Voyager 2 пролетів і Ураном (R), і Нептуном (L), і виявив властивості, кольори, атмосферу та кільцеві системи обох світів. Вони обидва мають кільця, багато цікавих лун, а також атмосферні та поверхневі явища, яких ми просто чекаємо, щоб їх розслідувати. (NASA / VOYAGER 2)

Запитайте Етана: Чи можемо ми відправити місію, схожу на Кассіні, до Урана чи Нептуна?

Космічний корабель Кассіні НАСА навчив нас більше, ніж ми коли-небудь уявляли про Сатурн. Чи могли б ми зробити щось подібне для Урана та Нептуна?

З того місця, де ми знаходимося в Сонячній системі, огляд далекого Всесвіту з нашими потужними наземними та космічними обсерваторіями дав нам погляди та знання, які багато хто з нас ніколи не думали досягти. Але все ще немає заміни для того, щоб насправді подорожувати до далекого місця, як навчили нас спеціальні місії на багатьох планетах. Незважаючи на всі ресурси, які ми присвятили планетарній науці, ми лише коли-небудь відправляли одну місію в Уран і Нептун: Вояджер 2, який пролетів лише ними. Які наші перспективи для місії орбіти в ці зовнішні світи? Ось що хоче прихильник нашого Патреона Ерік Дженсен, коли він запитує:

Наближається вікно, коли космічні кораблі можуть бути відправлені в Уран або Нептун, використовуючи Юпітер для гравітаційного поштовху. Які обмеження у використанні цього, але в змозі достатньо сповільнитись для виходу на орбіту навколо "крижаних гігантів"?

Давайте подивимось.

Хоча візуальний огляд показує великий розрив між світами розміру Землі та Нептуном, реальність полягає в тому, що ви можете бути лише на 25% більшими за Землю і все ще бути скелястими. Все більше, і ти більше газовий гігант. У той час як Юпітер і Сатурн мають величезні газові оболонки, що складають приблизно 85% цих планет, Нептун і Уран дуже різні, і вони повинні мати великі, рідкі океани під їх атмосферою. (ЛУНАР І ПЛАНЕТАРНИЙ ІНСТИТУТ)

Сонячна система - це складне, але, на щастя, регулярне місце. Найкращий спосіб дістатися до зовнішньої Сонячної системи, тобто будь-якої планети поза Юпітером, - використовувати сам Юпітер, щоб допомогти вам потрапити туди. У фізиці, коли у вас маленький предмет (як космічний корабель) летить масовим, нерухомим (як зірка чи планета), гравітаційна сила може сильно змінити свою швидкість, але швидкість повинна залишатися однаковою.

Але якщо є третій об’єкт, який гравітаційно важливий, ця історія змінюється незначно, і таким чином, що особливо актуально для досягнення зовнішньої Сонячної системи. Космічний корабель, який летить, скажімо, на планеті, пов'язаній із Сонцем, може набирати або втрачати швидкість шляхом крадіжки або передачі імпульсу системі планети / Сонця. Масивна планета не хвилює, але космічний апарат може отримати поштовх (або уповільнення) залежно від його траєкторії.

Гравітаційний рогат, як показано тут, - це те, як космічний апарат може збільшити свою швидкість за допомогою сили тяжіння. (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

Цей тип маневру відомий як гравітаційна допомога, і це було важливо для того, щоб як «Вояджер-1», так і «Вояджер-2» виходили із Сонячної системи, а з недавніх пір - в тому, щоб Нові горизонти летіли Плутоном. Незважаючи на те, що Уран і Нептун мають надзвичайно довгі орбітальні періоди відповідно 84 і 165 років, вікна місії для потрапляння на них повторюються кожні 12 років або близько того: щоразу, коли Юпітер виконує орбіту.

Космічний корабель, запущений із Землі, зазвичай кілька разів літає на якійсь із внутрішніх планет, готуючись до допомоги гравітації Юпітера. Космічний корабель, що летить планетою, може отримати поспіль рогатку - гравітаційний рогат - це слово для сили тяжіння, яка збільшує його - до більшої швидкості та енергії. Якби ми хотіли, вирівнювання правильно, що ми могли б розпочати місію до Нептуна сьогодні. До Урана, будучи ближче, дістатися ще простіше.

Шлях польоту НАСА для зонда

Десять років тому була запропонована місія "Арго": вона здійснюватиме польоти об'єктами пояса Юпітера, Сатурна, Нептуна та Койпера, із запускаючим вікном тривалістю з 2015 по 2019 рік. Але місійні місії прості, тому що у вас немає щоб уповільнити космічний апарат. Вставити його на орбіту в усьому світі важче, але це також набагато корисніше.

