Voyager 2 lidoja gan ar Urānu (R), gan ar Neptūnu (L), un atklāja abu pasaulju īpašības, krāsas, atmosfēru un gredzenu sistēmas. Viņiem abiem ir gredzeni, daudz interesantu pavadoņu, kā arī atmosfēras un virsmas parādības, kuras mēs tikai gaidām, lai izpētītu. (NASA / VOYAGER 2)

Pajautājiet Etānam: vai mēs varam nosūtīt Cassini līdzīgu misiju uz Urānu vai Neptūnu?

NASA kosmosa kuģis Cassini mums mācīja vairāk nekā mēs jebkad bijām iedomājušies par Saturnu. Vai mēs varētu kaut ko līdzīgu darīt attiecībā uz Urānu un Neptūnu?

No vietas, kur atrodamies Saules sistēmā, skats uz tālu Visumu ar mūsu jaudīgajām uz zemes un kosmosā esošajām observatorijām ir devis mums viedokļus un zināšanas, kuras daudzi no mums nekad nav domājuši, ka mēs sasniegtu. Bet joprojām nevar aizstāt reālu ceļošanu uz tālu vietu, jo mums ir mācījušas īpašas misijas uz daudzām planētām. Neskatoties uz visiem resursiem, ko esam veltījuši planētu zinātnei, mēs tikai kādreiz esam sūtījuši vienu misiju uz Urānu un Neptūnu: Voyager 2, kas lidoja tikai ar viņiem. Kādas ir mūsu izredzes uz orbīta misiju uz šīm ārējām pasaulēm? Tas ir tas, ko vēlas zināt mūsu Patreon atbalstītājs Ēriks Jensens, jautājot:

Tuvojas logs, kad kosmosa kuģi varētu nosūtīt uz Urānu vai Neptūnu, izmantojot Jupiteru gravitācijas palielināšanai. Kādi ir tā izmantošanas ierobežojumi, taču spēja pietiekami lēni iekļūt orbītā ap “ledus milžiem”?

Apskatīsim.

Lai gan vizuālā pārbaude parāda lielu plaisu starp Zemes un Neptūna lieluma pasaulēm, realitāte ir tāda, ka jūs varat būt tikai par 25% lielāks nekā Zeme un joprojām būt akmeņains. Jebkas lielāks, un jūs vairāk esat gāzes gigants. Kamēr Jupiteram un Saturnam ir milzīgas gāzes aploksnes, kas satur aptuveni 85% no šīm planētām, Neptūns un Urāns ir ļoti atšķirīgi, un zem viņu atmosfēras vajadzētu būt lieliem, šķidriem okeāniem. (Mēness un planētas institūts)

Saules sistēma ir sarežģīta, bet par laimi, regulāra vieta. Labākais veids, kā nokļūt ārējā Saules sistēmā, tas ir, uz jebkuras planētas ārpus Jupitera, ir izmantot pašu Jupiteru, lai palīdzētu jums tur nokļūt. Fizikā, kad vien jums ir mazs objekts (piemēram, kosmosa kuģis), kas lido ar masīvu, nekustīgu (piemēram, zvaigzni vai planētu), gravitācijas spēks var ārkārtīgi mainīt tā ātrumu, bet tā ātrumam jāpaliek nemainīgam.

Bet, ja ir kāds trešais objekts, kas ir gravitācijas ziņā svarīgs, šis stāsts nedaudz mainās, un tas ir īpaši svarīgi, lai sasniegtu ārējo Saules sistēmu. Kosmosa kuģis, kas lido, piemēram, ar Sauli saistītās planētas tuvumā, var iegūt vai zaudēt ātrumu, zagt vai atdot impulsu planētai / Saules sistēmai. Masīvajai planētai ir vienalga, taču kosmosa kuģis var saņemt palielinājumu (vai palēninājumu) atkarībā no tā trajektorijas.

Gravitācijas cilpas, kā parādīts šeit, ir tas, kā kosmosa kuģis var palielināt ātrumu, izmantojot gravitācijas palīglīdzekli. (WIKIMEDIA COMMONS LIETOTĀJS ZEIMUSU)

Šis manevru veids ir pazīstams kā gravitācijas asistents, un tas bija būtisks, lai gan Voyager 1, gan Voyager 2 izietu no Saules sistēmas, un nesen - lai New Horizons varētu lidot ar Plutonu. Kaut arī Urāna un Neptūna orbitālais periods ir attiecīgi 84 un 165 gadi, misijas logi nokļūšanai pie viņiem atkārtojas apmēram pēc aptuveni 12 gadiem: katru reizi, kad Jupiters pabeidz orbītu.

