'ai sortie pour la clarté du débat.
Par ailleurs, il est recommandé de se présenter dans la section idoine du forum http://www.forum-conquete-spatiale.fr/f5-presentation-des-membres avant de commencer à poster ailleurs.[/mod]

LEandraM1 a écrit:
À mon avis on n'est pas prêts d'arriver sur vénus.. on commence à peine à faire des "missions suicidaires" pour envoyer des personnes sur mars...

Giwa parlait de missions non-habitées vers Vénus. L'allusion à la maitrise du vol habité dans l'atmosphère de la Terre n'était là que pour mettre en exergue la possibilité d'utiliser les techniques de l'aéronautique dans l'atmosphère de Vénus.

Bonjour,

Des projets américains qui pourraient bien se concrétiser :

http://www.thespacereview.com/article/3123/1

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Encore des projets, pour explorer les grandes marques noires dans les nuages :

http://www.space.com/35294-alien-life-venus-mission-concept.html

Décision fin 2017

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