Voyager 2 przeleciał zarówno przez Urana (R), jak i Neptuna (L) i ujawnił właściwości, kolory, atmosferę i układy pierścieniowe obu światów. Oba mają pierścienie, wiele interesujących księżyców oraz zjawiska atmosferyczne i powierzchniowe, na które czekamy. (NASA / VOYAGER 2)

Zapytaj Ethana: czy możemy wysłać misję Cassiniego do Urana lub Neptuna?

Sonda Cassini NASA nauczyła nas więcej niż kiedykolwiek wyobrażaliśmy sobie o Saturnie. Czy moglibyśmy zrobić coś podobnego dla Urana i Neptuna?

Z miejsca, w którym znajdujemy się w Układzie Słonecznym, patrzenie na odległy Wszechświat za pomocą naszych potężnych obserwatoriów naziemnych i kosmicznych dało nam poglądy i wiedzę, której wielu z nas nie spodziewało się osiągnąć. Ale wciąż nie ma substytutu dla podróży w odległe miejsca, jak nauczyły nas dedykowane misje na wielu planetach. Pomimo wszystkich zasobów, które poświęciliśmy nauce planetarnej, wysłaliśmy tylko jedną misję do Urana i Neptuna: Voyager 2, które latały tylko przez nich. Jakie są nasze perspektywy na misję orbitera do tych światów zewnętrznych? Właśnie to chce wiedzieć nasz zwolennik Patreon, Erik Jensen, pytając:

Nadchodzi okno, w którym statek kosmiczny może zostać wysłany do Urana lub Neptuna za pomocą Jowisza w celu zwiększenia siły grawitacji. Jakie są ograniczenia korzystania z tego, ale zdolność wystarczającego spowolnienia, aby wejść na orbitę wokół „lodowych gigantów”?

Spójrzmy.

Podczas gdy kontrola wzrokowa pokazuje dużą lukę między światami wielkości Ziemi i Neptuna, rzeczywistość jest taka, że ​​możesz być tylko około 25% większy od Ziemi i nadal być skalisty. Coś większego, a ty jesteś bardziej gazowym gigantem. Podczas gdy Jowisz i Saturn mają ogromne otoczki gazowe, stanowiące około 85% tych planet, Neptun i Uran są bardzo różne i powinny mieć duże, płynne oceany pod ich atmosferami. (INSTYTUT LUNARNY I PLANETARNY)

Układ Słoneczny to skomplikowane - ale na szczęście regularne - miejsce. Najlepszym sposobem na dostanie się do zewnętrznego Układu Słonecznego, czyli dowolnej planety poza Jowiszem, jest skorzystanie z samego Jowisza, aby się tam dostać. W fizyce, ilekroć mały obiekt (jak statek kosmiczny) leci przez masywny, stacjonarny (jak gwiazda lub planeta), siła grawitacji może ogromnie zmienić swoją prędkość, ale jego prędkość musi pozostać taka sama.

Ale jeśli istnieje trzeci obiekt, który jest ważny grawitacyjnie, ta historia nieznacznie się zmienia, w sposób szczególnie istotny dla dotarcia do zewnętrznego Układu Słonecznego. Statek kosmiczny lecący, powiedzmy, przez planetę związaną ze Słońcem, może zyskać lub stracić prędkość, kradnąc lub oddając pęd do układu planeta / Słońce. Ogromnej planecie to nie obchodzi, ale statek kosmiczny może uzyskać przyspieszenie (lub spowolnienie) w zależności od jego trajektorii.

Pokazana tutaj grawitacyjna proca pokazuje, w jaki sposób statek kosmiczny może zwiększyć prędkość poprzez wspomaganie grawitacyjne. (WIKIMEDIA WSPÓLNIE UŻYTKOWNIK ZEIMUSU)

Ten rodzaj manewru nazywa się wspomaganiem grawitacyjnym i był niezbędny do wyprowadzenia zarówno Voyagera 1, jak i Voyagera 2 z ich wyjścia z Układu Słonecznego, a ostatnio do pozyskania nowych horyzontów przez Plutona. Mimo że Uran i Neptun mają spektakularnie długie okresy orbit, odpowiednio 84 i 165 lat, okna misji do ich dostania się pojawiają się co około 12 lat: za każdym razem, gdy Jowisz okrąża orbitę.

