Voyager 2 fløy av både Uranus (R) og Neptune (L), og avslørte egenskaper, farger, atmosfærer og ringsystemer i begge verdener. De har begge ringer, mange interessante måner og atmosfæriske og overflatefenomener vi bare venter på å undersøke. (NASA / VOYAGER 2)

Spør Ethan: Kan vi sende et Cassini-lignende oppdrag til Uranus eller Neptun?

NASAs Cassini-romfartøy lærte oss mer enn vi noen gang hadde forestilt oss om Saturn. Kunne vi gjøre noe lignende for Uranus og Neptun?

Fra hvor vi befinner oss i solsystemet, har vi sett utsikten og kunnskapen mange av oss aldri trodde vi skulle oppnå når vi ser på det fjerne universet med våre kraftige bakkebaserte og rombaserte observatorier. Men det er fremdeles ingen erstatning for å faktisk reise til et fjernt sted, slik dedikerte oppdrag til mange av planetene har lært oss. Til tross for alle ressursene vi har brukt til planetvitenskap, har vi bare noen gang sendt ett oppdrag til Uranus og Neptune: Voyager 2, som bare fløy av dem. Hva er utsiktene våre for et orbiteroppdrag til de ytre verdener? Det er hva vår Patreon-supporter Erik Jensen vil vite, som han spør:

Det kommer et vindu når romfartøy kan sendes til Uranus eller Neptune ved hjelp av Jupiter for et gravitasjonsløft. Hva er begrensningene ved å bruke dette, men å kunne bremse tilstrekkelig for å komme i bane rundt ”isgigantene”?

La oss ta en titt.

Mens en visuell inspeksjon viser et stort gap mellom verdens størrelse på jord og Neptun, er realiteten at du bare kan være omtrent 25% større enn jorden og fremdeles være svaberg. Noe større, og du er mer en gassgigant. Mens Jupiter og Saturn har enorme gasshyllinger, som omfatter omtrent 85% av disse planetene, er Neptun og Uranus veldig forskjellige, og bør ha store, flytende hav under atmosfærene. (LUNAR- OG PLANETARINSTITUTT)

Solsystemet er et komplisert - men heldigvis vanlig sted. Den beste måten å komme til det ytre solsystemet, det vil si enhver planet utenfor Jupiter, er å bruke selve Jupiter for å hjelpe deg dit. Når det gjelder fysikk, når du har en liten gjenstand (som et romfartøy) som flyr av en massiv, stasjonær en (som en stjerne eller planet), kan gravitasjonskraften endre hastigheten enormt, men hastigheten må forbli den samme.

Men hvis det er et tredje objekt som er gravitasjonsmessig viktig, endres historien litt, og på en måte som er spesielt relevant for å nå det ytre solsystemet. Et romfartøy som flyr med for eksempel en planet som er bundet til solen, kan få eller miste hastigheten ved å stjele eller gi opp momentum til planeten / solsystemet. Den massive planeten bryr seg ikke, men romskipet kan få et løft (eller en retardasjon) avhengig av bane.

Et gravitasjonssprøytebilde, som vist her, er hvordan et romfartøy kan øke hastigheten gjennom en gravitasjonshjelp. (WIKIMEDIA FELLES BRUKER ZEIMUSU)

Denne typen manøvrer er kjent som en gravitasjonsassistent, og det var viktig for å få både Voyager 1 og Voyager 2 på vei ut av solsystemet, og nylig for å få nye horisonter til å fly av Pluto. Selv om Uranus og Neptune har spektakulære lange omløpsperioder på henholdsvis 84 og 165 år, kommer misjonsvinduene for å komme til dem igjen hvert 12. år: hver gang Jupiter fullfører en bane.

Et romfartøy som ble sjøsatt fra Jorden flyr vanligvis av noen av de indre planetene noen få ganger for å forberede en tyngdekraften fra Jupiter. Et romfartøy som flyr av en planet kan få ordspråklig slyngetap - tyngdekraften er et ord for en gravitasjonsassistent som øker den - til større hastigheter og energier. Hvis vi ville, er justeringene riktig at vi kunne sette i gang et oppdrag til Neptun i dag. Uranus, å være nærmere, er enda lettere å komme til.

NASAs flyvei for Messenger-sonden, som avviklet i en vellykket, stabil bane rundt Merkur etter en rekke tyngdekraften. Historien er lik hvis du vil gå til det ytre solsystemet, bortsett fra at du bruker tyngdekraften for å øke din heliosentriske hastighet, i stedet for å trekke fra den. (NASA / JHUAPL)

For et tiår siden ble Argo-oppdraget foreslått: det ville fly-av Jupiter, Saturn, Neptune og Kuiper belteobjekter, med et lanseringsvindu som varer fra 2015 til 2019. Men fly-by-oppdrag er lett, fordi du ikke har å bremse romfartøyet. Det er vanskeligere å sette den inn i bane rundt en verden, men det er også mye mer givende.

