Voyager 2 летеше както от Уран, така и от Нептун (L), и разкри свойствата, цветовете, атмосферата и пръстеновите системи на двата свята. И двамата имат пръстени, много интересни луни и атмосферни и повърхностни явления, които просто чакаме да проучим. (НАСА / VOYAGER 2)

Попитайте Итън: Можем ли да изпратим подобна на Касини мисия до Уран или Нептун?

Космическият апарат Касини на НАСА ни научи повече, отколкото някога сме си представяли за Сатурн. Можем ли да направим нещо подобно за Уран и Нептун?

От мястото, където сме в Слънчевата система, погледът към далечната Вселена с нашите мощни наземни и космически обсерватории ни даде възгледи и знания, които много от нас никога не сме мислили, че ще постигнем. Но все още няма заместител за действителното пътуване до далечно място, както са ни научили посветени мисии на много от планетите. Въпреки всички ресурси, които сме посветили на планетарната наука, ние някога сме изпращали само една мисия до Уран и Нептун: Вояджър 2, която лети само от тях. Какви са нашите перспективи за мисия на орбита в тези външни светове? Това иска да знае нашия привърженик на Патреон Ерик Дженсън, докато пита:

Идва прозорец, когато космически кораби могат да бъдат изпратени до Уран или Нептун, използвайки Юпитер за гравитационен тласък. Какви са ограниченията за използването на това, но да може да забави достатъчно за навлизане в орбита около „ледените гиганти“?

Нека да разгледаме.

Докато визуална проверка показва голяма пропаст между световете с размер на Земя и Нептун, реалността е, че можете да бъдете само с около 25% по-големи от Земята и все още да сте скалисти. Всичко по-голямо, а ти си по-скоро газов гигант. Докато Юпитер и Сатурн имат огромни газови обвивки, съставляващи приблизително 85% от тези планети, Нептун и Уран са много различни и трябва да имат големи течни океани под атмосферата си. (ЛУНАР И ПЛАНЕТАРЕН ИНСТИТУТ)

Слънчевата система е сложно, но за щастие, редовно място. Най-добрият начин да стигнете до външната Слънчева система, която ще рече на всяка планета отвъд Юпитер, е да използвате самия Юпитер, за да ви помогне да стигнете до там. Във физиката всеки път, когато малък предмет (като космически кораб) лети от масивен неподвижен (като звезда или планета), гравитационната сила може да промени скоростта си значително, но скоростта му трябва да остане същата.

Но ако има трети обект, който е гравитационно важен, тази история се променя леко и по начин, който е особено важен за достигане до външната Слънчева система. Космически кораб, летящ от, да речем, планета, обвързана със Слънцето, може да спечели или загуби скорост, като открадне или предаде инерция на системата планета / Слънце. Масивната планета не се интересува, но космическият кораб може да получи тласък (или забавяне) в зависимост от траекторията си.

Гравитационната прашка, както е показано тук, е как космическият апарат може да увеличи скоростта си чрез помощ на гравитацията. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ ZEIMUSU)

Този вид маневра е известна като гравитационна помощ и е от съществено значение при извеждането на Вояджър 1 и Вояджър 2 на излизане от Слънчевата система, а от по-ново време и за получаване на Нови хоризонти от Плутон. Въпреки че Уран и Нептун имат грандиозно дълги орбитални периоди съответно 84 и 165 години, прозорците на мисията за достигане до тях се повтарят на всеки 12 или повече години: всеки път, когато Юпитер завърши орбита.

Космически кораб, изстрелян от Земята, обикновено лети от някои от вътрешните планети няколко пъти в подготовка за гравитационна помощ от Юпитер. Космически кораб, летящ от планета, може да получи пословично прашка - гравитационната прашка е дума за гравитационна помощ, която я засилва - до по-големи скорости и енергии. Ако искахме, изравняванията са прави, че днес можем да стартираме мисия в Нептун. До Уран, като си по-близо, е още по-лесно да стигнеш.

Пътният полет на НАСА за сондата Messenger, която се завъртя в успешна стабилна орбита около Меркурий след редица гравитационни асистенции. Историята е подобна, ако искате да отидете до външната Слънчева система, освен че използвате гравитацията, за да добавите към вашата хелиоцентрична скорост, вместо да изваждате от нея. (НАСА / JHUAPL)

Преди десетилетие беше предложена мисията на Арго: тя ще лети от обекти на пояса на Юпитер, Сатурн, Нептун и Куйпер, с изстрелващ прозорец с продължителност от 2015 до 2019 г. Но полетните мисии са лесни, защото нямате да забави космическия кораб. Поставянето му в орбита около свят е по-трудно, но също така е и много по-полезно.