Statek kosmiczny wystrzeliwany z Ziemi zwykle kilka razy leci przez niektóre z planet wewnętrznych w ramach przygotowań do asysty grawitacyjnej Jowisza. Sonda lecąca przez planetę może zostać przysłowiowo proca - grawitacyjna proca to słowo wspomagające grawitację, które ją zwiększa - do większych prędkości i energii. Gdybyśmy tego chcieli, dostosowania są słuszne, że moglibyśmy dzisiaj rozpocząć misję w Neptunie. Będąc bliżej Urana, jeszcze łatwiej się do niego dostać.

Ścieżka lotu NASA dla sondy Posłaniec, która wylądowała na udanej, stabilnej orbicie wokół Merkurego po kilku asystach grawitacyjnych. Historia jest podobna, jeśli chcesz przejść do zewnętrznego Układu Słonecznego, z tą różnicą, że używasz grawitacji do zwiększenia prędkości heliocentrycznej, a nie do jej odjęcia. (NASA / JHUAPL)

Dziesięć lat temu zaproponowano misję Argo: latałyby nią obiekty Jowisza, Saturna, Neptuna i Kuipera, z oknem startowym trwającym od 2015 do 2019 r. Ale misje przelotowe są łatwe, ponieważ nie masz spowolnić statek kosmiczny. Wstawienie go na orbitę dookoła świata jest trudniejsze, ale także znacznie bardziej satysfakcjonujące.

Zamiast jednego przejścia, orbiter może zapewnić zasięg na cały świat, wiele razy, przez długi czas. Możesz zobaczyć zmiany w atmosferze świata i badać ją w sposób ciągły w szerokim zakresie fal niewidocznych dla ludzkiego oka. Możesz znaleźć nowe księżyce, nowe pierścienie i nowe zjawiska, których nigdy się nie spodziewałeś. Możesz nawet wysłać lądownik lub sondę na planetę lub jeden z jej księżyców. Wszystko to i jeszcze więcej wydarzyło się wokół Saturna dzięki niedawno ukończonej misji Cassini.

Zdjęcie 2012 (L) i 2016 (R) bieguna północnego Saturna, oba wykonane szerokokątnym aparatem Cassini. Różnica w kolorze wynika ze zmian składu chemicznego atmosfery Saturna, wywołanych bezpośrednimi zmianami fotochemicznymi. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUTE)

Cassini nie tylko dowiedziała się o fizycznych i atmosferycznych właściwościach Saturna, choć zrobiła to spektakularnie. Nie tylko wyobraził sobie pierścienie, ale też to zrobił. Najbardziej niewiarygodne jest to, że zaobserwowaliśmy zmiany i zdarzenia przejściowe, których nigdy byśmy nie przewidzieli. Saturn wykazywał sezonowe zmiany, które odpowiadały zmianom chemicznym i kolorystycznym wokół jego biegunów. Kolosalna burza rozwinęła się na Saturnie, otaczając planetę i trwając przez wiele miesięcy. Stwierdzono, że pierścienie Saturna mają intensywne struktury pionowe i zmieniają się w czasie; są dynamiczne i niestatyczne, i zapewniają laboratorium do nauczania nas o formowaniu się planet i księżyców. Dzięki tym danym rozwiązaliśmy stare problemy i odkryliśmy nowe tajemnice między innymi o księżycach Iapetus, Tytan i Enceladus.

