Voyager 2 lendas nii Uraani (R) kui Neptuuni (L) poolt ning selgus mõlema maailma omadused, värvid, atmosfäär ja rõngasüsteem. Neil mõlemal on rõngad, palju huvitavaid kuusid ning atmosfääri- ja pinnanähtused, mida me alles ootame uurimist. (NASA / VOYAGER 2)

Küsige Ethanilt: kas me võime saata kassiinide moodi missiooni Uraani või Neptuuni?

NASA kosmoselaev Cassini õpetas meile rohkem kui Saturnist ette kujutada. Kas saaksime midagi sarnast Uraani ja Neptuuni jaoks teha?

Siit, kus me Päikesesüsteemis asume, on meie võimsate maapealsete ja kosmosepõhiste observatooriumitega kaugele universumisse vaatamine andnud meile vaateid ja teadmisi, mida paljud meist pole kunagi arvanud, et me saavutame. Kuid kaugesse paika reisimine ei asenda ikka veel, kuna pühendatud missioonid paljudele planeetidele on meile õpetanud. Hoolimata kõigist ressurssidest, mille oleme planeediteadusele pühendanud, saatsime Uraani ja Neptuuni ainult ühe missiooni: Voyager 2, mis lendas ainult nende poolt. Millised on meie väljavaated orbiidimissiooniks nendesse välismaailmadesse? Seda soovib meie Patreoni toetaja Erik Jensen teada saada, kui ta küsib:

Saabub aken, millal kosmoselaevu võiks Jupiteri abil gravitatsioonivõimenduse saamiseks Uraani või Neptuuni saata. Millised on selle kasutamise piirangud, kuid mis võimaldavad piisavalt aeglaselt orbiidile sisenemiseks „jäähiiglaste“ ümber?

Vaatame lähemalt.

Ehkki visuaalne vaatlus näitab suurt erinevust Maa ja Neptuuni suuruse maailmade vahel, on tegelikkus see, et võite olla vaid umbes 25% suurem kui Maa ja siiski olla kivine. Midagi suuremat ja olete rohkem gaasihiiglane. Kui Jupiteril ja Saturnil on tohutud gaasiümbrised, mis hõlmavad umbes 85% nendest planeetidest, on Neptuun ja Uraan väga erinevad ning nende atmosfääri all peaksid olema suured vedelad ookeanid. (KUU- JA PLAANEARNE INSTITUUT)

Päikesesüsteem on keeruline, kuid õnneks regulaarne koht. Parim viis välise Päikesesüsteemi, st ükskõik millisele Jupiterist kaugemale jäävale planeedile pääsemiseks on Jupiteri enda kasutamine, et aidata teil sinna pääseda. Füüsikas, kui teil on mõni väike objekt (näiteks kosmoselaev), mis lendab massiivse, liikumatu objekti (näiteks tähe või planeedi) poolt, võib gravitatsioonijõud muuta selle kiirust tohutult, kuid selle kiirus peab jääma samaks.

Kuid kui leidub kolmas objekt, mis on gravitatsiooniliselt oluline, muutub see lugu pisut ja viisil, mis on eriti oluline välise Päikesesüsteemi jõudmiseks. Kosmosesõiduk, mis lendab näiteks Päikesega seotud planeedil, võib kiirendada või kaotada kiirust, varastades või andes hoogu planeedile / Päikesesüsteemile. Massiivne planeet ei hooli, kuid kosmoselaev võib sõltuvalt selle trajektoorist tõuke saada (või aeglustada).

Gravitatsiooniline tropp, nagu siin näidatud, on see, kuidas kosmoselaev saab gravitatsiooniabi abil oma kiirust suurendada. (WIKIMEDIA ÜHINE KASUTAJA ZEIMUSU)

Seda tüüpi manöövreid tuntakse raskusjõu abistajana ja see oli hädavajalik nii Voyager 1 kui ka Voyager 2 pääsemiseks Päikesesüsteemist ja hiljuti New Horizonsi lennutamisel Pluuto poolt. Ehkki Uraani ja Neptuuni orbitaalperioodid on fantastiliselt pikad - vastavalt 84 ja 165 aastat -, korduvad missiooniaknad nende juurde jõudmiseks umbes 12 aasta tagant: iga kord, kui Jupiter läbib orbiidi.

