Voyager 2 lietal Uránom aj Neptúnom (L) a odhalil vlastnosti, farby, atmosféry a prstencové systémy oboch svetov. Obaja majú prstene, veľa zaujímavých mesiacov a atmosférické a povrchové javy, ktoré len čakáme na preskúmanie. (NASA / VOYAGER 2)

Opýtajte sa Ethana: Môžeme vyslať misiu podobnú Cassini do Uránu alebo Neptúna?

Kozmická loď NASA Cassini nás naučila viac, ako sme si kedy mysleli o Saturnovi. Mohli by sme urobiť niečo podobné pre Urán a Neptún?

Odkiaľ sme v slnečnej sústave, pozeranie sa na vzdialený vesmír pomocou našich výkonných pozemných a vesmírnych observatórií nám poskytlo názory a vedomosti, ktoré mnohí z nás nikdy nenapadlo dosiahnuť. Stále však nejde o náhradu za skutočné cestovanie na vzdialené miesto, pretože nás to naučili špecializované misie na mnohých planétach. Napriek všetkým zdrojom, ktoré sme venovali planétovej vede, sme do Uránu a Neptúna vyslali iba jednu misiu: Voyager 2, ktorá len preletela nimi. Aké sú naše vyhliadky na orbitálnu misiu do týchto vonkajších svetov? Toto chce náš podporovateľ Patreon Erik Jensen vedieť, keď sa pýta:

Prichádza okno, keď sa kozmická loď mohla poslať do Uránu alebo Neptúna pomocou Jupitera na gravitačnú podporu. Aké sú obmedzenia pri používaní tohto systému, ale schopnosť dostatočne spomaliť vstup na obežnú dráhu okolo „ľadových gigantov“?

Pozrime sa.

Aj keď vizuálna kontrola ukazuje veľkú priepasť medzi svetmi veľkosti Zeme a Neptúna, realitou je, že môžete byť len o 25% väčšie ako Zem a stále skalnatá. Čokoľvek väčšie a ste skôr plynárenským oborom. Zatiaľ čo Jupiter a Saturn majú obrovské plynové obálky, ktoré tvoria približne 85% týchto planét, Neptún a Urán sú veľmi odlišné a pod atmosférou atmosféry by mali mať veľké tekuté oceány. (LUNÁRNY A PLANETÁRNY INŠTITÚT)

Slnečná sústava je zložité, ale našťastie pravidelné miesto. Najlepším spôsobom, ako sa dostať do vonkajšej slnečnej sústavy, to znamená na akúkoľvek planétu mimo Jupitera, je použiť samotný Jupiter, aby ste sa tam dostali. Vo fyzike, kedykoľvek máte malý predmet (napríklad kozmickú loď) lietajúci masívnym, stacionárnym (napríklad hviezdou alebo planétou), gravitačná sila môže výrazne zmeniť rýchlosť, ale jej rýchlosť musí zostať rovnaká.

Ale ak existuje tretí objekt, ktorý je gravitačne dôležitý, príbeh sa mierne zmení a spôsobom, ktorý je zvlášť dôležitý pre dosiahnutie vonkajšej slnečnej sústavy. Kozmická loď lietajúca okolo, povedzme, planéty, ktorá je viazaná na Slnko, môže získať alebo stratiť rýchlosť ukradnutím alebo odovzdaním hybnosti systému planéty / Slnka. Masívnej planéte je to jedno, ale kozmická loď môže dostať podporu (alebo spomalenie) v závislosti od jej dráhy.

Gravitačný prak, ako je tu znázornené, je spôsob, akým môže kozmická loď zvýšiť svoju rýchlosť pomocou gravitačného asistenta. (WIKIMEDIA SPOLOČNÝ UŽÍVATEĽ ZEIMUSU)

Tento typ manévru je známy ako gravitačná asistencia, a bolo nevyhnutné, aby sa Voyager 1 aj Voyager 2 dostali na cestu zo slnečnej sústavy, a v poslednom čase aj pri získavaní nových obzorov lietaním Plutom. Aj keď Urán a Neptún majú pozoruhodne dlhé orbitálne obdobia 84 rokov, respektíve 165 rokov, okná misií na ich dosiahnutie sa opakujú každých 12 rokov: vždy, keď Jupiter dokončí obežnú dráhu.

