Voyager 2 lensi sekä Uranuksen (R) että Neptunuksen (L) kautta, ja paljasti molempien maailmojen ominaisuudet, värit, ilmakehän ja rengasjärjestelmät. Heillä molemmilla on renkaat, monia mielenkiintoisia kuita ja ilmakehän ja pinta-ilmiöitä, joita odotamme vain tutkia. (NASA / VOYAGER 2)

Kysy Ethanilta: Voimmeko lähettää kasiniksen kaltaisen lähetystyön Uranukseen tai Neptunukseen?

NASA: n Cassini-avaruusalus opetti meille enemmän kuin mitä Saturnusta olemme koskaan kuvitelleet. Voisimmeko tehdä jotain vastaavaa Uranuksen ja Neptunuksen suhteen?

Mistä olemme aurinkokunnassa, kaukaiseen universumiin katsominen voimakkaiden maa- ja avaruuspohjaisten observatorioidemme avulla on antanut meille näkemyksiä ja tietoja, joita monet meistä eivät koskaan ajatelleet saavuttavan. Mutta etäiseen sijaintiin matkustamiseen ei vieläkään voida korvata, koska monille planeetoille omistetut tehtävät ovat opettaneet meille. Kaikista resursseista, jotka olemme omistaneet planeettatieteelle, olemme koskaan lähettäneet vain yhden tehtävän Uranukseen ja Neptunukseen: Voyager 2, joka vain lensi heidän ohi. Mitkä ovat tulevaisuudennäkymämme kiertoradalla näihin ulkomaailmiin? Se mitä Patreon-tukijamme Erik Jensen haluaa tietää, kysyessään:

Tulossa on ikkuna, jolloin avaruusalukset voitiin lähettää Uranukseen tai Neptunukseen käyttämällä Jupiteria painovoiman lisäämiseksi. Mitkä ovat tämän käytön rajoitukset, mutta kyky hidastaa riittävän hitaasti pääsemään kiertoradalle “jään jättiläisten” ympärillä?

Katsotaanpa.

Vaikka visuaalinen tarkastus osoittaa suuren eron Maan ja Neptunuksen kokoisten maailmojen välillä, todellisuus on, että voit olla vain noin 25% suurempi kuin Maa ja olla silti kivinen. Mitä suurempi, ja olet enemmän kaasu jättiläinen. Vaikka Jupiterilla ja Saturnuksella on valtavia kaasuverhoja, jotka käsittävät noin 85% näistä planeetoista, Neptuuni ja Uranus ovat hyvin erilaisia, ja ilmakehän alla tulisi olla suuria, nestemäisiä valtameriä. (KUULU- JA PLANEETTI-INSTITUUTI)

Aurinkokunta on monimutkainen - mutta onneksi säännöllinen - paikka. Paras tapa päästä ulkoiseen aurinkokuntaan, toisin sanoen mihin tahansa Jupiterin ulkopuolelle olevaan planeettaan, on käyttää itse Jupiteria sinne pääsemiseen. Fysiikassa aina, kun sinulla on pieni esine (kuten avaruusalus), joka lentää massiivisen, paikallaan olevan esineen (kuten tähti tai planeetta) vieressä, painovoima voi muuttaa nopeuttaan valtavasti, mutta nopeuden on pysyttävä samana.

Mutta jos siellä on kolmas painovoimaisesti tärkeä esine, tarina muuttuu hieman ja tavalla, joka on erityisen merkityksellinen ulomman aurinkokunnan saavuttamisessa. Avaruusalukset, jotka lentävät esimerkiksi aurinkoon sitoutuneen planeetan kohdalla, voivat saada tai menettää nopeuden varastamalla tai luovuttamalla vauhtia planeetalle / aurinkojärjestelmälle. Massiivinen planeetta ei välitä, mutta avaruusalus voi saada lisäyksen (tai hidastuvuuden) sen etenemissuunnasta riippuen.

Tässä näkyvä painovoimainen slingshot on, kuinka avaruusalus voi lisätä nopeuttaan painovoima-avun avulla. (WIKIMEDIA YHTEINEN KÄYTTÄJÄ ZEIMUSU)

Tämän tyyppinen liikkumavara tunnetaan painovoimaapuna, ja se oli välttämätöntä sekä Voyager 1: n että Voyager 2: n saamiseksi matkalle aurinkokunnasta ja viime aikoina saada New Horizons lentää Pluton kautta. Vaikka Uraanin ja Neptunuksen kiertoratajaksot ovat uskomattoman pitkät, vastaavasti 84 ja 165 vuotta, heidän tavoittamisensa lähetysikkunat toistuvat noin 12 vuoden välein: joka kerta, kun Jupiter suorittaa kiertoradan.