Замість одного проходу орбітальник може отримувати вас у всьому світі, багаторазово, протягом тривалих періодів часу. Ви можете бачити зміни в атмосфері світу і безперервно досліджувати його в найрізноманітніших довжинах хвиль, невидимих ​​людському оці. Ви можете знайти нові місяці, нові каблучки та нові явища, яких ви ніколи не очікували. Ви навіть можете відправити землю або зонд на планету чи одну з її лун. Все це та багато іншого вже відбулося навколо Сатурна з нещодавно завершеною місією Кассіні.

Зображення північного полюса Сатурна у 2012 році (L) та 2016 (R), зроблене ширококутною камерою Кассіні. Різниця в кольорі обумовлена ​​змінами хімічного складу атмосфери Сатурна, спричиненими прямими фотохімічними змінами. (Інститут НАСА / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE)

Кассіні не просто дізнався про фізичні та атмосферні властивості Сатурна, хоча це зробив вражаюче. Це не просто зображення та дізнатися про кільця, хоча це теж зробило. Найбільш неймовірне - це те, що ми спостерігали зміни та перехідні події, які ми ніколи б не передбачили. Сатурн зазнав сезонних змін, які відповідали хімічним та кольоровим змінам навколо його полюсів. На Сатурні розвинулася колосальна буря, що оточувала планету і тривала багато місяців. Було виявлено, що кільця Сатурна мають інтенсивні вертикальні структури і змінюються з часом; вони динамічні, а не статичні, і забезпечують лабораторію, яка навчає нас про формування планети і місяця. І, за його даними, ми вирішили старі проблеми та відкрили нові таємниці про його місяці Япета, Титана та Енцелада, серед інших.

Протягом 8 місяців вирувала найбільша буря у Сонячній системі, яка оточила весь світ газових гігантів і здатна вмістити всередину від 10 до 12 Землі. (Інститут НАСА / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE)

Мало сумнівів, що ми хотіли б зробити те ж саме для Урана та Нептуна. Багато орбітальних місій на Уран і Нептун було запропоновано, і це було досить далеко в процесі подання місії, але жодна насправді не планується будувати або літати. НАСА, ЄКА, JPL та Великобританія запропонували орбітальні урани, які все ще працюють, але ніхто не знає, що чекає майбутнє.

Поки ми вивчали ці світи лише здалеку. Але є величезна надія на майбутню місію через багато років, коли запуск вікон для досягнення обох світів вирівняється одразу. У 2034 році концептуальна місія ODINUS направить орбіти-близнюки одночасно і на Уран, і на Нептун. Сама місія була б вражаючим спільним підприємством між НАСА та ЄКА.

Останні два (зовнішні) кільця Урана, як виявив Хаббл. Ми виявили стільки будови у внутрішніх кільцях Урана від прольоту

Однією з найважливіших місій класових класів, запропонованих для дослідження декадальних досліджень планети НАСА в 2011 році, був зонд і орбітальник Урана. Ця місія посіла третє пріоритетне місце, після марсохода "Марс 2020" та орбіти "Європи". Зонд-орбітал Урана міг запуститися протягом 2020-х років з вікном 21 день щороку: коли Земля, Юпітер та Уран досягли оптимальних позицій. На орбітальному апараті були три окремі прилади, призначені для зображення та вимірювання різних властивостей Урана, його кілець та його лун. Уран і Нептун повинні мати величезні рідкі океани під їх атмосферою, і орбітал повинен мати можливість відкрити його напевно. Атмосферний зонд вимірював молекули, що утворюють хмари, розподіл тепла та те, як швидкість вітру змінювалася з глибиною.

Місія ODINUS, запропонована ESA як спільне підприємство з НАСА, досліджувала б і Нептун, і Уран з двома наборами орбіт. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Запропонований програмою ESA Cosmic Vision, місія "Походження, динаміка та інтер'єри" Нептунової та уранової систем (ODINUS) іде ще далі: розширення цієї концепції на два орбіти-близнюки, які направлять одну в Нептун, а одну - на Уран. Вікно запуску в 2034 році, де Земля, Юпітер, Уран і Нептун усі вирівнюються належним чином, може відправити їх обох одночасно.