Kozmická loď vypustená zo Zeme typicky letí niekoľkými vnútornými planétami niekoľkokrát v rámci prípravy na pomoc pri gravitácii od Jupitera. Kozmická loď lietajúca planétou sa môže príslovečne prútiť - gravitačné prak je slovo pre gravitačnú asistenciu, ktorá ju zvyšuje - na vyššiu rýchlosť a energiu. Ak by sme chceli, zarovnanie je správne, že by sme dnes mohli spustiť misiu do Neptúna. Urán, ktorý je bližšie, je ešte ľahší dostať sa k nemu.

Letová dráha NASA pre Messenger-sondu, ktorá sa po asistencii gravitácie po úspešnej stabilnej obežnej dráhe okolo Merkúra skončila. Príbeh je podobný, ak chcete ísť do vonkajšej slnečnej sústavy, okrem toho, že na zvýšenie heliocentrickej rýchlosti použijete gravitáciu, a nie na jej odpočítanie. (NASA / JHUAPL)

Pred desiatimi rokmi bola navrhnutá misia Argo: mala by lietať s pásovými objektmi Jupiter, Saturn, Neptún a Kuiper s otváracím oknom trvajúcim od roku 2015 do roku 2019. Letové misie sú však ľahké, pretože nemáte spomaliť kozmickú loď. Jeho vloženie na obežnú dráhu po celom svete je ťažšie, ale je tiež oveľa prospešnejšie.

Namiesto jediného prejazdu vás môže obežná dráha dostať na celý svet niekoľkokrát počas dlhého časového obdobia. Môžete vidieť zmeny v atmosfére sveta a neustále ich skúmať v širokej škále vlnových dĺžok neviditeľných pre ľudské oko. Nájdete nové mesiace, nové krúžky a nové javy, ktoré ste nikdy nečakali. Môžete dokonca poslať pristátie alebo sondu na planétu alebo na jednu z jej mesiacov. To všetko a ďalšie sa už stalo okolo Saturn pri nedávno dokončenej misii Cassini.

Obrázok z roku 2012 (L) a 2016 (R) severného pólu Saturnovej fotografie, oba snímky zhotovené širokouhlou kamerou Cassini. Rozdiel vo farbe je spôsobený zmenami chemického zloženia Saturnovej atmosféry, ktoré sú vyvolané priamymi fotochemickými zmenami. (NASA / JPL-CALTECH / INŠTITÚT PRIESTOROV)

Cassini sa nielen dozvedel o fyzikálnych a atmosférických vlastnostiach Saturn, ale urobil to veľkolepo. Nielenže to predstavovalo a dozvedelo sa o prstenoch, hoci to tiež urobilo. Najneuveriteľnejšie je, že sme pozorovali zmeny a prechodné udalosti, ktoré by sme nikdy neočakávali. Saturn vykazoval sezónne zmeny, ktoré zodpovedali chemickým a farebným zmenám okolo jeho pólov. Na Saturn sa vyvinula kolosálna búrka, ktorá obkolesovala planétu a trvala mnoho mesiacov. Zistilo sa, že Saturnove prstence majú intenzívne vertikálne štruktúry a postupom času sa menia; sú dynamické a nie statické a poskytujú laboratórium, ktoré nás učí o formácii planéty a mesiaca. A s jeho údajmi sme vyriešili staré problémy a okrem iného objavili nové tajomstvá o jeho mesiacoch Iapetus, Titan a Enceladus.

Počas 8 mesiacov zúrila najväčšia búrka v slnečnej sústave, ktorá obkľúčila celý plynný obrovský svet a bola schopná umiestniť vo vnútri až 10 až 12 Zem. (NASA / JPL-CALTECH / INŠTITÚT PRIESTOROV)

Nepochybne by sme chceli urobiť to isté pre Urán a Neptún. Bolo navrhnutých veľa obiehajúcich misií do Uránu a Neptúna, ktoré sa dostali dosť ďaleko do procesu predkladania misií, ale žiadna z nich nebola navrhnutá na zostavenie alebo letenie. NASA, ESA, JPL a UK navrhli obežné dráhy Uránu, ktoré sú stále v prevádzke, ale nikto nevie, čo má budúcnosť.

