Вояджер-2 пролетел мимо Урана (R) и Нептуна (L) и обнаружил свойства, цвета, атмосферу и системы колец обоих миров. У них обоих есть кольца, много интересных лун и атмосферные и поверхностные явления, которые мы просто ждем, чтобы исследовать. (НАСА / ВОЯГЕР 2)

Спросите Итана: Можем ли мы отправить миссию, подобную Кассини, на Уран или Нептун?

Космический корабль НАСА «Кассини» научил нас больше, чем мы могли себе представить, о Сатурне. Можем ли мы сделать что-то подобное для Урана и Нептуна?

Оттуда, где мы находимся в Солнечной системе, взгляд на далекую Вселенную с нашими мощными наземными и космическими обсерваториями дал нам взгляды и знания, о которых многие из нас даже не думали, что достигнем. Но по-прежнему ничто не может заменить путешествие в далекое место, чему нас научили целевые миссии на многие планеты. Несмотря на все ресурсы, которые мы посвятили планетарной науке, мы отправили только одну миссию на Уран и Нептун: Voyager 2, который только пролетел мимо них. Каковы наши перспективы полета на орбиту в эти внешние миры? Вот что хочет знать наш сторонник Патреона Эрик Дженсен, спрашивая:

Приходит окно, когда космический корабль может быть отправлен на Уран или Нептун с использованием Юпитера для гравитационного ускорения. Каковы ограничения на использование этого, но способность достаточно замедлиться для выхода на орбиту вокруг «ледяных гигантов»?

Давайте взглянем.

Хотя визуальный осмотр показывает большой разрыв между мирами размером с Землю и размером с Нептун, реальность такова, что вы можете быть на 25% больше Земли и при этом оставаться каменистым. Что-нибудь большее, и вы больше газовый гигант. В то время как Юпитер и Сатурн имеют огромные газовые оболочки, составляющие примерно 85% этих планет, Нептун и Уран сильно отличаются друг от друга и должны иметь большие жидкие океаны ниже своих атмосфер. (ЛУННЫЙ И ПЛАНЕТАРНЫЙ ИНСТИТУТ)

Солнечная система - сложное, но, к счастью, регулярное место. Лучший способ добраться до внешней Солнечной системы, то есть любой планеты за пределами Юпитера, - это использовать сам Юпитер, чтобы помочь вам туда добраться. В физике, когда у вас есть маленький объект (например, космический корабль), летящий мимо массивного, неподвижного (например, звезды или планеты), гравитационная сила может сильно изменить свою скорость, но ее скорость должна оставаться неизменной.

Но если есть третий объект, который гравитационно важен, эта история немного меняется, и это особенно важно для достижения внешней Солнечной системы. Космический корабль, летящий, скажем, на планете, связанной с Солнцем, может набирать или терять скорость, отбирая или отбрасывая импульс системе Планета / Солнце. Огромной планете все равно, но космический корабль может получить ускорение (или замедление) в зависимости от его траектории.

Гравитационная рогатка, как показано здесь, - это то, как космический корабль может увеличить свою скорость с помощью гравитационной помощи. (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

Этот тип маневра известен как гравитационная помощь, и он был необходим для того, чтобы вывести Вояджер 1 и Вояджер 2 из Солнечной системы, а в последнее время - заставить Новые Горизонты летать на Плутоне. Несмотря на то, что орбиты Урана и Нептуна имеют удивительно длинные периоды 84 и 165 лет соответственно, окна миссии для их достижения повторяются каждые 12 лет или около того: каждый раз, когда Юпитер выходит на орбиту.

Космический корабль, запущенный с Земли, обычно несколько раз пролетает над некоторыми внутренними планетами, готовясь к помощи гравитации от Юпитера. Космический корабль, летящий над планетой, может получить словесный выстрел из рогатки - гравитационный рогатка - это слово для гравитационной помощи, которая повышает его - для увеличения скорости и энергии. Если бы мы хотели, выравнивание было правильным, что мы могли бы начать миссию в Нептун сегодня. Уран, будучи ближе, еще легче добраться.

Траектория полета НАСА для зондирующего посланника, который после успешной гравитации попал на успешную стабильную орбиту вокруг Меркурия. История похожа, если вы хотите отправиться во внешнюю Солнечную систему, за исключением того, что вы используете гравитацию, чтобы увеличить свою гелиоцентрическую скорость, а не вычесть ее. (НАСА / JHUAPL)

Десять лет назад была предложена миссия Арго: она будет летать на объектах пояса Юпитера, Сатурна, Нептуна и Койпера, с периодом запуска, который длится с 2015 по 2019 год. Но миссии с пролетом - это легко, потому что у вас нет замедлить космический корабль. Вывести его на орбиту вокруг мира сложнее, но это также намного выгоднее.

