Voyager 2 letio je i Uranom i Neptunom (L) i otkrio svojstva, boje, atmosferu i prstenasti sustav oba svijeta. Oboje imaju prstenove, mnogo zanimljivih mjeseci i atmosferske i površinske pojave koje samo čekamo da istražimo. (NASA / VOYAGER 2)

Pitajte Ethana: Možemo li poslati Usiju ili Neptunu misiju sličnu Cassiniju?

NASA-in svemirski brod Cassini naučio nas je više nego što smo ikada zamislili o Saturnu. Možemo li učiniti nešto slično za Uran i Neptun?

Odakle smo u Sunčevom sustavu, gledanje u daleki svemir s našim moćnim zemaljskim i svemirskim opservatorijama pružilo nam je poglede i znanje za koje mnogi od nas nikada nisu mislili da ćemo ih postići. Ali još uvijek nema zamjene za stvarno putovanje na daleku lokaciju, kako su nas učile predane misije na mnogim planetima. Unatoč svim resursima koje smo posvetili planetarnoj znanosti, ikada smo poslali samo jednu misiju Uranu i Neptunu: Voyager 2, koji je letio samo njima. Kakvi su nam izgledi za misiju orbite u te vanjske svjetove? To želi naš znatiželjnik Patreona Erik Jensen, pitajući:

Dolazi prozor kada bi svemirske letjelice mogle biti poslane Uranu ili Neptunu pomoću Jupitera za gravitacijsko pojačanje. Koja su ograničenja da se to koristi, ali da se može usporiti dovoljno za ulazak u orbitu oko "ledenih divova"?

Pogledajmo.

Iako vizualni pregled pokazuje veliki jaz između svjetova veličine Zemlje i Neptuna, realnost je da možete biti samo oko 25% veći od Zemlje i još uvijek biti kameniti. Bilo što veće, a vi ste više plinski div. Dok Jupiter i Saturn imaju ogromne plinske omotnice, koje se sastoje od otprilike 85% tih planeta, Neptun i Uran su vrlo različiti i trebali bi imati velike, tekuće oceane ispod svoje atmosfere. (LUNAR I PLANETARNI INSTITUT)

Sunčev sustav je komplicirano - ali na sreću, redovito - mjesto. Najbolji način za dolazak do vanjskog Sunčevog sustava, što znači bilo kojem planetu izvan Jupitera, je korištenje samog Jupitera koji će vam pomoći da stignete tamo. U fizici, kad god neki mali objekt (poput svemirskog broda) leti masivnim, nepomičnim (poput zvijezde ili planeta), gravitaciona sila može strahovito promijeniti svoju brzinu, ali njena brzina mora ostati ista.

Ali ako postoji treći objekt koji je gravitacijski važan, ta se priča pomalo mijenja, i to na način koji je posebno važan za dolazak do vanjskog Sunčevog sustava. Svemirska letjelica koja leti, recimo, planetom koji je vezan za Sunce, može povećati ili izgubiti brzinu krađu ili odustajanje od planeta / Sunčeva sustava. Masivan planet nije briga, ali svemirska letjelica može dobiti poticaj (ili usporavanje), ovisno o putanji.

Gravitacijski prasak, kako je ovdje prikazano, je način na koji svemirski brod može povećati brzinu putem gravitacione pomoći. (WIKIMEDIA COMMONS KORISNIK ZEIMUSU)

Ova vrsta manevra poznata je kao gravitacijska pomoć, a bilo je neophodno pri izbacivanju Voyagera 1 i Voyagera 2 na izlasku iz Sunčevog sustava, a odnedavno i u pridobijanju Novih horizonta Plutonom. Iako Uran i Neptun imaju spektakularno dugačka orbitalna razdoblja od 84, odnosno 165 godina, prozori misije za dolazak do njih ponavljaju se svakih 12 godina: svaki put kad Jupiter završi u orbiti.

Svemirska letjelica lansirana sa Zemlje obično leti nekoliko unutrašnjih planeta nekoliko puta u pripremi za gravitacijsku pomoć s Jupitera. Svemirski brod koji leti nekim planetom može se dočekati razmjerno - gravitacijski prasak je riječ za gravitacijsku pomoć koja ga pojačava - na veće brzine i energije. Da smo htjeli, poravnanja su tačna da bismo danas mogli pokrenuti misiju u Neptun. Uran, što je bliži, još je lakše doći do njega.

NASA-ina staza leta za sondu Messenger, koja se završila u uspješnoj stabilnoj orbiti oko Merkura nakon niza gravitacijskih asistencija. Priča je slična ako želite otići do vanjskog Sunčevog sustava, osim što gravitaciju upotrebljavate za dodavanje heliocentrične brzine, a ne za oduzimanje od nje. (NASA / JHUAPL)

Prije desetak godina predložena je misija Argo: letjeli bi Jupiterovim, Saturnovim, Neptunom i Kuiperovim objektima s pojasevima, s lansirnim prozorom koji traje od 2015. do 2019. Ali leteće misije su jednostavne, jer nemate da uspori svemirsku letjelicu. Umetanje u orbitu širom svijeta je teže, ali je i daleko korisnije.