Doteraz sme tieto svety študovali len zďaleka. Ale existuje veľká nádej na budúcu misiu už mnoho rokov, keď sa otváracie okná, ktoré sa dostanú do oboch svetov, zladia naraz. V roku 2034 by koncepčná misia ODINUS vyslala súčasne obežné dráhy do Uránu aj Neptúna. Samotná misia by bola veľkolepým spoločným podnikom medzi NASA a ESA.

Posledné dva (najvzdialenejšie) kruhy Uránu, ktoré objavil Hubble. Z letiaceho lietadla Voyager 2 sme objavili toľko štruktúr vo vnútorných kruhoch Uránu, ale obežná dráha nám mohla ukázať ešte viac. (NASA, ESA a M. SHOWALTER (INSTITÚT SETI))

Jednou z hlavných misií zameraných na vlajkové lode, ktoré boli navrhnuté v roku 2011 v rámci dekadálneho prieskumu planét vedy NASA, bola sonda a obežná dráha Uránu. Táto misia bola zaradená ako tretia priorita za vozovku Mars 2020 a obežnú dráhu Europa Clipper. Uránová sonda a obežná dráha by sa mohla spustiť v roku 2020 s okienkom 21 dní každý rok: keď Zem, Jupiter a Urán dosiahli optimálne polohy. Orbiter by mal na sebe tri samostatné nástroje určené na zobrazenie a meranie rôznych vlastností Uránu, jeho prstencov a jeho mesiacov. Urán a Neptún by mali mať pod atmosférou vzduchu obrovské tekuté oceány a obežná dráha by mala byť schopná ho objaviť s určitosťou. Atmosférická sonda by merala molekuly tvoriace oblak, distribúciu tepla a to, ako sa rýchlosť vetra mení s hĺbkou.

Misia ODINUS, ktorú navrhla ESA ako spoločný podnik s NASA, by preskúmala Neptún a Urán s dvojicou orbitrov. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Navrhnutá v rámci programu ESA Cosmic Vision, misia Origins, Dynamics a Interiors Neptunian and Uranian Systems (ODINUS), ide ešte ďalej: rozšírenie tejto koncepcie na dve dvojčatá obežníka, ktorá by jednu vyslala do Neptúna a jednu do Uránu. Okno na spustenie v roku 2034, v ktorom by sa správne zarovnali Zem, Jupiter, Urán a Neptún, by ich mohlo súčasne vyslať.

Flyby misie sú skvelé pre prvé stretnutia, pretože sa môžete dozvedieť toľko o svete tým, že to zblízka. Sú tiež skvelé, pretože môžu dosiahnuť viac cieľov, zatiaľ čo obežné dráhy sú zaseknuté v akomkoľvek svete, ktorý sa rozhodnú obiehať. Konečne musia obežné dráhy priviesť palivo na palubu, aby mohli vykonávať popáleniny, spomaľovať a vstupovať na stabilnú obežnú dráhu, čím sa misia stáva oveľa drahšou. Tvrdím však, že veda, ktorú získate zo zostania dlhodobo okolo planéty, viac než len vynahradí.