Вместо един пропуск, орбитърът може да ви осигури покритие по целия свят, многократно, за дълги периоди от време. Можете да видите промените в атмосферата на един свят и да го разглеждате непрекъснато в голямо разнообразие от дължини на вълните, невидими за човешкото око. Можете да намерите нови луни, нови пръстени и нови явления, които никога не сте очаквали. Можете дори да изпратите земя или сонда до планетата или някоя от луните й. Всичко това и повече вече се случваха около Сатурн с наскоро завършената мисия Касини.

Снимка от 2012 (L) и 2016 (R) на северния полюс на Сатурн, и двете, направени с широкоъгълната камера на Cassini. Разликата в цвета се дължи на промените в химичния състав на атмосферата на Сатурн, предизвикани от директните фотохимични промени. (ИНСТИТУТ НА НАСА / JPL-CALTECH / ПРОСТРАН НАУКА)

Касини не просто научи за физическите и атмосферните свойства на Сатурн, въпреки че го направи ефектно. Той не просто изобрази и научи за пръстените, въпреки че направи и това. Най-невероятното е, че наблюдавахме промени и преходни събития, които никога не бихме предвидили. Сатурн имаше сезонни промени, които съответстваха на химичните и цветните промени около полюсите му. Колосална буря се разви на Сатурн, обгръщаща планетата и продължила много месеци. Установено е, че пръстените на Сатурн имат интензивни вертикални структури и се променят във времето; те са динамични и не са статични и предоставят лаборатория, която да ни научи за формирането на планетата и луната. И с неговите данни ние решихме стари проблеми и открихме нови мистерии за луните му Япет, Титан и Енцелад, между другото.

За период от 8 месеца бушува най-голямата буря в Слънчевата система, която обгърна целия газов гигантски свят и способна да побере вътре 10 до 12 Земи. (ИНСТИТУТ НА НАСА / JPL-CALTECH / ПРОСТРАН НАУКА)

Няма малко съмнение, че бихме искали да направим същото за Уран и Нептун. Много орбитални мисии до Уран и Нептун са предложени и са го направили доста далеч в процеса на подаване на мисията, но всъщност никоя от тях не е била построена или лети. НАСА, ЕКА, JPL и Обединеното кралство са предложили орбитите на Уран, които все още са в експлоатация, но никой не знае какво има бъдещето.

Досега изучавахме тези светове само отдалеч. Но има огромна надежда за бъдеща мисия след много години, когато стартовите прозорци за достигане и на двата свята ще се приведат наведнъж. През 2034 г. концептуалната мисия ODINUS ще изпрати орбита близнаци едновременно и на Уран, и на Нептун. Самата мисия ще бъде грандиозно съвместно предприятие между НАСА и ЕКА.

Последните два (най-външните) пръстена на Уран, както е открит от Хъбъл. Открихме толкова много структура във вътрешните пръстени на Уран от полет на Вояджър 2, но орбитър можеше да ни покаже още повече. (НАСА, ЕКА и М. ШОУЛТЪР (ИНСТИТУТ НА SETI))

Една от основните мисии, водеща в класа, предложена за декадално проучване на планетата на НАСА през 2011 г., беше сондата и орбитата на Уран. Тази мисия беше класирана на третия приоритет, след роувъра „Марс 2020“ и орбитата „Европа Клипер“. Сондата и орбитата на Уран може да стартира през 2020 г. с прозорец от 21 дни всяка година: когато Земята, Юпитер и Уран достигнат оптималните позиции. Орбитърът ще има три отделни инструмента върху него, предназначен да изобразява и измерва различни свойства на Уран, неговите пръстени и луни. Уран и Нептун трябва да имат огромни течни океани под атмосферата си и орбитърът трябва да може да го открие със сигурност. Атмосферната сонда би измервала образуващите облаци молекули, разпределението на топлината и как скоростта на вятъра се променя с дълбочина.

Мисията ODINUS, предложена от ESA като съвместно предприятие с НАСА, ще изследва както Нептун, така и Уран с двойни орбити. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Предложена от програмата за космическо виждане на ESA, мисията „Произход, динамика и интериори на Нептуновата и урановата системи“ (ODINUS) отива още по-далеч: разширяването на тази концепция до два близнаци, които ще изпратят един към Нептун и един към Уран. Пусков прозорец през 2034 г., където Земята, Юпитер, Уран и Нептун всички се подравняват правилно, може да ги изпрати и двете едновременно.