Kosmiskais kuģis, kas palaists no Zemes, parasti pāris reizes lido pa dažām iekšējām planētām, gatavojoties Jupitera gravitācijas palīdzībai. Kosmosa kuģim, kas peld ar planētu, var tikt parādīts proverbiāli slingshot - gravitācijas slingshot ir vārds gravitācijas palīglīdzeklim, kas to palielina, - ar lielāku ātrumu un enerģiju. Ja mēs gribētu, saskaņojumi ir pareizi, ka mēs šodien varētu sākt misiju Neptūnā. Urāns, atrodoties tuvāk, ir vēl vieglāk nokļūt.

NASA lidojuma trajektorija Messenger zondei, kas pēc veiksmīgas un smagas slodzes pārtrauc veiksmīgu, stabilu orbītu ap Merkura. Stāsts ir līdzīgs, ja vēlaties doties uz ārējo Saules sistēmu, izņemot to, ka jūs izmantojat smagumu, lai palielinātu savu heliocentrisko ātrumu, nevis atņemtu no tā. (NASA / JHUAPL)

Pirms desmit gadiem tika ierosināta Argo misija: tā lidos pa Jupitera, Saturna, Neptūna un Kuipera jostas objektiem ar palaišanas logu, kas ilgs no 2015. gada līdz 2019. gadam. Bet lidošanas misijas ir viegli, jo jums nav lai palēninātu kosmosa kuģa nolaišanos. To grūtāk ir ievietot orbītā visā pasaulē, taču tas ir arī daudz atalgojošāk.

Vienreizējas caurlaides vietā orbiters ilgtermiņā var iegūt pārklājumu visā pasaulē, vairākas reizes. Jūs varat redzēt izmaiņas pasaules atmosfērā un nepārtraukti pārbaudīt to visdažādākajos viļņu garumos, kas nav redzami cilvēka acij. Jūs varat atrast jaunus mēnešus, jaunus gredzenus un jaunas parādības, kuras jūs nekad negaidījāt. Jūs pat varat nosūtīt zemētāju vai zondi uz planētu vai kādu no tās pavadoņiem. Tas viss un vēl vairāk notika jau ap Saturnu ar nesen pabeigto Cassini misiju.

Saturna ziemeļpola attēls 2012 (L) un 2016 (R), abi uzņemti ar Cassini platleņķa kameru. Krāsu atšķirība ir saistīta ar Saturna atmosfēras ķīmiskā sastāva izmaiņām, ko izraisa tiešas fotoķīmiskās izmaiņas. (NASA / JPL-CALTECH / KOSMOSA ZINĀTNES INSTITŪTS)

Cassini ne tikai uzzināja par Saturna fiziskajām un atmosfēras īpašībām, kaut arī to darīja iespaidīgi. Tas ne tikai attēloja un uzzināja par gredzeniem, kaut arī to arī darīja. Pats pārsteidzošākais ir tas, ka mēs novērojām pārmaiņas un īslaicīgus notikumus, kādus mēs nekad nebūtu paredzējuši. Saturns demonstrēja sezonālās izmaiņas, kas atbilda ķīmiskajām un krāsas izmaiņām ap tā poliem. Uz Saturna attīstījās kolosāla vētra, kas ielenca planētu un ilga vairākus mēnešus. Tika konstatēts, ka Saturna gredzeniem ir intensīvas vertikālas struktūras un laika gaitā mainās; tie ir dinamiski un nav statiski, kā arī nodrošina laboratoriju, kas mums māca par planētas un mēness veidošanos. Un ar tās datiem mēs atrisinājām vecās problēmas un cita starpā atklājām jaunus noslēpumus par tā pavadoņiem Iapetus, Titan un Enceladus.

8 mēnešu laikā plosījās vislielākā vētra Saules sistēmā, apņemot visu gāzes giganta pasauli un spējot tajā ievietot pat 10 līdz 12 zemes. (NASA / JPL-CALTECH / KOSMOSA ZINĀTNES INSTITŪTS)

Nav šaubu, ka mēs gribētu darīt to pašu attiecībā uz Urānu un Neptūnu. Ir ierosinātas daudzas misijas, kas riņķo ap Urānu un Neptūnu, un misijas iesniegšanas procesā tās ir sasniegušas diezgan tālu, taču neviena no tām faktiski nav plānota, lai būvētu vai lidotu. NASA, ESA, JPL un Apvienotā Karaliste visi ir ierosinājuši Urāna orbītājus, kas joprojām darbojas, bet neviens nezina, kāda ir nākotne.