W ciągu 8 miesięcy szalała największa burza w Układzie Słonecznym, okrążając cały gazowy gigantyczny świat i mogąc pomieścić od 10 do 12 Ziem. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUTE)

Nie ma wątpliwości, że chcielibyśmy zrobić to samo dla Urana i Neptuna. Zaproponowano wiele orbitujących misji do Urana i Neptuna, które posunęły się dość daleko w procesie składania misji, ale w rzeczywistości żadna z nich nie została zbudowana ani latać. NASA, ESA, JPL i Wielka Brytania zaproponowały orbitery Urana, które wciąż są w ruchu, ale nikt nie wie, co przyniesie przyszłość.

Do tej pory badaliśmy te światy z daleka. Istnieje jednak ogromna nadzieja na przyszłą misję za wiele lat, kiedy okna startowe do obu światów zostaną wyrównane jednocześnie. W 2034 r. Koncepcyjna misja ODINUS wysłałaby bliźniacze orbity jednocześnie do Urana i Neptuna. Sama misja byłaby spektakularnym wspólnym przedsięwzięciem NASA i ESA.

Ostatnie dwa (najbardziej zewnętrzne) pierścienie Urana, jak odkrył Hubble. Odkryliśmy tak wiele struktur w wewnętrznych pierścieniach Urana z przelotu Voyagera 2, ale orbitator może pokazać nam jeszcze więcej. (NASA, ESA I M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Jedną z głównych, flagowych misji zaproponowanych do badania dekadalnego NASA w dziedzinie badań planetarnych w 2011 r. Była sonda i orbiter Urana. Ta misja zajęła trzecie miejsce za łazikiem Mars 2020 i orbiterem Europa Clipper. Sonda i orbiter Urana może wystrzelić w latach dwudziestych z oknem 21 dni każdego roku: kiedy Ziemia, Jowisz i Uran osiągną optymalne pozycje. Orbiter miałby na sobie trzy oddzielne przyrządy zaprojektowane do obrazowania i pomiaru różnych właściwości Urana, jego pierścieni i księżyców. Uran i Neptun powinny mieć pod ziemią ogromne płynne oceany, a orbiter powinien być w stanie je odkryć na pewno. Sonda atmosferyczna mierzy cząsteczki tworzące chmurę, rozkład ciepła i zmiany prędkości wiatru wraz z głębokością.

Misja ODINUS, zaproponowana przez ESA jako joint venture z NASA, miałaby badać zarówno Neptuna, jak i Urana za pomocą dwóch zestawów orbit. (ZESPÓŁ ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Zaproponowana przez ESA program Kosmiczna wizja misji Origins, Dynamics and Interiors of Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) idzie jeszcze dalej: rozszerzenie tej koncepcji na dwie bliźniacze orbity, które wysłałyby jedną do Neptuna, a drugą do Urana. Okno startowe w 2034 roku, w którym Ziemia, Jowisz, Uran i Neptun wszystkie są odpowiednio ustawione, mogą wysłać je jednocześnie.

Misje przelotowe świetnie nadają się na pierwsze spotkania, ponieważ możesz dowiedzieć się wiele o świecie, oglądając go z bliska. Są również świetne, ponieważ mogą osiągnąć wiele celów, podczas gdy orbitery utkną w dowolnym świecie, który wybiorą na orbitę. Wreszcie orbiterzy muszą przynieść paliwo na pokład, aby wykonać oparzenia, zwolnić i wejść na stabilną orbitę, co znacznie zwiększy koszt misji. Ale nauka, którą czerpiesz z długofalowego pozostawania na planecie, argumentowałbym, więcej niż nadrabia.