Maalt starditud kosmoselaev lendab tavaliselt Jupiteri gravitatsiooniabi ettevalmistamise ajal mõned siseplaneedid. Planeedil lendav kosmoselaev võib saada vanasõnaliselt pildistatud - gravitatsiooniline tropp on sõna gravitatsiooniabi kohta, mis seda suurendab - suurema kiiruse ja energia saamiseks. Kui me tahaksime, on joondamine õige, et me võiksime täna alustada missiooni Neptuunisse. Uraanil, olles lähemal, on veelgi lihtsamini pääseda.

NASA lennutrajektoor Messengeri sondi jaoks, mis pärast mitut raskusjõu abistamist keris Merkuuri ümber edukal, stabiilsel orbiidil. Lugu on sarnane, kui soovite minna välisele Päikesesüsteemile, välja arvatud juhul, kui kasutate gravitatsiooni oma heliotsentrilise kiiruse lisamiseks, mitte sellest lahutamiseks. (NASA / JHUAPL)

Kümmekond aastat tagasi tehti ettepanek Argo missiooniks: see lendaks Jupiteri, Saturni, Neptuuni ja Kuiperi vööobjektidega, mille käivitusaken püsiks aastatel 2015 kuni 2019. Kuid lendmissioonid on lihtsad, kuna teil pole kosmoselaeva aeglustamiseks. Selle sisestamine kogu maailma orbiidile on raskem, kuid see on ka palju rahuldustpakkuvam.

Ühe läbimise asemel võib orbiidile päästa kogu maailma, mitu korda, pika aja jooksul. Näete muutusi maailma atmosfääris ja saate seda pidevalt uurida mitmesugustel lainepikkustel, mis on inimese silmale nähtamatud. Võite leida uusi kuusid, uusi rõngaid ja uusi nähtusi, mida te pole kunagi osanud oodata. Võite isegi saata planeedi või sondi planeedile või selle ühele kuule. Kõik see ja palju muud juhtus juba Saturni ümbruses koos hiljuti lõppenud Cassini missiooniga.

2012 (L) ja 2016 (R) pilt Saturni põhjapoolusest, mõlemad tehtud Cassini lainurkokaameraga. Värvuserinevus tuleneb Saturni atmosfääri keemilise koostise muutustest, mille põhjustavad otsesed fotokeemilised muutused. (NASA / JPL-CALTECH / RUUMITEADUSE INSTITUUT)

Cassini ei õppinud lihtsalt Saturni füüsikaliste ja atmosfääriomaduste kohta, ehkki ta tegi seda suurejooneliselt. See ei kujutanud ainult rõngaid ega tundnud neid ära, ehkki ka seda tehti. Kõige uskumatum on see, et me vaatlesime muutusi ja mööduvaid sündmusi, mida me poleks kunagi osanud ette näha. Saturn näitas hooajalisi muutusi, mis vastasid keemilistele ja värvimuutustele selle pooluste ümber. Saturnil arenes kolossaalne torm, mis ümbritses planeeti ja kestis mitu kuud. Leiti, et Saturni rõngastel on intensiivsed vertikaalsed struktuurid ja need muutuvad aja jooksul; nad on dünaamilised ja mitte staatilised ning pakuvad laborit, mis õpetaks meile planeedi ja kuu moodustumist. Ja koos selle andmetega lahendasime vanad probleemid ja avastasime uusi saladusi, sealhulgas teiste seas oma kuude Iapetuse, Titan ja Enceladus.