Pagaidām mēs šīs pasaules esam pētījuši tikai no tālienes. Bet ir milzīgas cerības uz turpmāko misiju daudzu gadu laikā pēc šī brīža, kad palaišanas logi, lai sasniegtu abas pasaules, uzreiz izlīdzināsies. 2034. gadā konceptuālā ODINUS misija vienlaikus nosūtītu divus orbītas gan uz Urānu, gan uz Neptūnu. Pati misija būtu iespaidīgs, kopīgs NASA un ESA kopuzņēmums.

Pēdējie divi (attālākie) Urāna gredzeni, kurus atklāja Habls. Mēs atklājām tik lielu struktūru Urāna iekšējos gredzenos no Voyager 2 lidojuma, bet orbiters varēja mums parādīt vēl vairāk. (NASA, ESA un M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Viena no galvenajām, flagmaņa klases misijām, kas 2011. gadā tika ierosināta NASA planētu zinātnes dekadalda apsekojumam, bija Urāna zonde un orbīts. Šī misija tika atzīta par trešo prioritāti aiz maršrutētāja Mars 2020 un orbiteres Europa Clipper. Urāna zonde un orbīts 2020. gados varētu sākties ar 21 dienas logu katru gadu: kad Zeme, Jupiters un Urāns sasniedza optimālās pozīcijas. Orbiteram uz tā būtu trīs atsevišķi instrumenti, kas izstrādāti, lai attēlotu un izmērītu dažādas Urāna, tā gredzenu un tā pavadoņu īpašības. Urānam un Neptūnam zem atmosfēras vajadzētu būt milzīgiem šķidriem okeāniem, un orbītam ir jābūt spējīgam to noteikti atklāt. Atmosfēras zonde izmērīs mākoņus veidojošās molekulas, siltuma sadalījumu un to, kā vēja ātrums mainījās līdz ar dziļumu.

ODINUS misija, ko ierosināja EKA kā kopuzņēmumu ar NASA, izpētīs gan Neptūnu, gan Urānu ar divu orbiteļu komplektu. (ODINUS KOMANDA - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

EKA kosmiskās vīzijas programmas piedāvātā Neptūnijas un Urāna sistēmu (ODINUS) misijas izcelsme, dinamika un interjers notiek vēl tālāk: paplašinot šo koncepciju diviem dvīņu orbiteriem, kas vienu nosūtītu uz Neptūnu un vienu uz Urānu. Palaišanas logs 2034. gadā, kur Zeme, Jupiters, Urāns un Neptūns visi ir pareizi izlīdzināti, varētu tos abus vienlaikus nosūtīt.

Flyby misijas ir lieliskas pirmās tikšanās reizes, jo jūs varat uzzināt tik daudz par pasauli, redzot to tuvu. Viņi ir arī lieliski, jo var sasniegt vairākus mērķus, kamēr orbītas ir iestrēgušas jebkurā pasaulē, kuru viņi izvēlas riņķot. Visbeidzot, orbitieriem ir jāuzņem degviela uz kuģa, lai veiktu apdegumus, palēninātu ātrumu un ieietu stabilā orbītā, padarot misiju daudz dārgāku. Bet, manuprāt, zinātne, ko jūs iegūstat, paliekot ilgtermiņā ap planētu, vairāk nekā to kompensē.

Orbijot pasauli, jūs varat redzēt to no visām pusēm, kā arī tās gredzenus, pavadoņus un to, kā viņi laika gaitā uzvedas. Pateicoties, piemēram, Cassini, mēs atklājām, ka pastāv jauns gredzens, kura izcelsme ir sagūstītais asteroīds Fēbe, un tā loma, noslēpjot tikai pusi no noslēpumainā mēness Iapetus. (SMITHSONIAN GAISA UN TELPAS, ATŅEMTS NO NASA / KASSINI ATTĒLI)

Pašreizējie ierobežojumi šādai misijai nav saistīti ar tehniskiem sasniegumiem; tehnoloģija pastāv, lai to izdarītu šodien. Grūtības ir šādas:

  • Politiska: tā kā NASA budžets ir ierobežots un ierobežots, un tā resursiem ir jākalpo visai sabiedrībai,
  • Fiziski: tā kā pat ar NASA jauno smago pacēlāju, SLS neizskrūvēto versiju, mēs uz ārējo saules sistēmu varam nosūtīt tikai ierobežotu daudzumu masas, un
  • Praktiski: jo šajos neticamajos attālumos no Saules saules paneļi to nedarīs. Mums ir nepieciešami radioaktīvie avoti, lai darbinātu kosmosa kuģi tik tālu, un mums ar to var nepietikt, lai veiktu šo darbu.

Pēdējais, pat ja viss pārējais sakrīt, varētu būt darīšanas pārkāpējs.

Plutonija-238 oksīda granulas, kas kvēlo no paša karstuma. Arī Pu-238, kas tiek ražots kā kodolreakciju blakusprodukts, ir radionuklīds, ko izmanto dziļūdens transporta līdzekļu darbināšanai, sākot no Mars Curiosity Rover līdz īpaši tālajam Voyager kosmosa kuģim. (ASV ENERĢĒTIKAS DEPARTAMENTS)

Plutonijs-238 ir izotops, kas izveidots kodolmateriālu pārstrādē, un lielākā daļa no tā krājumiem nāk no laika, kad mēs aktīvi veidojām un uzkrājām kodolieročus. Tā kā radioizotopu termoelektriskā ģeneratora (RTG) izmantošana ir bijusi iespaidīga misijās uz Mēnesi, Marsu, Jupiteru, Saturnu, Plutonu un apgrieztu dziļo kosmisko zondi, ieskaitot Pioneer un Voyager kosmosa kuģus.

Bet mēs pārtraucām tā ražošanu 1988. gadā, un mūsu iespējas to iegādāties no Krievijas ir sarukušas, jo arī viņi to ir pārtraukuši ražot. Nesenie centieni izgatavot jauno Pu-238 Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā ir saražojuši apmēram 2 unces līdz 2015. gada beigām. Turpināta attīstība, kā arī Ontario elektroenerģijas ģenerēšana varētu radīt pietiekami daudz, lai līdz 2030. gadiem sasniegtu misiju. .

Divu 591 s ekspozīciju sašūšana, kas iegūta caur Voyager 2 platleņķa kameras caurspīdīgo filtru, parādot Neptūna pilnu gredzenu sistēmu ar visaugstāko jutību. Urānam un Neptūnam ir daudz līdzību, taču īpaša misija varētu atklāt arī nepieredzētas atšķirības. (NASA / JPL)

Jo ātrāk pārvietojaties, sastopoties ar planētu, jo vairāk degvielas jums jāpievieno kosmosa kuģim, lai palēninātos un ievietotu sevi orbītā. Misijai uz Plutonu nebija iespēju; New Horizons bija pārāk mazs un tā ātrums bija pārāk liels, kā arī Plutona masa ir diezgan maza, lai mēģinātu veikt orbītas ievietošanu. Bet Neptūnam un Urānam, it īpaši, ja mēs no Jupitera un, iespējams, Saturna izvēlamies pareizos gravitācijas palīglīdzekļus, tas varētu būt iespējams. Ja mēs vēlamies sasniegt tikai Urānu, mēs varētu sākt jebkuru gadu 2020. gadu laikā. Bet, ja mēs vēlamies doties viņiem abiem, ko mēs darām, 2034. gads ir pagājis! Neptūns un Urāns var izskatīties līdzīgi mums masas, temperatūras un attāluma ziņā, taču tie patiesībā var būt tikpat atšķirīgi, cik Zeme ir no Venēras. Ir tikai viens veids, kā to uzzināt. Ar nelielu veiksmi un lielu ieguldījumu un smagu darbu mēs savā dzīves laikā varam to uzzināt.

Nosūtiet jautājumus Uzdot etānam startwithabang vietnē gmail dot com!

(Piezīme: Paldies Patreon atbalstītājam Ērikam Jensenam par jautājumu!)

Starts With A Bang tagad ir pieejams Forbes un, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem, tiek publicēts vidējā versijā. Etāns ir rakstījis divas grāmatas “Beyond The Galaxy” un “Treknoloģija: Zvaigžņu pārgājienu zinātne no Tricorders līdz Warp Drive”.