„Voyager 2“ skrido tiek Uranu (R), tiek Neptūnu (L) ir atskleidė abiejų pasaulių savybes, spalvas, atmosferą ir žiedo sistemas. Jie abu turi žiedus, daug įdomių mėnulių ir atmosferos bei paviršiaus reiškinius, kuriuos tik laukiame ištirti. (NASA / VOYAGER 2)

Klauskite Ethano: Ar galime nusiųsti į „Cassini“ panašią misiją į Uraną ar Neptūną?

NASA erdvėlaivis „Cassini“ išmokė mus daugiau nei kada nors įsivaizdavome apie Saturną. Ar galėtume padaryti kažką panašaus su Uranu ir Neptūnu?

Iš ten, kur mes esame Saulės sistemoje, žvelgdami į tolimąją Visatą su savo galingomis antžeminėmis ir kosminėmis observatorijomis, mes mums pateikėme vaizdus ir žinias, kurių daugelis iš mūsų niekada negalvojo, kad pasieksime. Tačiau kelionė į tolimą vietą vis tiek nėra pakaitalas, nes daugelio planetų paskirtos misijos mus išmokė. Nepaisant visų išteklių, kuriuos skyrėme planetų mokslui, mes bet kada išsiuntėme tik vieną misiją į Uraną ir Neptūną: „Voyager 2“, kuri skrido tik jiems patiems. Kokios yra mūsų orbitos misijos į tuos išorinius pasaulius perspektyvos? Štai ką nori sužinoti mūsų „Patreon“ rėmėjas Erikas Jensenas:

Ateina langas, kai erdvėlaiviai galėtų būti siunčiami į Uraną ar Neptūną, naudojant Jupiterį, kad būtų padidintas gravitacinis postūmis. Kokie yra šio naudojimo apribojimai, tačiau sugebėjimas pakankamai sulėtėti, norint patekti į orbitą aplink „ledo gigantus“?

Pažiūrėkime.

Nors vizualus patikrinimas rodo didelį atotrūkį tarp Žemės dydžio ir Neptūno dydžio pasaulių, realybė yra tokia, kad jūs galite būti tik apie 25% didesnis už Žemę ir vis tiek būti akmenuotas. Bet kas didesnis, o jūs labiau dujų milžinas. Nors Jupiteris ir Saturnas turi milžiniškus dujų apvalkalus, apimančius apytiksliai 85% tų planetų, Neptūnas ir Uranas yra labai skirtingi ir jų atmosferoje turėtų būti dideli skysti vandenynai. (Mėnulio ir planetos institutas)

Saulės sistema yra sudėtinga, bet laimei, reguliariai veikianti vieta. Geriausias būdas patekti į išorinę Saulės sistemą, tai yra, bet kurią planetą už Jupiterio, yra pats Jupiteris, kuris padės jums ten patekti. Fizikoje, kai tik turite nedidelį objektą (pvz., Erdvėlaivį), skrendantį masyviu nejudančiu daiktu (pavyzdžiui, žvaigžde ar planeta), gravitacinė jėga gali nepaprastai pakeisti jo greitį, tačiau jo greitis turi išlikti tas pats.

Bet jei yra trečias objektas, kuris yra gravitaciniu požiūriu svarbus, ta istorija šiek tiek pasikeičia ir tokiu būdu, kuris yra ypač svarbus norint pasiekti išorinę Saulės sistemą. Erdvėlaivis, skraidantis, tarkime, su Saule sujungtoje planetoje, gali įgyti arba prarasti greitį pavogdamas arba atiduodamas planetos / Saulės sistemai pagreitį. Masyvi planeta nerūpi, tačiau, atsižvelgiant į jo trajektoriją, erdvėlaivis gali gauti postūmį (arba lėtėjimą).

Gravitacinis strypas, kaip parodyta čia, yra tai, kaip erdvėlaivis gali padidinti greitį naudodamas gravitacijos pagalbinę priemonę. (WIKIMEDIA BENDRAS VARTOTOJAS ZEIMUSU)

Šis manevras yra žinomas kaip sunkio jėgos pagalba, ir jis buvo būtinas norint „Voyager 1“ ir „Voyager 2“ išeiti iš Saulės sistemos ir visai neseniai - norint „New Horizons“ skristi Plutonu. Nors Urano ir Neptūno orbitaliniai periodai yra atitinkamai 84 ir 165 metai, misijos langai pasikartoja maždaug kas 12 metų: kiekvieną kartą, kai Jupiteris užbaigia orbitą.

Erdvėlaivis, paleistas iš Žemės, paprastai keletą kartų skraido pro vidines planetas, ruošdamasis Jupiterio sunkio jėgos pagalbinei įrangai. Erdvėlaivis, skriejantis planetos link, gali būti išgirstas pro šoninį kadrą - gravitacinis timpa yra žodis gravitacijos pagalbininkui, kuris jį padidina - didesniam greičiui ir energijai. Jei mes norėtume, suderinimai yra teisingi, kad šiandien galėtume pradėti misiją Neptune. Uranas, būdamas arčiau, dar lengviau prieinamas.

NASA skrydžio trajektorija, skirta „Messenger“ zondui, kuris skrieja sėkminga, stabilia orbita aplink aplink Merkurijų po daugybės sunkio jėgų. Istorija panaši, jei norite pereiti prie išorinės Saulės sistemos, išskyrus tai, kad gravitaciją naudojate norėdami padidinti savo heliocentrinį greitį, o ne atimti iš jo. (NASA / JHUAPL)

Prieš dešimtmetį buvo pasiūlyta „Argo“ misija: ji skraidys Jupiterio, Saturno, Neptūno ir Kuiperio juostų objektais, kurių paleidimo langas truks nuo 2015 iki 2019 m. Tačiau skristi misijomis yra lengva, nes neturite norint sulėtinti erdvėlaivio greitį. Įterpti jį į orbitą visame pasaulyje yra sunkiau, tačiau tai taip pat yra daug naudingiau.

Vietoj vieno praėjimo orbitos gali per ilgą laiką kelis kartus aprėpti visą pasaulį. Galite pamatyti pasaulio atmosferos pokyčius ir nuolatos juos tyrinėti įvairiausiais bangos ilgiais, nematomais žmogaus akiai. Galite rasti naujų mėnulių, naujų žiedų ir naujų reiškinių, kurių niekada nesitikėjote. Jūs netgi galite nusiųsti nusileidimą ar zondą į planetą ar vieną iš jos mėnulių. Visa tai ir dar daugiau įvyko aplink Saturną su neseniai baigta „Cassini“ misija.

2012 m. (L) ir 2016 m. (R) vaizdas iš Saturno šiaurinio poliaus, abu nufotografuoti su „Cassini“ plačiakampiu fotoaparatu. Spalvos skirtumą lemia Saturno atmosferos cheminės sudėties pokyčiai, kuriuos sukelia tiesioginiai fotocheminiai pokyčiai. (NASA / JPL-CALTECH / ERDVĖS MOKSLO INSTITUTAS)

Cassini ne tik sužinojo apie Saturno fizines ir atmosferines savybes, nors tai padarė įspūdingai. Tai ne tik atvaizdavo ir sužinojo apie žiedus, nors ir padarė. Stebina tai, kad stebėjome pokyčius ir trumpalaikius įvykius, kurių niekada nebūdavome numatę. Saturnas demonstravo sezoninius pokyčius, kurie atitiko cheminius ir spalvos pokyčius aplink jo polius. Ant Saturno išsivystė kolosinė audra, apjuosianti planetą ir tęsianti daugelį mėnesių. Buvo nustatyta, kad Saturno žiedai turi stiprią vertikalią struktūrą ir laikui bėgant keičiasi; Jie yra dinamiški, o ne statiniai, ir suteikia laboratoriją, mokančią mus apie planetų ir mėnulio susidarymą. Turėdami duomenų mes išsprendėme senas problemas ir atradome naujas paslaptis apie savo mėnulius Iapetus, Titaną ir Enceladus.

Per 8 mėnesius siautė didžiausia Saulės sistemos audra, apjuosianti visą dujų milžinišką pasaulį ir galinti joje tilpti nuo 10 iki 12 žemės. (NASA / JPL-CALTECH / ERDVĖS MOKSLO INSTITUTAS)

Yra mažai abejonių, kad mes norėtume tą patį padaryti su Uranu ir Neptūnu. Buvo pasiūlyta daug orbitų keliančių misijų į Uraną ir Neptūną ir jos gana toli buvo pateiktos misijos pateikimo procese, tačiau nė viena iš jų nebuvo planuojama kurti ar skristi. NASA, ESA, JPL ir JK visi pasiūlė vis dar naudojamus „Urano“ orbitus, tačiau niekas nežino, kokia ateitis.

Kol kas šiuos pasaulius tyrėme tik iš tolo. Bet jau po daugelio metų yra didžiulė viltis būsimai misijai, kai paleidimo langai, skirti abiem pasauliams pasiekti, bus suderinti iškart. 2034 m. Koncepcinė ODINUS misija siųstų porinius orbitus tiek į Uraną, tiek į Neptūną. Pati misija būtų įspūdinga, bendra NASA ir ESA įmonė.

Paskutiniai du (atokiausi) Urano žiedai, kuriuos atrado Hablas. Iš „Voyager 2“ skraidančiojo „Uranus“ vidinių žiedų aptikome tiek daug struktūros, tačiau orbita gali mums parodyti dar daugiau. (NASA, ESA ir M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Viena iš pagrindinių, flagmanų klasės misijų, pasiūlytų NASA planetų mokslo dekadalinio tyrimo 2011 m., Buvo Urano zondas ir orbita. Ši misija buvo įvertinta trečiuoju prioritetu už „Mars 2020“ roverį ir „Europa Clipper“ orbitą. Urano zondas ir orbita gali būti paleistas 2020 m., Per 21 metus kasmet leidžiant langą: kai Žemė, Jupiteris ir Uranas pasiekė optimalias pozicijas. Orbiteryje būtų trys atskiri instrumentai, skirti įvairaus dydžio Uranui, jo žiedams ir mėnuliams atvaizduoti ir išmatuoti. Urano ir Neptūno atmosferoje turėtų būti didžiuliai skysti vandenynai, ir orbitas turėtų sugebėti tai atrasti. Atmosferos zondas išmatuotų debesis sudarančias molekules, šilumos pasiskirstymą ir tai, kaip vėjo greitis kinta atsižvelgiant į gylį.

ODINUS misija, kurią ESA pasiūlė kaip bendrą įmonę su NASA, ištyrinėtų tiek Neptūną, tiek Uraną su dviem orbitų rinkiniais. („ODINUS TEAM“ - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

EKS kosminės vizijos programos pasiūlyta Neptūno ir Urano sistemų (ODINUS) misijos „Ištakos, dinamika ir interjerai“ eina dar toliau: išplėskite šią koncepciją dviem dvigubomis orbitomis, kurios vieną nusiųstų Neptūnui, o kitą - Uranui. 2034 m. Paleidimo langas, kuriame Žemė, Jupiteris, Uranas ir Neptūnas tinkamai suderinami, galėtų juos abu išsiųsti vienu metu.

„Flyby“ misijos yra puikios pirmųjų susitikimų metu, nes pamatę iš arti galite sužinoti tiek daug apie pasaulį. Jie taip pat yra puikūs, nes gali pasiekti kelis taikinius, tuo tarpu orbitos užstrigo bet kuriame pasaulyje, kurį pasirenka orbitoje. Pagaliau orbitos dalyviai turi atsinešti degalų, kad galėtų nudegti, sulėtinti greitį ir patekti į stabilią orbitą, todėl misija tampa daug brangesnė. Bet, mano nuomone, mokslas, kurį gausite iš likęs ilgalaikis aplink planetą, daugiau nei atsveria.

Orbituodami pasaulį galite pamatyti jį iš visų pusių, taip pat jo žiedus, mėnulius ir tai, kaip jie elgiasi laikui bėgant. Pavyzdžiui, Cassini dėka mes sužinojome, kad egzistuoja naujas žiedas, kilęs iš užfiksuoto asteroido Phoebe, ir jo vaidmuo patamsinant tik pusę paslaptingo mėnulio Iapetus. (SMITHSONIJOS ORO IR ERDVĖ, ATLIKTA NASA / CASSINI VAIZDAI)

Dabartiniai tokios misijos apribojimai nėra susiję su techniniais pasiekimais; technologija egzistuoja tai padaryti šiandien. Sunkumai yra šie:

  • Politinis: kadangi NASA biudžetas yra ribotas ir ribotas, o jo ištekliai turi tarnauti visai bendruomenei,
  • Fizinis: kadangi net ir naudodamiesi NASA sunkiasvoriu keltuvu, neatsuktu SLS variantu, į išorinę saulės sistemą galime išsiųsti tik ribotą kiekį masės, ir
  • Praktiška: nes tokiais neįtikėtinais atstumais nuo Saulės saulės baterijos to nepadarys. Mums reikia radioaktyvių šaltinių, kad galėtume naudoti kosminį laivą taip toli, ir mums gali neužtekti to darbo.

Tas paskutinis, net jei visa kita suderins, gali būti prekybininkas.

Plutonio-238 oksido granulės švyti iš savo šilumos. Taip pat gaminamas kaip šalutinis branduolinių reakcijų produktas, „Pu-238“ yra radionuklidas, naudojamas galutiniams kosminiams aparatams varyti nuo Mars Curiosity Rover iki tolimiausio „Voyager“ erdvėlaivio. (JAV ENERGETIKOS DEPARTAMENTAS)

Plutonis-238 yra izotopas, sukurtas perdirbant branduolines medžiagas, ir dauguma jo atsargų yra iš tų laikų, kai mes aktyviai kūrėme ir kaupėme branduolinius ginklus. Jo panaudojimas kaip radioizotopų termoelektrinis generatorius (RTG) buvo įspūdingas atliekant misijas į Mėnulį, Marsą, Jupiterį, Saturną, Plutoną ir daugybę giliųjų kosminių zondų, įskaitant „Pioneer“ ir „Voyager“ kosminius aparatus.

Bet mes 1988 m. Mes nustojome jį gaminti, o mūsų galimybės jį įsigyti iš Rusijos sumažėjo, nes jie taip pat nustojo gaminti. Neseniai pradėtos naujos „Pu-238“ gamybos valstybinėje laboratorijoje „Oak Ridge“ laboratorija, iki 2015 m. Pabaigos pagaminsianti apie 2 uncijas. Tęsiantys vystymąsi ten, taip pat ir „Ontario“ elektros energijos generavimą, būtų galima sukurti pakankamai, kad misija būtų vykdoma iki 2030-ųjų. .

Sujungus dvi 591 s ekspozicijas, gautas per aiškų „Voyager 2“ plačiakampio fotoaparato filtrą, parodoma didžiausio jautrumo „Neptūno“ žiedo sistema. Uranas ir Neptūnas turi daug panašumų, tačiau skirta misija taip pat galėtų aptikti precedento neturinčius skirtumus. (NASA / JPL)

Kuo greičiau judėsite susidūrę su planeta, tuo daugiau degalų turėsite įpilti į savo erdvėlaivį, kad sulėtėtumėte ir įliptumėte į orbitą. Misijai Plutone nebuvo jokių šansų; „New Horizons“ buvo per mažas, o jo greitis buvo per didelis, be to, Plutono masė yra gana maža, norint išbandyti orbitalės įterpimą. Bet Neptūnui ir Uranui, ypač jei pasirinksime tinkamus gravitacijos pagalbinius įrenginius iš Jupiterio ir galbūt Saturno, tai galėtų būti įmanoma. Jei norime važiuoti tik Uranu, 2020 m. Galėtume pradėti bet kuriuos metus. Bet jei mes norime eiti dėl jų abiejų, ką mes darome, 2034 metai yra metai! Neptūnas ir Uranas gali atrodyti panašūs į mus masės, temperatūros ir atstumo atžvilgiu, tačiau jie tikrai gali skirtis taip, kaip Žemė yra nuo Veneros. Yra tik vienas būdas tai sužinoti. Su trupučiu sėkmės, daug investuodami ir sunkiai dirbdami, mes galime tai sužinoti per savo gyvenimą.

Nusiųskite „Klausk Etano“ klausimus „Startwithabang“ adresu gmail dot com!

(Pastaba: Ačiū „Patreon“ rėmėjui Erikui Jensenui, kad paklausėte!)

„Starts With A Bang“ dabar yra „Forbes“ ir pakartotinai paskelbtas laikmenoje mūsų „Patreon“ rėmėjų dėka. Etanas yra parašęs dvi knygas „Beyond The Galaxy“ ir „Treknology: The Star of Trek Science of Tricorders to Warp Drive“.