Летячі місії чудово підходять для перших зустрічей, оскільки ви можете так багато дізнатися про світ, побачивши його близько. Вони також чудові тим, що можуть досягти декількох цілей, а орбіти застрягають у будь-якому світі, який вони вирішать на орбіту. Нарешті, орбітальники повинні принести пальне на борт, щоб виконувати опіки, гальмувати та виходити на стабільну орбіту, що робить місію значно дорожчою. Але я б стверджував, що наука, яку ви отримуєте від довготривалої існування навколо планети, більше, ніж її компенсує.

Коли ви орбите світ, ви можете бачити його з усіх боків, а також його кільця, його місяці та те, як вони поводяться з часом. Завдяки Кассіні, наприклад, ми виявили існування нового кільця, що походить від захопленого астероїду Фібі, і його роль у затемненні лише однієї половини таємничого япету Місяця. (Повітря і простір СМІТСОНІЯ, ПОПЕРЕДЖЕНІ НА Зображеннях НАСА / КАССІНІ)

Поточні обмеження такої місії не випливають із технічних досягнень; існує технологія, щоб зробити це сьогодні. Труднощі:

  • Політичний: оскільки бюджет NASA обмежений і обмежений, а його ресурси повинні обслуговувати всю громаду,
  • Фізичний: оскільки навіть з новим важким підйомним апаратом НАСА, розкрученою версією SLS, ми можемо відправити лише обмежену кількість маси у зовнішню Сонячну систему, і
  • Практично: адже на цих неймовірних відстанях від Сонця сонячні батареї не обійдуться. Нам потрібні радіоактивні джерела для живлення космічного корабля на цьому далекому, і нам може не вистачити для виконання цієї роботи.

Цей останній, навіть якщо все інше вирівняється, може бути порушником.

Гранул оксиду Плутоній-238 світиться від власного тепла. Крім того, Pu-238, отриманий як побічний продукт ядерних реакцій, є радіонуклідом, який використовується для керування транспортними засобами глибокого космосу, від марсохода Curiosity до подій ультравіддаленого космічного корабля Voyager. (Американський відділ енергетики)

Плутоній-238 - це ізотоп, створений при обробці ядерного матеріалу, і більшість наших магазинів його походить з часів, коли ми активно створювали і запасали ядерну зброю. Його використання в якості радіоізотопного термоелектричного генератора (РТГ) було вражаючим для місій на Місяць, Марс, Юпітер, Сатурн, Плутон, а також зондів з глибоких космічних зондів, включаючи космічні кораблі "Піонер" і "Вояджер".

Але ми припинили його виробництво в 1988 році, і наші варіанти придбати його у Росії зменшилися, оскільки вони теж припинили його виробництво. Нещодавні зусилля з виготовлення нового Pu-238 в Національній лабораторії Оук-Рідж почали виробляти близько 2 унцій до кінця 2015 року. Подальший розвиток там, а також енергогенерація в Онтаріо може створити достатньо для управління місією до 2030-х років .

Зшивання двох експозицій 591-х, отриманих через прозорий фільтр ширококутної камери від Voyager 2, показує повну кільцеву систему Нептуна з найбільшою чутливістю. Уран і Нептун мають багато подібності, але спеціальна місія може також виявити безпрецедентні відмінності. (NASA / JPL)

Чим швидше ви рухаєтесь, коли зустрічаєте планету, тим більше палива потрібно додати на свій космічний апарат, щоб сповільнитись і вставити себе на орбіту. Для місії до Плутона жодних випадків не було; "Нові горизонти" були занадто малі, а швидкість його була занадто велика, плюс маса Плутона досить низька, щоб спробувати зробити орбітальну вставку. Але для Нептуна та Урана, особливо якщо ми обираємо правильну допомогу сили тяжіння від Юпітера та, можливо, Сатурна, це може бути здійсненним. Якщо ми хочемо піти лише на Уран, ми можемо запустити будь-який рік протягом 2020-х. Але якщо ми хочемо піти на них обох, що ми робимо, 2034 рік - це наступний рік! Нептун та Уран можуть бути схожими на нас за масою, температурою та відстані, але вони можуть бути справді такими ж різними, як Земля від Венери. Є лише один спосіб дізнатися це. Маючи трохи удачі та багато інвестицій та наполегливої ​​праці, ми можемо дізнатися це протягом нашого життя.

Надішліть свої запитання Етану на startwithabang на gmail dot com!

(Примітка. Дякую прихильникові Patreon Еріку Дженсену за запитання!)

"Стартує з вибухом" зараз на Forbes, і перевидано на "Середній" завдяки нашим прихильникам Patreon. Етан є автором двох книг: «За межами Галактики» та «Трекнологія: Наука про Зоряний шлях від трикутників до варп-драйву».