Вместо одного прохода орбитальный аппарат может получить вам охват всего мира, несколько раз, в течение длительных периодов времени. Вы можете видеть изменения в атмосфере мира и непрерывно исследовать их на самых разных длинах волн, невидимых человеческому глазу. Вы можете найти новые луны, новые кольца и новые явления, которые вы никогда не ожидали. Вы даже можете отправить спускаемый аппарат или зонд на планету или один из ее спутников. Все это и многое другое уже произошло вокруг Сатурна с недавно завершенной миссией Кассини.

Изображение северного полюса Сатурна в 2012 году (L) и в 2016 году (R), снятое широкоугольной камерой Cassini. Разница в цвете обусловлена ​​изменениями химического состава атмосферы Сатурна, вызванными прямыми фотохимическими изменениями. (НАСА / JPL-CALTECH / ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ НАУК)

Кассини не просто узнал о физических и атмосферных свойствах Сатурна, хотя и сделал это эффектно. Он не просто изобразил и узнал о кольцах, хотя и сделал это тоже. Самое невероятное, что мы наблюдали изменения и преходящие события, которые мы никогда бы не предвидели. Сатурн показал сезонные изменения, которые соответствовали химическим и цветным изменениям вокруг его полюсов. На Сатурне разразился колоссальный шторм, окружающий планету и продолжающийся многие месяцы. Было обнаружено, что кольца Сатурна имеют интенсивные вертикальные структуры и со временем меняются; они динамичны, а не статичны, и предоставляют лабораторию для обучения нас формированию планеты и луны. И с его данными мы решили старые проблемы и обнаружили новые загадки о его лунах Япете, Титане и Энцеладе, среди других.

В течение 8 месяцев бушевал самый большой шторм в Солнечной системе, окруживший весь мир газовых гигантов и способный вместить от 10 до 12 Земли внутри. (НАСА / JPL-CALTECH / ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ НАУК)

Нет сомнений, что мы бы хотели сделать то же самое для Урана и Нептуна. Многие орбитальные миссии на Уран и Нептун были предложены и сделали это довольно далеко в процессе представления миссии, но на самом деле ни одна из них не была запланирована для строительства или полета. НАСА, ЕКА, JPL и Великобритания предложили орбитальные аппараты Урана, которые все еще находятся в эксплуатации, но никто не знает, что ждет их в будущем.

До сих пор мы изучали эти миры издалека. Но через много лет есть огромная надежда на будущую миссию, когда стартовые окна для достижения обоих миров выровняются сразу. В 2034 году концептуальная миссия ОДИНУС отправит двух орбитальных спутников одновременно на Уран и Нептун. Сама миссия станет впечатляющим совместным предприятием НАСА и ЕКА.

Последние два (самых внешних) кольца Урана, обнаруженные Хабблом. Мы обнаружили так много структуры во внутренних кольцах Урана от пролета Voyager 2, но орбитальный аппарат мог показать нам еще больше. (НАСА, ЕКА и М. Шоуолтер (SETI INSTITUTE))

Одной из основных миссий флагманского класса, предложенных для проведения декадной съемки НАСА в 2011 году, было исследование и поиск орбиты Урана. Эта миссия заняла третье место после марсохода 2020 и орбитального аппарата Europa Clipper. Пробоотборник Урана мог запускаться в течение 2020-х годов с интервалом в 21 день каждый год: когда Земля, Юпитер и Уран достигли оптимальных положений. На орбите будут три отдельных прибора, предназначенных для изображения и измерения различных свойств Урана, его колец и лун. У Урана и Нептуна должны быть огромные жидкие океаны под их атмосферой, и орбитальный спутник должен быть в состоянии обнаружить это наверняка. Атмосферный зонд будет измерять образующие облако молекулы, распределение тепла и то, как скорость ветра изменяется с глубиной.

Миссия ODINUS, предложенная ЕКА в качестве совместного предприятия с НАСА, будет исследовать как Нептун, так и Уран с двумя орбитальными аппаратами. (КОМАНДА ОДИНУСА - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Предложенная программой ESA "Космическое зрение", миссия "Происхождение, динамика и внутренности Нептуновых и Урановых систем" (ODINUS) идет еще дальше: расширение этой концепции до двух близнецовых орбитальных аппаратов, которые отправят один на Нептун и один на Уран. Окно запуска в 2034 году, где Земля, Юпитер, Уран и Нептун все выровнены должным образом, может отправить их обоих одновременно.

Миссии Flyby отлично подходят для первых встреч, так как вы можете многое узнать о мире, увидев его вблизи. Они также хороши тем, что могут достигать нескольких целей, в то время как орбитальные аппараты застряли в любом мире, который они выбирают на орбите. Наконец, орбитальные аппараты должны нести топливо на борту, чтобы выполнять ожоги, замедляться и выходить на устойчивую орбиту, что делает миссию намного более дорогой. Но наука, которую вы получаете, оставаясь долгое время на планете, я бы сказал, более чем компенсирует это.

Когда вы вращаетесь вокруг мира, вы можете видеть его со всех сторон, а также его кольца, его луны и их поведение с течением времени. Благодаря Кассини, например, мы обнаружили существование нового кольца, происходящего из захваченного астероида Фиби, и его роль в затемнении только одной половины загадочной луны Япета. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ НАСА / КАССИНИ)

Нынешние ограничения такой миссии не связаны с техническими достижениями; технология существует, чтобы сделать это сегодня. Трудности:

  • Политический: потому что бюджет НАСА ограничен и ограничен, а его ресурсы должны служить всему сообществу,
  • Физический: потому что даже с новым тяжелым грузовым транспортным средством НАСА, с неуправляемой версией SLS, мы можем отправлять только ограниченное количество массы во внешнюю солнечную систему, и
  • Практично: потому что на этих невероятных расстояниях от Солнца солнечные панели не подойдут. Нам нужны радиоактивные источники для питания космического корабля, который находится так далеко, и у нас может не хватить, чтобы сделать эту работу.

Этот последний, даже если все остальное выравнивается, может быть нарушителем.

Оксид плутония-238, светящийся от собственного тепла. Пу-238, также производимый в качестве побочного продукта ядерных реакций, - это радионуклид, используемый для питания космических аппаратов дальнего радиуса действия: от марсохода Curiosity Rover до космического корабля Voyager. (Департамент энергетики США)

Плутоний-238 - это изотоп, созданный при переработке ядерного материала, и большинство наших его запасов поступают с того времени, когда мы активно создавали и накапливали ядерное оружие. Его использование в качестве радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) было впечатляющим для миссий на Луну, Марс, Юпитер, Сатурн, Плутон и множество зондов дальнего космоса, в том числе космических аппаратов Pioneer и Voyager.

Но мы прекратили его производство в 1988 году, и наши возможности купить его в России сократились, поскольку они также прекратили его производство. Недавние попытки сделать новый Pu-238 в Ок-Риджской национальной лаборатории начались, и к концу 2015 года он произвел около 2 унций. Непрерывное развитие, как и в Ontario Power Generation, могло бы создать достаточно энергии, чтобы обеспечить выполнение миссии к 2030-м годам. ,

Сшивание двух 591-х экспозиций, полученных через прозрачный фильтр широкоугольной камеры от Voyager 2, показывает полную систему колец Нептуна с самой высокой чувствительностью. У Урана и Нептуна есть много общего, но специальная миссия может также обнаружить беспрецедентные различия. (NASA / JPL)

Чем быстрее вы движетесь, когда сталкиваетесь с планетой, тем больше топлива вам нужно добавить на свой космический корабль, чтобы замедлить движение и вывести себя на орбиту. Для миссии в Плутон не было никаких шансов; New Horizons был слишком мал, и его скорость была слишком велика, плюс масса Плутона довольно мала, чтобы попытаться сделать орбитальную вставку. Но для Нептуна и Урана, особенно если мы выберем правильную гравитационную помощь от Юпитера и, возможно, Сатурна, это может быть осуществимо. Если мы хотим перейти только на Уран, мы можем запустить любой год в течение 2020-х годов. Но если мы хотим пойти на них обоих, что мы и делаем, 2034 год для нас! Нептун и Уран могут выглядеть похожими на нас с точки зрения массы, температуры и расстояния, но они могут действительно отличаться от Земли с Венеры. Есть только один способ узнать. С небольшим количеством удачи, большим количеством инвестиций и тяжелой работы мы можем узнать это в течение нашей жизни.

Направляйте свои вопросы Этану на старт-свитханг на gmail dot com!

(Примечание: спасибо стороннику Патреона Эрику Дженсену за вопрос!)

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».