I stedet for et enkelt pass, kan en orbiter gi deg hele verdensdekning, flere ganger, over lange perioder. Du kan se endringer i atmosfæren i en verden, og undersøke den kontinuerlig i en lang rekke bølgelengder som er usynlige for det menneskelige øyet. Du kan finne nye måner, nye ringer og nye fenomener som du aldri forventet. Du kan til og med sende ned en lander eller sonde til planeten eller en av dens måner. Alt dette og mer skjedde allerede rundt Saturn med det nylig avsluttede Cassini-oppdraget.

Et 2012 (L) og et 2016 (R) bilde av Saturns nordpol, begge tatt med Cassini vidvinkelkamera. Forskjellen i farge skyldes endringer i den kjemiske sammensetningen av Saturns atmosfære, som er indusert av direkte fotokjemiske endringer. (NASA / JPL-CALTECH / RUMSVITENSINSTITUTT)

Cassini lærte ikke bare om de fysiske og atmosfæriske egenskapene til Saturn, selv om det gjorde det spektakulært. Det gjorde ikke bare image og lære om ringene, selv om det gjorde det også. Det mest utrolige er at vi observerte endringer og forbigående hendelser som vi aldri ville ha forutsagt. Saturn viste sesongmessige forandringer, som tilsvarte kjemiske og fargeendringer rundt polene. En kolossal storm utviklet seg på Saturn, omringet planeten og varte i mange måneder. Saturns ringer ble funnet å ha intense vertikale strukturer og forandre seg over tid; de er dynamiske og ikke statiske, og gir et laboratorium for å lære oss om dannelse av planeten og månen. Og med dataene løste vi gamle problemer og oppdaget nye mysterier om månene Iapetus, Titan og Enceladus, blant andre.

I løpet av en periode på 8 måneder raste den største uværet i solsystemet, som omringet hele gassgigantverdenen og var i stand til å passe så mange som 10 til 12 jord inne. (NASA / JPL-CALTECH / RUMSVITENSINSTITUTT)

Det er liten tvil om at vi ønsker å gjøre det samme for Uranus og Neptune. Mange omløpende oppdrag til Uranus og Neptune har blitt foreslått og gjort det ganske langt i oppdragsinnleveringsprosessen, men ingen har faktisk planlagt å bli bygget eller fly. NASA, ESA, JPL og Storbritannia har alle foreslått Uranus-bane som fortsatt er i gang, men ingen vet hva fremtiden rommer.

Så langt har vi bare studert disse verdenene langveisfra. Men det er et enormt håp for et fremtidig oppdrag mange år fra nå, når lanseringsvinduene for å nå begge verdener vil samkjøre samtidig. I 2034 ville det konseptuelle ODINUS-oppdraget sende tvillingbaner til både Uranus og Neptune samtidig. Oppdraget i seg selv ville være et spektakulært, joint venture mellom NASA og ESA.

De to siste (ytterste) ringene til Uranus, som oppdaget av Hubble. Vi oppdaget så mye struktur i de indre ringene til Uranus fra Voyager 2 fly-by, men en orbiter kunne vise oss enda mer. (NASA, ESA, OG M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Et av de viktigste oppdragene i flaggskipsklassen som ble foreslått for NASAs planforskningsdekadalsundersøkelse i 2011 var en Uranus-sonde og orbiter. Dette oppdraget ble rangert som tredje prioritet, bak Mars 2020-roveren og Europa Clipper-omløperen. En Uranus-sonde-og-orbiter kunne lanseres i løpet av 2020-tallet med et vindu på 21 dager hvert år: da Jorden, Jupiter og Uranus nådde de optimale posisjonene. Orbiteren ville ha tre separate instrumenter på seg designet for å avbilde og måle forskjellige egenskaper til Uranus, dens ringer og månene. Uranus og Neptune skal ha enorme flytende hav under atmosfærene, og en orbiter skal kunne oppdage det med sikkerhet. Den atmosfæriske sonden ville måle skydannende molekyler, varmefordeling og hvordan vindhastigheten endret seg med dybden.

ODINUS-oppdraget, foreslått av ESA som et fellessatsning med NASA, ville utforske både Neptun og Uranus med et tvillingssnitt av omløpere. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Forslaget fra ESAs Cosmic Vision-program, Origins, Dynamics, and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) -oppdraget går enda lenger: å utvide dette konseptet til to tvillingbaner, som vil sende en til Neptune og en til Uranus. Et lanseringsvindu i 2034, der Jorden, Jupiter, Uranus og Neptune alle samsvarer ordentlig, kunne sende dem begge av sted samtidig.