Flyby мисиите са чудесни за първите срещи, тъй като можете да научите толкова много за един свят, като го видите отблизо. Те също са страхотни, защото могат да достигнат множество цели, докато орбитите са заседнали в какъвто и да е свят, който решат да орбитат. И накрая, орбитите трябва да донесат гориво на борда, за да извършват изгаряния, да забавят темпото и да влязат в стабилна орбита, което прави мисията много по-скъпа. Но бих твърдял, че науката, която получавате от оставането в дългосрочен план около една планета, повече отколкото компенсира.

Когато орбитирате свят, можете да го видите от всички страни, както и неговите пръстени, луните му и как се държат във времето. Благодарение на Касини например открихме съществуването на нов пръстен, произхождащ от заснетия астероид Фиби, и ролята му в потъмняването само на половината от мистериозния лунен япет. (СМИТСИОНСКИ ВЪЗДУШЕН И ВЪЗДУШЕН, ВЗЕМАНИ ОТ НАСОКИ НА НАСА / КАСИНИ

Настоящите ограничения за мисия като тази не идват от технически постижения; технологията съществува, за да го направя днес. Трудностите са:

  • Политически: тъй като бюджетът на НАСА е ограничен и ограничен и неговите ресурси трябва да обслужват цялата общност,
  • Физически: защото дори и с новото тежкотоварно превозно средство на НАСА, отвитата версия на SLS, ние можем да изпратим ограничено количество маса до външната слънчева система, и
  • Практически: защото на тези невероятни разстояния от Слънцето слънчевите панели няма да направят. Нужни са ни радиоактивни източници, за да захранваме космически кораб в този далечен и може да нямаме достатъчно, за да свършим работата.

Този последен, дори ако всичко друго се подравнява, може да е нарушителят на сделките.

Плутоний-238 оксиден пелет, светещ от собствената си топлина. Също така произведен като страничен продукт от ядрени реакции, Pu-238 е радионуклидът, използван за захранване на космически превозни средства от космоса, от марсохода Curiosity Rover до ултрадалечния космически кораб Voyager. (Американски департамент по енергетика)

Плутоний-238 е изотоп, създаден при обработката на ядрен материал и повечето от нашите магазини на него идват от време, когато ние активно създавахме и складирахме ядрени оръжия. Използването му като радиоизотопен термоелектричен генератор (RTG) е било зрелищно за мисии до Луната, Марс, Юпитер, Сатурн, Плутон и избиване на дълбочинни космически сонди, включително космическите кораби Pioneer и Voyager.

Но спряхме да го произвеждаме през 1988 г. и възможностите ни да го закупим от Русия намаляха, тъй като също спряха да го произвеждат. Неотдавнашни усилия за изработване на нов Pu-238 в Националната лаборатория Оук Ридж започнаха, произвеждайки около 2 унции до края на 2015 г. Продължаващото развитие там, както и от Ontario Power Generation, може да създаде достатъчно за изпълнение на мисия до 2030-те години ,

Зашиване на две експозиции от 591-те, получени чрез прозрачния филтър на широкоъгълната камера от Voyager 2, показващ пълната пръстенова система на Нептун с най-висока чувствителност. Уран и Нептун имат много прилики, но всеотдайната мисия може да открие и безпрецедентни разлики. (НАСА / JPL)

Колкото по-бързо се движите, когато срещнете планета, толкова повече гориво трябва да добавите към своя космически кораб, за да се забавите и да се поставите в орбита. За мисия до Плутон нямаше шанс; New Horizons беше твърде малък и скоростта му беше твърде голяма, плюс масата на Плутон е доста ниска, за да опитате да направите орбитално вкарване. Но за Нептун и Уран, особено ако изберем правилните асистенции на гравитацията от Юпитер и вероятно Сатурн, това може да е възможно. Ако искаме да отидем само за Уран, можем да стартираме всяка година през 2020-те. Но ако искаме да отидем и за двамата, което правим, 2034 е годината, която трябва да върви! Нептун и Уран може да изглеждат подобни на нас по отношение на маса, температура и разстояние, но те наистина могат да бъдат толкова различни, колкото Земята е от Венера. Има само един начин да разберете. С малко късмет и много инвестиции и упорит труд можем да разберем в рамките на живота си.

Изпратете вашите въпроси Попитайте Итън на startwithabang в gmail dot com!

(Забележка: Благодаря на привърженика на Patreon Ерик Дженсън за питането!)

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звезден път от трикрилите до Warp Drive“.