Maapallolta laukaistu avaruusalusta lentää tyypillisesti joitain sisäplaneettoja muutaman kerran valmistellessaan Jupiterin painovoima-apua. Maapallon lentävä avaruusalusta voi saada sananlaskua - gravitaatiokuva on sana sitä lisäävälle painovoimaapulle - suuremmalle nopeudelle ja energialle. Jos haluaisimme, linjaukset ovat oikein, jotta voimme tänään käynnistää operaation Neptunukseen. Lähempänä ollessa Uranus on vielä helpompi päästä.

NASA: n lentorata Messenger-koettimelle, joka kiertyi onnistuneella, vakaalla kiertoradalla Mercuryn ympärillä, kun useat painovoimat auttavat. Tarina on samanlainen, jos haluat mennä ulkoiseen aurinkokuntaan, paitsi että käytät painovoimaa lisätäksesi heliosentrista nopeuttasi sen sijaan, että vähenisit sitä. (NASA / JHUAPL)

Kymmenen vuotta sitten Argo-operaatiota ehdotettiin: se lensi Jupiter-, Saturnus-, Neptune- ja Kuiper-vyökohteissa. Käynnistysikkuna kestää vuodesta 2015 vuoteen 2019. Mutta lentomatkat ovat helppoja, koska sinulla ei ole hidastaa avaruusalusta. Sijoita se kiertoradalle ympäri maailmaa on vaikeampaa, mutta se on myös paljon palkitsevampaa.

Yhden kulun sijasta, kiertoradalla voi saada kattavuuden koko maailmaan, useita kertoja, pitkiä aikoja. Voit nähdä muutoksia maailman ilmakehässä ja tutkia sitä jatkuvasti monenlaisilla aallonpituuksilla, jotka ovat ihmissilmälle näkymättömiä. Voit löytää uusia kuita, uusia renkaita ja uusia ilmiöitä, joita et koskaan odottanut. Voit jopa lähettää laskeuttajan tai koettimen planeetalle tai johonkin sen kuista. Kaikki tämä ja enemmän tapahtui jo Saturnuksen ympäristössä äskettäin valmistuneen Cassini-tehtävän kanssa.

2012 (L) ja 2016 (R) kuva Saturnuksen pohjoisnavasta, molemmat otettu Cassinin laajakulmakameralla. Värierot johtuvat Saturnin ilmakehän kemiallisen koostumuksen muutoksista, jotka johtuvat suorista valokemiallisista muutoksista. (NASA / JPL-CALTECH / TIIVATUT INSTITUUTI)

Cassini ei oppinut vain Saturnuksen fysikaalisia ja ilmakehän ominaisuuksia, vaikka se teki sen upeasti. Se ei vain kuvannut ja oppinut renkaista, vaikka teki niin. Uskomattominta on, että havaitsimme muutoksia ja ohimeneviä tapahtumia, joita emme koskaan olisi ennakoineet. Saturnus näytti kausivaihteluita, jotka vastasivat kemiallisia ja värimuutoksia napojensa ympärillä. Saturnukseen kehittyi valtava myrsky, joka ympäröi planeettaa ja kesti useita kuukausia. Saturnuksen renkaissa todettiin olevan voimakkaita pystysuoria rakenteita ja muuttuvan ajan myötä; ne ovat dynaamisia eivätkä staattisia ja tarjoavat laboratorion, joka opettaa meille planeetan ja kuun muodostumisesta. Ja sen tiedoilla ratkaisimme vanhat ongelmat ja löysimme uusia mysteerejä muun muassa kuunluista Iapetus, Titan ja Enceladus.

Kahdenkymmenen kuukauden aikana aurinkojärjestelmän suurin myrsky riehui ympäröimällä koko kaasujätti-maailman ja kykenevän mahduttamaan jopa 10–12 maata sisälle. (NASA / JPL-CALTECH / TIIVATUT INSTITUUTI)

Ei ole epäilystäkään siitä, että haluaisimme tehdä saman Uranuksen ja Neptunuksen kanssa. Useita kiertoradalla olevia matkoja Uraaniin ja Neptunukseen on ehdotettu, ja ne ovat päässeet melko pitkälle tehtävien esittämisprosessissa, mutta yhtäkään niistä ei ole todellisuudessa annettu rakentaa tai lentää. NASA, ESA, JPL ja Yhdistynyt kuningaskunta ovat kaikki ehdottaneet Uranus-kiertäjiä, jotka ovat edelleen käynnissä, mutta kukaan ei tiedä mitä tulevaisuus omistaa.