Flyby-oppdrag er flotte for første møter, siden du kan lære så mye om en verden ved å se den på nært hold. De er også flotte fordi de kan nå flere mål, mens banen går fast i hvilken verden de velger å gå i bane. Endelig må orbiters ta med drivstoff om bord for å utføre brannskader, bremse og gå inn i en stabil bane, noe som gjør et oppdrag mye dyrere. Men vitenskapen du får fra å være igjen langsiktig rundt en planet, vil jeg hevde, mer enn å gjøre opp for det.

Når du går i bane rundt en verden, kan du se den fra alle kanter, så vel som ringene, månene og hvordan de oppfører seg over tid. Takket være Cassini, for eksempel, oppdaget vi eksistensen av en ny ring som stammer fra den fangede asteroiden Phoebe, og dens rolle i å mørkne bare halvparten av den mystiske månen Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVED FRA NASA / CASSINI BILDER)

De nåværende begrensningene på et oppdrag som dette kommer ikke fra tekniske prestasjoner; teknologien eksisterer for å gjøre det i dag. Vanskene er:

  • Politisk: fordi budsjettet til NASA er begrenset og ressursene må betjene hele samfunnet,
  • Fysisk: fordi selv med NASAs nye tunge løftekjøretøy, den løsrevne versjonen av SLS, kan vi bare sende en begrenset mengde masse til det ytre solsystemet, og
  • Praktisk: fordi på disse utrolige avstandene fra sola, vil ikke solcellepaneler gjøre det. Vi trenger radioaktive kilder for å drive et romfartøy så langt unna, og det er ikke sikkert at vi har nok til å gjøre jobben.

Den siste, selv om alt annet samsvarer, kan være forhandleren.

En Plutonium-238 oksidpellet som gløder fra sin egen varme. Også produsert som et biprodukt av kjernefysiske reaksjoner, er Pu-238 radionuklidet som brukes til å drive dyptgående kjøretøyer, fra Mars Curiosity Rover til det ekstremt fjerne Voyager-romfartøyet. (US DEPARTMENT OF ENERGY)

Plutonium-238 er en isotop som ble opprettet i prosessering av kjernefysisk materiale, og de fleste av butikkene våre kommer fra en tid da vi aktivt skapte og lagerførte atomvåpen. Bruken som en radioisotop termoelektrisk generator (RTG) har vært spektakulær for oppdrag til Månen, Mars, Jupiter, Saturn, Pluto og en rekke dype romprober, inkludert Pioneer og Voyager romskip.

Men vi sluttet å produsere den i 1988, og alternativene våre for å kjøpe den fra Russland har sunket etter hvert som de også har sluttet å produsere den. En nylig innsats for å få ny Pu-238 ved Oak Ridge National Laboratory har begynt, og produserte rundt 2 gram ved utgangen av 2015. Fortsatt utvikling der, så vel som av Ontario Power Generation, kan skape nok til å drive et oppdrag innen 2030-årene .

En sy sammen to 591-s eksponeringer oppnådd gjennom det klare filteret til vidvinkelkameraet fra Voyager 2, og viser hele ringsystemet til Neptune med den høyeste følsomheten. Uranus og Neptune har mange likheter, men et dedikert oppdrag kunne også oppdage enestående forskjeller. (NASA / JPL)

Jo raskere du beveger deg når du møter en planet, jo mer drivstoff trenger du å legge til romskipet ditt for å bremse og sette deg inn i bane. For et oppdrag til Pluto var det ingen sjanse; New Horizons var for liten, og hastigheten var altfor stor, pluss at Plutos masse er ganske lav til å prøve å gjøre en orbital innsetting. Men for Neptune og Uranus, spesielt hvis vi velger de rette tyngdekraften fra Jupiter og muligens Saturn, kan dette være gjennomførbart. Hvis vi vil gå for bare Uranus, kan vi lansere hvert år i løpet av 2020-årene. Men hvis vi vil gå for dem begge, som vi gjør, er 2034 året som går! Neptun og Uranus kan se ut som oss når det gjelder masse, temperatur og avstand, men de kan virkelig være like forskjellige som Jorden er fra Venus. Det er bare en måte å finne ut av. Med litt flaks, og mye investering og hardt arbeid, kan det hende vi finner ut i løpet av levetiden vår.

Send spørsmål fra Ethan til startsiden med gmail dot com!

(Merk: Takk til Patreon-supporter Erik Jensen for spørsmålet!)

Starts With A Bang er nå på Forbes, og utgis på Medium takket være Patreon-supporterne. Ethan har forfatter to bøker, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.