Voyager 2 je letel z Uranom (R) in Neptunom (L) in razkril lastnosti, barve, atmosfere in obročna sistema obeh svetov. Oba imata prstane, številne zanimive lune ter atmosferske in površinske pojave, ki jih samo čakamo, da jih preučimo. (NASA / VOYAGER 2)

Vprašajte Ethana: Ali lahko pošljemo misijo, podobno Cassiniju, na Uran ali Neptun?

Nasino vesoljsko plovilo Cassini nas je o Saturnu naučilo več, kot smo si kdajkoli predstavljali. Bi lahko naredili kaj podobnega za Uran in Neptun?

Od tam, kjer smo v Osončju, nam je pogled v oddaljeno vesolje z našimi močni zemeljskimi in vesoljskimi opazovalnicami omogočil poglede in znanje, za katerega si mnogi od nas nikoli niso mislili, da jih bomo dosegli. A še vedno ni nobenega nadomestila za dejansko potovanje na oddaljeno lokacijo, kot so nas učili namenske misije na številnih planetih. Kljub vsem sredstvom, ki smo jih namenili planetarni znanosti, smo Uran in Neptun: Voyager 2 poslali samo eno misijo, ki je letela le mimo njih. Kakšne so naše možnosti za misijo orbite v te zunanje svetove? To želi vedeti naš podpornik Patreona Erik Jensen:

Prihaja okno, ko bi lahko vesoljska plovila z gravitacijskim spodbudo poslala Uran ali Neptun s pomočjo Jupitra. Kakšne so omejitve pri uporabi tega, vendar da se lahko dovolj upočasnite za vstop v orbito okoli "ledenih velikanov"?

Oglejmo si.

Medtem ko vizualni pregled pokaže velik razkorak med svetoma velikosti Zemlje in Neptuna, je resničnost, da ste lahko le približno 25% večji od Zemlje in še vedno kamniti. Karkoli večjega in bolj ste plinski velikan. Medtem ko imata Jupiter in Saturn ogromne plinske ovojnice, ki obsegajo približno 85% teh planetov, sta Neptun in Uran zelo različna in bi morala imeti velike, tekoče oceane pod atmosfero. (LUNAR IN PLANETARNI INSTITUT)

Osončje je zapleteno, a k sreči redno mesto. Najboljši način, da pridete do zunanjega Osončja, torej katerega koli planeta izven Jupitra, je, da uporabite Jupiter sam, da vam pomaga priti tja. V fiziki lahko vsakič, ko majhen predmet (na primer vesoljsko plovilo) leti z masivnim, nepremičnim (kot zvezda ali planet), gravitacijska sila močno spremeni svojo hitrost, vendar mora njegova hitrost ostati enaka.

Če pa je gravitacijsko pomemben tretji predmet, se ta zgodba nekoliko spremeni in na način, ki je še posebej pomemben za doseganje zunanjega Osončja. Vesoljsko plovilo, ki leti po recimo planetu, ki je vezan na Sonce, lahko hitrost pridobi ali izgubi s krajo ali odpovedjo zagonu sistema planet / sonce. Masivnega planeta ni vseeno, vendar lahko vesoljsko plovilo povzroči spodbudo (ali upočasnitev), odvisno od njegove poti.

Gravitacijski pramen, kot je prikazano tukaj, je, kako lahko vesoljsko plovilo z gravitacijsko pomočjo poveča svojo hitrost. (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

Ta vrsta manevriranja je znana kot gravitacijska pomoč, zato je bilo nujno, da se Voyager 1 in Voyager 2 odpravita iz Osončja, v zadnjem času pa tudi pri Plutonu. Čeprav imata Uran in Neptun spektakularno dolga orbitalna obdobja 84 oziroma 165 let, se okna misije, da pridejo do njih, ponovijo vsakih 12 let: vsakič, ko Jupiter konča orbito.

Vesoljsko plovilo, ki ga je lansiralo z Zemlje, običajno nekajkrat leti z nekaterih notranjih planetov, in se pripravi na gravitacijsko pomoč Jupitra. Vesoljsko plovilo, ki pluje po planetu, se lahko pregovorno zaskoči - gravitacijski pramen je beseda za težnostno pomoč, ki jo poveča - do večjih hitrosti in energije. Če bi to želeli, je poravnava prava, da bi lahko danes začeli misijo v Neptunu. Uran, ki je bližje, je še lažje priti.

Nasina pot leta za sondo Messenger, ki se je po številnih težah podala v uspešno, stabilno orbito okoli Merkura. Zgodba je podobna, če želite iti do zunanjega Osončja, le če s pomočjo gravitacije dodate svojo heliocentrično hitrost, ne pa da od nje odštejete. (NASA / JHUAPL)

Pred desetletjem je bila predlagana misija Argo: leteli bi po Jupiterju, Saturnu, Neptunu in Kuiperjevem predmetu s pasom za izstrelitev, ki bo trajalo od leta 2015 do leta 2019. Toda letalske misije so enostavne, saj jih nimate da upočasni vesoljsko plovilo. Vstaviti ga v orbito po vsem svetu je težje, vendar je tudi veliko bolj koristno.