Toistaiseksi olemme tutkineet näitä maailmoja vain kaukaa. Mutta tulevaisuuden tehtävälle on olemassa valtava toivo monen vuoden kuluttua, kun molempiin maailmoihin päästävät ikkunat kohdistuvat kerralla. Vuonna 2034 käsitteellinen ODINUS-operaatio lähettäisi kaksi kiertoradalla olevaa uraania sekä Neptunusta samanaikaisesti. Tehtävä itsessään olisi näyttävä, NASA: n ja ESA: n välinen yhteisyritys.

Uranuksen kaksi viimeistä (ulointa) rengasta, kuten Hubble löysi. Löysimme niin paljon rakennetta Uranuksen sisärenkaissa Voyager 2 -lentokoneesta, mutta kiertäjä voi näyttää meille vielä enemmän. (NASA, ESA ja M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Yksi suurimmista, lippulaiva-luokan tehtävistä, joita NASA: n planeettatieteellisen dekadaalitutkimuksen ehdottamiseksi vuonna 2011 oli Uranus-koetin ja kiertäjä. Tämä operaatio sijoittui kolmannelle prioriteetille Mars 2020 -reitin ja Europa Clipper-kiertäjän takana. Uraanin koetin ja kiertäjä voisi käynnistyä 2020-luvulla ikkunan ollessa 21 päivää vuodessa: kun Maa, Jupiter ja Uranus saavuttivat optimaalisen sijainnin. Järjestäjällä olisi kolme erillistä instrumenttia, jotka on suunniteltu kuvaamaan ja mittaamaan Uraanin, sen renkaiden ja kuiden erilaisia ​​ominaisuuksia. Uraanilla ja Neptunuksella tulisi olla ilmakehän alla valtavia nestemäisiä valtameriä, ja kiertoradalla on oltava mahdollisuus löytää se varmasti. Ilmakehän koetin mittaa pilviä muodostavia molekyylejä, lämmön jakautumista ja kuinka tuulen nopeus muuttui syvyydessä.

ESD: n ehdottama ODINUS-operaatio yhteisyrityksenä NASA: n kanssa tutkisi sekä Neptunusta että Uranusta kahdella kiertoradalla. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

ESA: n kosmisen visio-ohjelman ehdottamana Neptunian ja Uranian Systems (ODINUS) -operaation alkuperä, dynamiikka ja sisätilat menevät vielä pidemmälle: laajentamalla tätä konseptia kahteen kaksois kiertoradalla, jotka lähettäisivät yhden Neptunukseen ja yhden Uranukseen. Käynnistysikkuna vuonna 2034, jossa Maa, Jupiter, Uranus ja Neptune kohdistuvat oikein, voisivat lähettää ne molemmat samanaikaisesti.

Flyby-tehtävät ovat hienoja ensimmäisiin kohtaamisiin, koska voit oppia niin paljon maailmasta näkemällä sen läheltä. Ne ovat myös upeita, koska ne voivat saavuttaa useita kohteita, kun taas välittäjät ovat jumissa missä tahansa maailmassa he valitsevat kiertääkseen. Lopuksi kiertäjien on tuotava polttoainetta alukselle palovammojen suorittamiseksi, hidastamiseksi ja astuessaan vakaalle kiertoradalle, mikä tekee tehtävästä huomattavasti kalliimman. Mutta tiede, jonka saat pysymällä pitkällä aikavälillä planeetan ympärillä, väittäisin, enemmän kuin korvaa sen.