Umjesto jednog prolaza, orbiter vam može pružiti pokrivenost cijelim svijetom, više puta, tokom dugog razdoblja. Možete vidjeti promjene u atmosferi nekog svijeta i neprekidno ga pregledavati u širokom rasponu valnih duljina nevidljivih ljudskom oku. Možete pronaći nove mjesece, nove prstenove i nove pojave koje nikad niste očekivali. Možete čak i poslati zemlja ili sondu na planetu ili u neku od njenih mjeseci. Sve to i više već se događalo oko Saturna s nedavno završenom Cassinijevom misijom.

Slika Saturna iz sjevernog pola iz 2012. (L) i 2016. (R), obje snimljene Cassinijevom širokokutnom kamerom. Razlika u boji je zbog promjena u kemijskom sastavu Saturnove atmosfere, koje su inducirane izravnim fotokemijskim promjenama. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT ZA PROSTORNU ZNANOST)

Cassini nije samo učio o fizičkim i atmosferskim svojstvima Saturna, iako je to učinio spektakularno. To nije samo slika i učenje o prstenima, iako je to učinio i to. Ono što je najnevjerojatnije jest da smo promatrali promjene i prolazne događaje koje nikad ne bismo predvidjeli. Saturn je imao sezonske promjene, što je odgovaralo kemijskim i promjenama boje oko njegovih pola. Kolosalna oluja razvila se na Saturnu, okružila je planet i trajala je više mjeseci. Otkriveno je da Saturnovi prstenovi imaju intenzivne okomite strukture i da se vremenom mijenjaju; dinamični su i nisu statični te pružaju laboratoriju koja će nas naučiti o formiranju planeta i mjeseca. I pomoću njegovih podataka riješili smo stare probleme i otkrili nove misterije njegovih mjeseca, Iapeta, Titana i Enceladusa.

Tijekom razdoblja od 8 mjeseci bjesnila je najveća oluja u Sunčevom sustavu, opkolivši cijeli svijet plinovitih divova i sposobna je ugraditi unutra čak 10 do 12 Zemlja. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT ZA PROSTORNU ZNANOST)

Nema sumnje da bismo to željeli učiniti i za Uran i Neptun. Mnoge orbite misije na Uranu i Neptunu predložene su i učinile ih prilično dalekim tijekom postupka podnošenja misije, ali nijedna nije još planirana za izgradnju ili letenje. NASA, ESA, JPL i Velika Britanija predložili su orbitare Urana koji su i dalje u tijeku, ali nitko ne zna što čeka budućnost.

Do sada smo ove svjetove proučavali samo izdaleka. Ali postoji ogromna nada u buduću misiju za mnogo godina od sada, kada će se lansirni prozori za dosezanje oba svijeta odjednom uskladiti. Godine 2034. konceptualna ODINUS-ova misija poslala bi blizance u Uranus i Neptun istovremeno. Sama misija bila bi spektakularno zajedničko ulaganje NASA-e i ESA-e.

Zadnja dva (najudaljenija) prstena Urana, kako je otkrio Hubble. Otkrili smo toliko struktura u unutarnjim prstenima Urana iz letača Voyager 2, ali orbiter nam može pokazati još više. (NASA, ESA i M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Jedna od glavnih, vodećih misija predložena za NASA-ino istraživanje o desetljećima planetarnih znanosti u 2011. bila je sonda i orbitara Urana. Ova misija zauzela je treći prioritet, iza rovera Mars 2020 i orbitera Europa Clipper. Sonda i orbitara Urana mogla bi se lansirati tijekom 2020-ih s vremenskim okvirom od 21 dan svake godine: kada su Zemlja, Jupiter i Uran dosegli optimalne položaje. Orbiter bi na sebi imao tri odvojena instrumenta dizajnirana za prikaz i mjerenje različitih svojstava Urana, njegovih prstenova i mjeseci. Uran i Neptun bi trebali imati ogromne tekuće oceane ispod svojih atmosfera, a orbiter bi ga trebao moći sa sigurnošću otkriti. Atmosferska sonda bi mjerila molekule koje stvaraju oblak, raspodjelu topline i kako se brzina vjetra mijenjala s dubinom.

Misija ODINUS, koju je ESA predložio kao zajedničko ulaganje s NASA-om, istraživala bi i Neptun i Uran s dvostrukim orbitarom. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Predloženi ESA-ovim programom Kozmička vizija, misija Podrijetlo, dinamika i unutrašnjost Neptunskog i Uranskog sustava (ODINUS) ide još dalje: proširuje ovaj koncept na dva blizanačka orbitera, koji bi jedan poslali u Neptun, a jedan u Uran. Pokretanje prozora 2034. u kojem će se Zemlja, Jupiter, Uran i Neptun ispravno poravnati i istovremeno ih moći poslati oba.