Keď obíhate po svete, môžete ho vidieť zo všetkých strán, ako aj z jeho prstencov, jeho mesiacov a toho, ako sa v priebehu času správajú. Napríklad vďaka Cassinimu sme objavili existenciu nového prsteňa pochádzajúceho zo zajatého asteroidu Phoebe a jeho úlohu pri stmavovaní jednej polovice tajomného mesiaca Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVED Z NASA / CASSINI IMAGES)

Súčasné obmedzenia na misiu, ako je táto, nepochádzajú z technických úspechov; technológia existuje na to, aby sa to dnes stalo. Problémy sú:

  • Politické: rozpočet NASA je obmedzený a obmedzený a jeho zdroje musia slúžiť celej komunite,
  • Fyzické: pretože aj s novým ťažkým vozidlom NASA, nezvedenou verziou SLS, môžeme do vonkajšej slnečnej sústavy poslať iba obmedzené množstvo hmoty a
  • Praktické: pretože v týchto neuveriteľných vzdialenostiach od Slnka nebudú solárne panely robiť. Potrebujeme rádioaktívne zdroje na napájanie kozmickej lode v tejto vzdialenosti a možno nemáme dosť práce.

Ten posledný, aj keď sa všetko ostatné zarovná, môže byť obchodníkom s cennými papiermi.

Peleta oxidu plutónia 238 žiariaca z vlastného tepla. Pu-238, ktorý sa vyrába aj ako vedľajší produkt jadrových reakcií, je rádionuklid, ktorý sa používa na pohon hlbokomorských vozidiel, od Mars Curiosity Rover po ultra-vzdialenú kozmickú loď Voyager. (US DEPARTMENT ENERGY)

Plutónium 238 je izotop vytvorený pri spracovaní jadrového materiálu a väčšina našich skladov pochádza z obdobia, keď sme aktívne tvorili a skladovali jadrové zbrane. Jeho použitie ako rádioizotopového termoelektrického generátora (RTG) bolo veľkolepé pre misie na Mesiac, Mars, Jupiter, Saturn, Pluto a množstvo hlbokých vesmírnych sond vrátane kozmických lodí Pioneer a Voyager.

V roku 1988 sme ho však prestali vyrábať a jeho možnosti nákupu z Ruska sa zmenšovali, pretože ho tiež prestali vyrábať. Nedávne úsilie o výrobu nového Pu-238 v Národnom laboratóriu Oak Ridge sa začalo produkovať asi 2 unce do konca roku 2015. Pokračujúci vývoj v tejto oblasti, ako aj produkcia energie Ontario, by mohli vytvoriť dostatok energie na to, aby sa do 30. rokov 20. storočia poháňala misia. ,

Zošívanie dvoch 591 s expozícií získaných cez priehľadný filter širokouhlej kamery od Voyager 2, ukazujúce plný kruhový systém Neptúna s najvyššou citlivosťou. Urán a Neptún majú veľa podobností, ale špecializovaná misia môže odhaliť aj bezprecedentné rozdiely. (NASA / JPL)

Čím rýchlejšie sa pohybujete, keď narazíte na planétu, tým viac paliva musíte do svojej kozmickej lode pridať, aby ste spomalili a vložili sa na obežnú dráhu. Na misiu do Pluta nemala šancu; New Horizons bol príliš malý a jeho rýchlosť bola príliš veľká, plus Plutoova hmota je dosť nízka na to, aby sa pokúsila urobiť orbitálne vloženie. Ale pre Neptúna a Urán, najmä ak si vyberieme tú správnu gravitačnú asistenciu od Jupitera a možno aj Saturn, to by bolo možné. Ak chceme ísť len na Urán, mohli by sme spustiť ktorýkoľvek rok v roku 2020. Ak však chceme ísť za nich, čo robíme, rok 2034 je rokom! Neptún a Urán môžu vyzerať podobne ako my z hľadiska hmotnosti, teploty a vzdialenosti, ale môžu sa skutočne líšiť od Zeme na Zemi. Existuje len jeden spôsob, ako to zistiť. S trochou šťastia a veľkými investíciami a tvrdou prácou sa môžeme dozvedia o tom v našich životoch.

Pošlite svoje otázky týkajúce sa etánu, aby ste sa mohli začať na gmail dot com!

(Poznámka: Vďaka priaznivcovi Patreonu Erikovi Jensenovi za žiadosť!)

Začíname s A Bang je teraz na Forbes a znovu publikovaný na Medium vďaka našim podporovateľom Patreonu. Ethan je autorom dvoch kníh Beyond the Galaxy a Treknology: Science of Star Trek od Tricorders po Warp Drive.