Kun kiertää maailmaa, näet sen kaikista puolista, samoin kuin sen renkaat, kuut ja kuinka ne käyttäytyvät ajan myötä. Esimerkiksi Cassinin ansiosta löysimme uuden renkaan, joka on peräisin vangitusta asteroidista Phoebe, ja sen roolista tummuttaa vain puolet salaperäisestä kuusta Iapetus. (SMITHSONIAN ILMA- JA TILA, NASTAAN NASA / CASSINI-KUVAT)

Tämänhetkisen tehtävän nykyiset rajoitukset eivät johdu teknisistä saavutuksista; tekniikka on olemassa sen tekemiseen tänään. Vaikeudet ovat:

  • Poliittinen: koska NASA: n budjetti on rajallinen ja rajallinen, ja sen resurssien on palveltava koko yhteisöä,
  • Fyysinen: koska jopa NASA: n uudella raskaiden nostoautojen kanssa, SLS: n ruuvaamattomalla versiolla, voimme lähettää vain rajoitetun määrän massaa ulkoiseen aurinkojärjestelmään, ja
  • Käytännöllinen: koska näillä uskomattomilla etäisyyksillä auringosta aurinkopaneelit eivät toimi. Tarvitsemme radioaktiivisia lähteitä tällä kaukaisella avaruusaluksella, ja meillä ei ehkä ole tarpeeksi tehtävää.

Viimeinen, vaikka kaikki muu tasaantuu, saattaa olla myyjän murtaja.

Plutonium-238 -oksidipelletti hehkuu omasta lämmöstään. Pu-238 on myös ydinreaktioiden sivutuotteena tuotettu radionuklidi, jota käytetään syvän avaruusaluksen ajoneuvojen syöttämiseen Mars Curiosity Roverista ultrakaukaiseen Voyager-avaruusalukseen. (Yhdysvaltojen energiaosasto)

Plutonium-238 on isotooppi, joka on luotu ydinmateriaalien prosessoinnissa, ja suurin osa sen varastoista on peräisin ajalta, jolloin luimme ja varastoimme aktiivisesti ydinaseita. Sen käyttöä radioisotooppisena termoelektrisenä generaattorina (RTG) on ollut mahtava matkoilla Kuun, Marsin, Jupiterin, Saturnuksen, Pluton ja useiden syvien avaruuskoettimien kanssa, mukaan lukien Pioneer- ja Voyager-avaruusalukset.

Mutta lopetimme sen tuotannon vuonna 1988, ja vaihtoehtomme ostaa sitä Venäjältä ovat vähentyneet, koska he ovat myös lopettaneet sen tuotannon. Viime aikoina on yritetty valmistaa uutta Pu-238 Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa, ja se tuottaa noin 2 unssia vuoden 2015 loppuun mennessä. Jatkuva kehitys siellä, samoin kuin Ontarion voimantuotanto, voisi luoda tarpeeksi operaation johtamiseen 2030-luvulle saakka. .

Yhdistettäessä kaksi 591 s valotusta, joka on saatu Voyager 2: n laajakulmakameran kirkkaan suodattimen kautta, osoittaen Neptunuksen täysrengasjärjestelmän, jolla on suurin herkkyys. Uraanilla ja Neptunuksella on monia samankaltaisuuksia, mutta omistettu tehtävä voisi havaita myös ennennäkemättömät erot. (NASA / JPL)

Mitä nopeammin liikut kohdatessasi planeettaa, sitä enemmän polttoainetta sinun on lisättävä avaruusalukseen hidastaaksesi ja asettaessasi itseäsi kiertoradalle. Pluuton matkalle ei ollut mahdollisuutta; New Horizons oli liian pieni ja sen nopeus oli aivan liian suuri, plus Pluton massa on melko pieni yrittääkseen suorittaa kiertorata. Mutta Neptunuksella ja Uranuksella, etenkin jos valitsemme oikeat painovoima-avustajat Jupiterista ja mahdollisesti Saturnusta, tämä voisi olla mahdollista. Jos haluamme mennä vain Uranukseen, voisimme käynnistää minkä tahansa vuoden 2020-luvulla. Mutta jos haluamme mennä molemmat eteen, niin teemmekin, vuosi 2034 on edessä! Neptuuni ja Uranus saattavat näyttää meiltä samanlaisilta massan, lämpötilan ja etäisyyden suhteen, mutta ne saattavat olla todella erilaisia ​​kuin Maa on Venuksesta. On vain yksi tapa selvittää. Hieman onnea, paljon investointeja ja kovaa työtä, saatamme saada selville elämämme aikana.

Lähetä Kysy Ethan -kysymyksiin aloittelijoille osoitteessa gmail dot com!

(Huomaa: Kiitos Patreon-kannattajalle Erik Jensenille, joka kysyi!)

Starts With A Bang on nyt Forbes-julkaisussa, ja se julkaistaan ​​uudelleen Medium-julkaisussa Patreon-tukijoidemme ansiosta. Ethan on kirjoittanut kaksi kirjaa, Beyond The Galaxy ja Treknology: The Star of Trek tiedestä Tricordersista Warp Driveen.