8 kuu jooksul möllas Päikesesüsteemi suurim torm, ümbritsedes kogu gaasihiiglaste maailma ja mahutades sinna 10–12 Maad. (NASA / JPL-CALTECH / RUUMITEADUSE INSTITUUT)

On vähe kahtlust, et tahaksime sama teha Uraani ja Neptuuniga. Välja on pakutud palju Uraani ja Neptuuni orbiidil tehtavaid missioone, mis on missiooni esitamise protsessis üsna kaugele jõudnud, kuid ükski neist ei ole tegelikult ette nähtud ehitamiseks ega lendamiseks. NASA, ESA, JPL ja Suurbritannia on kõik välja pakkunud Uraani orbiidid, mis alles käivad, kuid keegi ei tea, mida tulevik hoiab.

Siiani oleme neid maailmu uurinud ainult kaugelt. Kuid tulevase missiooni jaoks on tohutu lootus paljude aastate pärast, kui mõlemasse maailma jõudmise aknad korraga joonduvad. 2034. aastal saadaks kontseptuaalne ODINUS-missioon kaksikorbiteed nii Uraani kui Neptuuni. Missioon ise oleks tähelepanuväärne NASA ja ESA ühine ettevõtmine.

Uraani kaks viimast (välimist) rõngast, mille avastas Hubble. Avastasime Voyager 2 fly-by poolt Uraani sisemistes rõngastes nii palju struktuuri, kuid orbiidil oli meile võimalus veelgi rohkem näidata. (NASA, ESA ja M. SHOWALTER (SETI INSTITUUT))

Üks peamisi, lipulaevaklassi missioone, mida NASA planeediteaduse dekadaalse uuringu jaoks 2011. aastal pakuti, oli Uraani sond ja orbiiter. See missioon määrati kolmandaks prioriteediks, marsruudi Mars 2020 ja orbiidi Europa Clipper taga. Uraani sond ja orbiiter võiksid käivituda 2020. aastatel aknaga 21 päeva igal aastal: kui Maa, Jupiter ja Uraan saavutasid optimaalsed positsioonid. Orbiidil oleks kolm eraldi seadet, mis on ette nähtud Uraani, selle rõngaste ja kuude mitmesuguste omaduste kuvamiseks ja mõõtmiseks. Uraanil ja Neptuunil peaks nende atmosfääri all olema tohutu vedel ookean ning orbiidil peaks olema võimalus seda kindlasti avastada. Atmosfäärisond mõõdaks pilvi moodustavaid molekule, soojusjaotust ja seda, kuidas tuule kiirus sügavusega muutus.

ESA poolt NASA-ga ühisettevõttena välja pakutud missioon ODINUS uuriks nii Neptuuni kui ka Uraani kahe orbiidrite komplektiga. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

ESA kosmilise visiooni programmi ettepaneku kohaselt lähevad Neptuuni ja Uraani süsteemide (ODINUS) missiooni Päritolu, Dünaamika ja Interjöörid veelgi kaugemale: laiendades seda kontseptsiooni kahele kaksik-orbiidile, mis saadaks ühe Neptuunile ja teise Uraanile. 2034. aastal käivitatud aken, kus Maa, Jupiter, Uraan ja Neptuun joonduvad õigesti, saaksid nad mõlemad korraga välja saata.

Lennukimissioonid sobivad suurepäraselt esimesteks kohtumisteks, kuna lähedalt vaadates saate maailmast nii palju õppida. Nad on suurepärased ka seetõttu, et suudavad jõuda mitme sihtmärgini, samal ajal kui orbiidid jäävad kinni ükskõik millisesse maailma, mille nad orbitatsiooni valivad. Lõpuks peavad orbiitijad pardale tooma kütuse, et põletada, aeglustada ja astuda stabiilsele orbiidile, muutes missiooni palju kallimaks. Kuid ma usun, et teadus, mida saate pikaajalisest planeedi ümber püsimisest, korvab selle.