Kiedy okrążasz świat, możesz go zobaczyć ze wszystkich stron, a także jego pierścieni, księżyców i tego, jak zachowują się w czasie. Na przykład dzięki Cassini odkryliśmy istnienie nowego pierścienia pochodzącego od schwytanej asteroidy Phoebe i jego rolę w zaciemnieniu tylko połowy tajemniczego księżyca Japet. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, POCHODZONE Z OBRAZÓW NASA / CASSINI)

Obecne ograniczenia takiej misji nie wynikają z osiągnięć technicznych; technologia istnieje, aby to zrobić dzisiaj. Trudności są następujące:

  • Polityczne: ponieważ budżet NASA jest ograniczony i ograniczony, a jego zasoby muszą służyć całej społeczności,
  • Fizyczne: ponieważ nawet w przypadku nowego pojazdu ciężkiego dźwigu NASA, nieosłoniętej wersji SLS, możemy wysłać tylko ograniczoną ilość masy do zewnętrznego układu słonecznego i
  • Praktyczne: ponieważ przy tych niewiarygodnych odległościach od Słońca panele słoneczne się nie sprawdzą. Potrzebujemy źródeł promieniotwórczych do napędzania tak odległego statku kosmicznego i możemy nie mieć wystarczającej ilości mocy, aby wykonać tę pracę.

Ten ostatni, nawet jeśli wszystko inne się wyrówna, może być przełomem.

Kulka tlenku plutonu-238 świecąca z własnego ciepła. Produkowany również jako produkt uboczny reakcji jądrowych, Pu-238 jest radionuklidem stosowanym do napędzania pojazdów kosmicznych, od łazika Mars Curiosity Rover po bardzo odległy statek kosmiczny Voyager. (USDZIAŁ ENERGII)

Pluton-238 jest izotopem powstającym podczas przetwarzania materiału jądrowego, a większość jego zapasów pochodzi z czasów, gdy aktywnie tworzyliśmy i gromadziliśmy broń jądrową. Jego zastosowanie jako termoelektrycznego generatora radioizotopowego (RTG) okazało się spektakularne w misjach na Księżyc, Marsa, Jowisza, Saturna, Plutona i mnóstwo sond kosmicznych, w tym statków kosmicznych Pioneer i Voyager.

Ale przestaliśmy go produkować w 1988 roku, a nasze możliwości zakupu go z Rosji zmalały, ponieważ również przestały go produkować. Rozpoczęły się niedawne prace nad stworzeniem nowego Pu-238 w Oak Ridge National Laboratory, produkującym około 2 uncji do końca 2015 r. Kontynuowany rozwój tam, a także przez Ontario Power Generation, może stworzyć wystarczającą moc do napędzenia misji do lat 30. XX wieku .

Połączenie dwóch 591-sekundowych ekspozycji uzyskanych przez przezroczysty filtr kamery szerokokątnej z Voyagera 2, pokazujące pełny układ Neptuna z najwyższą czułością. Uran i Neptun mają wiele podobieństw, ale oddana misja może również wykryć niespotykane różnice. (NASA / JPL)

Im szybciej poruszasz się po spotkaniu z planetą, tym więcej paliwa musisz dodać do statku kosmicznego, aby zwolnić i wejść na orbitę. Na misję do Plutona nie było szansy; Nowe Horyzonty były zbyt małe, a ich prędkość była zdecydowanie zbyt duża, a masa Plutona jest dość niska, aby spróbować wykonać orbitę. Ale w przypadku Neptuna i Urana, szczególnie jeśli wybieramy właściwą pomoc grawitacyjną Jowisza i ewentualnie Saturna, może to być wykonalne. Jeśli chcemy wybrać tylko Urana, moglibyśmy uruchomić każdy rok w latach 2020. Ale jeśli chcemy wybrać ich oboje, co robimy, rok 2034 jest przed nami! Neptun i Uran mogą wyglądać podobnie do nas pod względem masy, temperatury i odległości, ale mogą być tak różne, jak Ziemia od Wenus. Jest tylko jeden sposób, aby się przekonać. Przy odrobinie szczęścia, dużej inwestycji i ciężkiej pracy możemy się dowiedzieć w ciągu naszego życia.

Wyślij swoje pytania Zadaj Ethanowi na beginwithabang na gmail dot com!

(Uwaga: podziękowania dla zwolennika Patreona, Erika Jensena za pytanie!)

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.