Namesto enega prehoda lahko orbiter v dolgih obdobjih doseže pokritost po vsem svetu. Lahko vidite spremembe v atmosferi nekega sveta in ga neprestano pregledujete v najrazličnejših valovnih dolžinah, nevidnih človeškemu očesu. Najdete lahko nove lune, nove prstane in nove pojave, ki jih nikoli niste pričakovali. Lahko celo pošljete zemljo ali sondo na planet ali katero od njegovih lun. Vse to in več se je že zgodilo okoli Saturna z nedavno končano misijo Cassini.

Slika leta 2012 (L) in 2016 (R) Saturnovega severnega pola, oba posneta s Cassinijevo širokokotno kamero. Razlika v barvi je posledica sprememb v kemični sestavi Saturnove atmosfere, ki jih povzročajo neposredne fotokemične spremembe. (NASA / JPL-CALTECH / PROSTORSKI ZNANSTVENI INSTITUT)

Cassini ni samo izvedel fizičnih in atmosferskih lastnosti Saturna, čeprav je to storil spektakularno. To ni samo slika in spoznavanje prstanov, čeprav tudi to. Najbolj neverjetno je, da smo opazovali spremembe in prehodne dogodke, ki jih nikoli ne bi napovedovali. Saturn je imel sezonske spremembe, ki so ustrezale kemijskim in barvnim spremembam okoli njegovih polov. Na Saturnu se je razvila kolosalna nevihta, ki je obkrožila planet in je trajala več mesecev. Ugotovljeno je bilo, da imajo Saturnovi prstani intenzivne navpične strukture in se sčasoma spreminjajo; so dinamični in niso statični ter zagotavljajo laboratorij, ki nas bo naučil o nastanku planetov in lune. In s svojimi podatki smo med drugim rešili stare težave in odkrili nove skrivnosti o njegovih lun Iapetus, Titan in Enceladus.

V obdobju 8 mesecev je divjala največja nevihta v Osončju, ki je obkrožila celoten plinski velikanski svet in je sposobna vgraditi kar 10 do 12 Zemlje v notranjost. (NASA / JPL-CALTECH / PROSTORSKI ZNANSTVENI INSTITUT)

Ni dvoma, da bi želeli storiti enako za Uran in Neptun. Predlagane so bile številne orbiterske misije na Uranu in Neptunu, ki so bile v postopku oddaje misije precej daleč, vendar nobena dejansko ni načrtovana za izgradnjo ali letenje. NASA, ESA, JPL in Združeno kraljestvo so predlagali Uranove orbite, ki še vedno delujejo, vendar nihče ne ve, kaj čaka prihodnost.

Doslej smo te svetove preučevali le od daleč. A veliko je upanja na prihodnjo misijo, ki bo prišla čez vrsto let, ko se bodo izstrelitvena okna, ki dosežejo oba sveta, naenkrat poravnala. Leta 2034 bo konceptualna misija ODINUS poslala pobratena orbita v Uran in Neptun hkrati. Misija sama po sebi bi bila spektakularno skupno podjetje med NASA in ESA.

Zadnja dva (skrajna) prstana Urana, kot jih je odkril Hubble. Toliko strukture smo odkrili v notranjih obročih Urana iz letala Voyager 2, vendar nam je orbiter lahko pokazal še več. (NASA, ESA in M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Ena večjih misij vodilnega razreda, ki je bila leta 2011 predlagana za Nasino desetletno raziskavo o planetarnih znanostih, je bila sonda Uranus in orbiter. Ta misija se je uvrstila na tretjo prednostno raven, za volanom Mars 2020 in orbiti Europa Clipper. Sonda in orbita Urana bi se lahko leta 2020 sprožila z 21-dnevnim oknom: ko so Zemlja, Jupiter in Uran dosegli optimalne položaje. Orbiter bi imel na sebi tri ločene inštrumente, zasnovane za prikaz in merjenje različnih lastnosti Urana, njegovih prstanov in lun. Uran in Neptun naj bi imel pod atmosfero ogromne tekoče oceane, orbiter pa bi moral to zagotovo odkriti. Atmosferska sonda bi merila molekule, ki tvorijo oblake, porazdelitev toplote in kako se je hitrost vetra spreminjala z globino.

Misija ODINUS, ki jo je ESA predlagal kot skupno podjetje z NASA, bi raziskovala Neptun in Uran z dvojnim orbiterjem. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Misija Origins, Dynamics in Notranjosti Neptunskega in Uranskega sistema (ODINUS), ki jo predlaga ESA-in program Cosmic Vision, gre še dlje: razširiti ta koncept na dva pobratna orbita, ki bi enega poslal v Neptun in enega v Uran. Začetno okno leta 2034, v katerem se Zemlja, Jupiter, Uran in Neptun poravnajo pravilno, bi lahko oboje poslalo hkrati.