Flyby misije su sjajne za prve susrete, jer tako puno možete naučiti o nekom svijetu gledajući ga izbliza. Također su sjajni jer mogu dostići više ciljeva, a orbiti su zaglavljeni na bilo kojem svijetu koji odluče za orbitirati. Konačno, orbiti moraju donijeti gorivo na brodu kako bi izvršili opekline, usporili i ušli u stabilnu orbitu, što čini misiju znatno skupljom. Ali, nauku koju dobivate od dugoročnog ostajanja planeta, mislim, više nego što je nadoknađuje.

Kada orbitirate nekim svijetom, možete ga vidjeti sa svih strana, kao i njegove prstenove, mjesečeve mjesece i kako se ponašati s vremenom. Zahvaljujući Cassiniju, na primjer, otkrili smo postojanje novog prstena koji potiče iz zarobljene asteroidne Phoebe, i njegovu ulogu u potamnjivanju samo polovice misterioznog mjeseca Iapeta. (SMITSONIAN AIR & Space, DERIVED OF NASA / CASSINI IMAGES)

Trenutna ograničenja za takvu misiju ne proizlaze iz tehničkih dostignuća; postoji tehnologija da to danas učinimo. Poteškoće su:

  • Političko: jer je NASA-in proračun ograničen i ograničen, a njegovi resursi moraju služiti čitavoj zajednici,
  • Fizički: jer čak i uz NASA-ino novo vozilo s teškim dizanjem, nevezanu verziju SLS-a, možemo poslati samo ograničenu količinu mase u vanjski Sunčev sustav, i
  • Praktično: jer na ovim nevjerojatnim udaljenostima od Sunca, solarni paneli neće učiniti. Potrebni su nam radioaktivni izvori za napajanje svemirske letjelice ove daleke, a nama možda nije dovoljno da bismo obavili posao.

Taj posljednji, čak i ako se sve drugo poravna, može biti narušavač.

Peleta Pluton-238 oksid blista od vlastite topline. Pu-238 je također proizveden kao nusproizvod nuklearnih reakcija radionuklid koji se koristi za pogon dubokih svemirskih vozila, od Mars Curiosity Rovera do ultra daleke svemirske letjelice Voyager. (SAD ODJEL ENERGIJE)

Pluton-238 je izotop koji je stvoren u preradi nuklearnog materijala, a većina naših trgovina proizlazi iz vremena kada smo aktivno stvarali i skladištili nuklearno oružje. Njegova upotreba kao radioizotopski termoelektrični generator (RTG) bila je spektakularna za misije na Mjesec, Mars, Jupiter, Saturn, Pluton i niz sondi dubokih svemira, uključujući svemirske brodove Pioneer i Voyager.

Ali prestali smo ga proizvoditi 1988., a naše mogućnosti da ga otkupimo od Rusije su nestale jer smo i mi prestali proizvoditi. Nedavni napori da se napravi novi Pu-238 u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge započeli su s proizvodnjom oko dvije unce do kraja 2015. godine. Nastavak razvoja tamo, kao i ontario Power Generation, mogao bi stvoriti dovoljno za pokretanje misije do 2030-ih. ,

Spajanje dviju izložbi od 591 s dobivenih prozirnim filterom širokokutne kamere iz Voyagera 2, koji prikazuje puni prstenasti sustav Neptuna s najvećom osjetljivošću. Uran i Neptun imaju mnogo sličnosti, ali posvećena misija također bi mogla otkriti neviđene razlike. (NASA / JPL)

Što se brže krećete kada naiđete na neki planet, više goriva trebate dodati na svoj svemirski brod da biste usporili i ubacili se u orbitu. Za misiju u Pluton nije bilo šanse; New Horizons bio je premali i njegova brzina je bila prevelika, plus masa Plutona je prilično mala da bi se pokušalo ubaciti u orbitu. Ali za Neptun i Uran, posebno ako odaberemo pravu gravitacijsku asistenciju od Jupitera i, možda, Saturna, to bi moglo biti izvedivo. Ako želimo ići samo za Uran, mogli bismo pokrenuti bilo koju godinu tijekom 2020-ih. Ali ako želimo obojicu, što i radimo, 2034. je godina koja ide! Neptun i Uran mogu nam izgledati slično u pogledu mase, temperature i udaljenosti, ali oni uistinu mogu biti različiti koliko je Zemlja od Venere. Postoji samo jedan način da to saznate. Uz malo sreće i puno ulaganja i napornog rada, to ćemo možda saznati unutar svog životnog vijeka.

Pošaljite svoja Pitanja Ethanu na startwithabang na gmail dot com!

(Napomena: Zahvaljujem navijaču Patreona Eriku Jensenu na pitanju!)

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.