Maailma orbiidil liikudes näete seda igast küljest, samuti selle rõngaid, kuusid ja seda, kuidas nad aja jooksul käituvad. Tänu näiteks Cassinile avastasime vallutatud asteroidist Phoebe päritolu uue rõnga olemasolu ja selle rolli salapärase kuu Iapetus vaid poole pimendamisel. (NASA / CASSINI PILTIDEST TULENEV SMITHSONIAN AIR & Space)

Praegused sellised missioonipiirangud ei tulene tehnilistest saavutustest; tehnoloogia on olemas, et seda täna teha. Raskused on järgmised:

  • Poliitiline: kuna NASA eelarve on piiratud ja piiratud ning selle ressursid peavad teenima kogu kogukonda,
  • Füüsiline: kuna isegi NASA uue raskete tõstukitega, SLS-i kruvideta versiooniga, saame välimisse päikesesüsteemi saata ainult piiratud koguse massi ja
  • Praktiline: kuna nendel uskumatutel kaugustel Päikesest päikesepaneelid seda ei tee. Selle kaugel asuva kosmoselaeva toiteks on meil vaja radioaktiivseid allikaid ja meil ei pruugi selle töö tegemiseks piisavalt olla.

Viimane, isegi kui kõik muu joondub, võib olla vahendaja.

Plutoonium-238 oksiidgraanul, mis hõõgub omast kuumusest. Pu-238, mis on toodetud ka tuumareaktsioonide kõrvalsaadusena, on radionukliid, mida kasutatakse sügavuskosmosõidukite jõudmiseks Mars Marsiossi Roverist kuni ultra-kauge Voyageri kosmoselaevadeni. (USA ENERGIAOSAKOND)

Plutoonium-238 on tuumamaterjalide töötlemisel loodud isotoop ja enamik meie selle ladudest pärineb ajast, mil tegelesime aktiivselt tuumarelvade loomise ja varumisega. Selle kasutamist radioisotoopide termoelektrilise generaatorina (RTG) on olnud tähelepanuväärne missioonidel Kuule, Marsile, Jupiterisse, Saturni, Pluutosse ja paljudes sügavas kosmosesondides, sealhulgas kosmoselaevades Pioneer ja Voyager.

Kuid lõpetasime selle tootmise 1988. aastal ja meie võimalused Venemaalt seda osta on vähenenud, sest ka nemad on selle tootmise lõpetanud. Oak Ridge'i riiklikus laboris on alustatud hiljuti uue Pu-238 valmistamist, mis toodab 2015. aasta lõpuks umbes 2 untsi. Pidev arendustegevus nii seal kui ka Ontario elektritootmisel võib luua 2030. aastateks missiooni käivitamiseks piisavalt. .

Kahe 591-särituse kokkuõmblemine, mis on saadud Voyager 2 lainurkkaamera selge filtri kaudu, mis näitab Neptuuni suurima tundlikkusega täissõrmuse süsteemi. Uraanil ja Neptuunil on palju sarnasusi, kuid spetsiaalne missioon võiks tuvastada ka enneolematuid erinevusi. (NASA / JPL)

Mida kiiremini te planeediga kokku liikudes liigute, seda rohkem kütust peate oma kosmoseaparaadile lisama, et aeglustada ja sisestada ennast orbiidile. Missiooniks Pluutosse polnud võimalust; New Horizons oli liiga väike ja selle kiirus oli liiga suur, lisaks on Pluuto mass orbiidi sisestamise proovimiseks üsna madal. Kuid Neptuuni ja Uraani jaoks, eriti kui valime Jupiteri ja võimaliku Saturni hulgast õiged raskusjõu abimehed, võib see olla teostatav. Kui tahame minna vaid Uraani, võiksime 2020. aastate jooksul käivitada ükskõik millise aasta. Kuid kui tahame minna mõlemad, mida teeme, siis on 2034 käes oleva aasta! Neptuun ja Uraan võivad meie massi, temperatuuri ja kauguse osas sarnaneda meiega, kuid need võivad tõesti erineda sama palju, kui Maa on Veenusest. Selle teada saamiseks on ainult üks viis. Pisikese õnne ja palju investeeringuid ning rasket tööd tehes võime selle oma elu jooksul teada saada.

Saatke oma Küsi Ethanilt küsimused aadressile gmail dot com aadressile startwithabang!

(Märkus: Tänu Patreoni toetajale Erik Jensenile, kes küsisite!)

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".