Flyby misije so odlične za prva srečanja, saj se o svetu lahko naučiš toliko, ko ga vidiš od blizu. Odlični so tudi, ker lahko dosežejo več ciljev, medtem ko se orbiti držijo na katerem koli svetu, ki ga izberejo za kroženje. Končno morajo orbiterji na krovu prinesti gorivo, da opravijo opekline, upočasnijo in vstopijo v stabilno orbito, kar naredi misijo veliko dražje. Toda trditev, ki jo dobite od tega, da boste dolgoročno ostali okoli planeta, bi več kot nadoknadila.

Ko krožiš okoli sveta, ga lahko vidiš z vseh strani, pa tudi njegove prstane, njegove lune in kako se sčasoma obnašajo. Zahvaljujoč Cassiniju smo na primer odkrili obstoj novega obroča, ki izvira iz ujetega asteroida Phoebe, in njegovo vlogo pri zatemnitvi le polovice skrivnostne lune Iapetus. (SMITHSONIAN ZRAK & PROSTOR, IZVEDENI IZ NASA / CASSINI SLIKA)

Trenutne omejitve za takšno misijo ne izhajajo iz tehničnih dosežkov; tehnologija obstaja, da to počnemo še danes. Težave so:

  • Politično: ker je Nasin proračun omejen in omejen, njegovi viri pa morajo služiti celotni skupnosti,
  • Fizično: ker lahko tudi z NASA-ino novim težkim dvigalom, odvezano različico SLS, pošljemo le omejeno količino mase v zunanji osončje in
  • Praktično: ker na teh neverjetnih razdaljah od Sonca sončni paneli ne bodo storili. Za pogon tega vesoljskega plovila potrebujemo radioaktivne vire in morda ne bomo imeli dovolj za to delo.

Zadnji, četudi se vse drugo poravna, je morda prestopnik.

Pelet Pluton-238 oksid, ki sveti od lastne toplote. Pu-238, ki je tudi proizveden kot stranski produkt jedrskih reakcij, je radionuklid, ki se uporablja za pogon globoko vesoljskih vozil, od Mars Curiosity Roverja do ultradaljne vesoljske ladje Voyager. (US ODDELEK ENERGIJE)

Plutonum-238 je izotop, ki je nastal pri predelavi jedrskega materiala, večina naših trgovin pa izvira iz časa, ko smo aktivno ustvarjali in zalagali jedrsko orožje. Njegova uporaba kot radioizotopni termoelektrični generator (RTG) je bila spektakularna za misije na Luno, Mars, Jupiter, Saturn, Pluton in kopico globokih vesoljskih sond, vključno s vesoljskimi plovili Pioneer in Voyager.

Toda leta 1988 smo ga prenehali proizvajati in naše možnosti, da ga kupimo iz Rusije, so se zmanjšale, saj so ga prenehali tudi proizvajati. Začelo se je nedavno prizadevanje za izdelavo novega Pu-238 v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge, ki je do konca leta 2015 izdelalo približno 2 unci. Nadaljnji razvoj tam, pa tudi Ontario Power Generation, bi lahko ustvaril dovolj za izvajanje misije do 2030-ih .

Združevanje dveh 591-ih osvetlitev, dobljenih s prozornim filtrom širokokotne kamere iz Voyagerja 2, ki prikazuje celoten obročniški sistem Neptuna z največjo občutljivostjo. Uran in Neptun imata veliko podobnosti, toda namenska misija bi lahko zaznala tudi razlike brez primere. (NASA / JPL)

Hitreje se premikate, ko naletite na planet, več goriva morate dodati na svoje vesoljsko plovilo, da se upočasnite in vstavite v orbito. Za misijo v Pluton ni bilo nobene možnosti; New Horizons je bil premajhen in njegova hitrost je bila veliko prevelika, poleg tega je bila masa Plutona precej majhna, da bi lahko poskusil izvesti orbitalno vstavitev. Toda za Neptun in Uran, še posebej, če izberemo prave gravitacijske asistencije Jupitra in morda Saturna, je to lahko izvedljivo. Če bi radi šli samo za Uran, bi lahko začeli katero koli leto v letu 2020. Če pa hočemo iti za oba, kar počneva, bo leto 2034 še leto! Neptun in Uran sta nam lahko glede na maso, temperaturo in razdaljo podobni, vendar sta morda resnično tako različni, kot je Zemlja od Venere. Obstaja le en način, kako to ugotoviti. Z malo sreče in veliko naložb in trdega dela bomo morda ugotovili v svoji življenjski dobi.

Pošljite vprašanja zastavi Ethanu na startwithabang na gmail dot com!

(Opomba: Hvala za podpornika Patreona Erika Jensena za vprašanje!)

Starts With A Bang je zdaj objavljen na Forbesu in ponovno objavljen na Medium zahvaljujoč našim podpornikom Patreona. Ethan je avtor dveh knjig, Beyond The Galaxy in Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive.