Voyager 2 ляцеў як Уран (R), так і Нептун (L), і раскрыў уласцівасці, колеры, атмасферу і кальцавую сістэму абодвух светаў. У іх абодвух ёсць кольцы, шмат цікавых лун, а таксама атмасферныя і павярхоўныя з'явы, якія мы толькі чакаем, каб даследаваць. (НАСА / VOYAGER 2)

Спытайце ў Ітана: Ці можам мы накіраваць місію Касіні ва Уран ці Нептун?

Касмічны карабель НАСА Касіні навучыў нас больш, чым мы калі-небудзь уяўлялі пра Сатурн. Ці не маглі б мы зрабіць нешта падобнае для Урана і Нептуна?

Адкуль мы знаходзімся ў Сонечнай сістэме, аглядаючыся ў далёкую Сусвет з дапамогай нашых магутных наземных і касмічных абсерваторый, нам далі меркаванні і веды, пра якія многія з нас ніколі не думалі, што дасягнем. Але дагэтуль няма магчымасці замяніць рэальныя падарожжы ў далёкае месца, таму што нас вучылі спецыяльныя місіі на многіх планетах. Нягледзячы на ​​ўсе рэсурсы, якія мы прысвяцілі планетарнай навуцы, мы толькі ніколі адпраўлялі адну місію да Урана і Нептуна: Voyager 2, які праляцеў толькі імі. Якія ў нас перспектывы місіі арбіты ў гэтых знешніх светах? Пра гэта хоча ведаць наш прыхільнік "Патрэона" Эрык Джэнсен:

Надыходзіць акно, калі касмічны апарат можа быць накіраваны ва Уран ці Нептун пры дапамозе Юпітэра для гравітацыйнага ўзмацнення. Якія абмежаванні ў выкарыстанні гэтага, але ў стане дастаткова запаволіць ўваходжанне на арбіту вакол "ледзяных гігантаў"?

Давайце паглядзім.

У той час як візуальны агляд паказвае вялікі разрыў паміж светамі памеру Зямлі і Нептуном, у рэчаіснасці вы толькі на 25% больш, чым Зямля і па-ранейшаму скалістыя. Усё большае, і ты больш газавы гігант. У той час як Юпітэр і Сатурн маюць велізарныя газавыя абалонкі, якія складаюць прыблізна 85% гэтых планет, Нептун і Уран вельмі розныя, і пад іх атмасферай павінны быць вялікія вадкія акіяны. (ЛУНАР І ПЛАНЕТАРНЫ ІНСТЫТУТ)

Сонечная сістэма - складанае - але, на шчасце, рэгулярнае - месца. Лепшы спосаб дабрацца да знешняй Сонечнай сістэмы, гэта значыць любой планеце за межамі Юпітэра, - выкарыстоўваць сам Юпітэр, каб дапамагчы вам туды дабрацца. У фізіцы, калі ў вас маленькі аб'ект (напрыклад, касмічны карабель) ляціць масіўным, нерухомым (напрыклад, зоркай ці планетай), гравітацыйная сіла можа значна змяніць сваю хуткасць, але хуткасць павінна застацца ранейшай.

Але калі ёсць трэці аб'ект, які гравітацыйна важны, то гэтая гісторыя нязначна змяняецца і такім чынам асабліва актуальна для дасягнення знешняй Сонечнай сістэмы. Касмічны карабель, які пралятае, скажам, на планеце, звязанай з Сонцам, можа набраць хуткасць альбо страціць шляхам крадзяжу або адмовы ад імпульсу да сістэмы планеты / сонца. Масіўную планету не хвалюе, але касмічны апарат можа павысіць (альбо запаволіць) у залежнасці ад сваёй траекторыі.

Як паказана тут, гравітацыйная рагатка - гэта тое, як касмічны апарат можа павялічыць сваю хуткасць пры дапамозе гравітацыі. (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

Гэты тып манеўру вядомы як гравітацыйная дапамога, і гэта было важна для выезду як Voyager 1, так і Voyager 2 пры выхадзе з Сонечнай сістэмы, а з нядаўніх часоў - у палёце новых гарызонтаў на Плутон. Нават нягледзячы на ​​тое, што Уран і Нептун маюць надзвычай вялікія арбітальныя перыяды 84 і 165 гадоў, адпаведна, вокны місіі для таго, каб дабрацца да іх паўтараюцца кожныя 12 гадоў і каля таго: кожны раз, калі Юпітэр выконвае арбіту.

Касмічны апарат, запушчаны з Зямлі, звычайна некалькі разоў пралятае ўнутранай планетай, рыхтуючыся да дапамогі з боку Юпітэра. Касмічны апарат, які ляціць на планеце, можа атрымаць пасрэдна рагатку - гравітацыйная рагатка - гэта сродак дапамогі прыцягненні, якое павялічвае яе - да большай хуткасці і энергіі. Калі б мы хацелі, узгадненне будзе правільным, каб мы маглі пачаць місію ў Нептун сёння. Уран, будучы бліжэй, дабрацца яшчэ прасцей.

Шлях палёту НАСА для зонда Messenger, які скончыўся паспяховай стабільнай арбітай вакол Меркурыя пасля шэрагу сілаў цяжару. Гісторыя падобная, калі вы хочаце перайсці да знешняй Сонечнай сістэмы, за выключэннем таго, што вы выкарыстоўваеце гравітацыю, каб дадаць сваю геліяцэнтрычную хуткасць, а не адымаць ад яе. (НАСА / JHUAPL)

Дзесяцігоддзе таму была прапанавана місія Арго: на ёй будуць аблятаць аб'екты пояса Юпітэр, Сатурн, Нептун і Койпер, а запушчанае акно працягнецца з 2015 па 2019 год. Але місіі палёту простыя, таму што ў вас няма каб запаволіць касмічны апарат. Уставіць яго на арбіту ва ўсім свеце складаней, але гэта таксама значна больш карысна.

Замест аднаго праходу арбітр можа атрымаць ахоп ва ўсім свеце, некалькі разоў, на працягу доўгага перыяду часу. Вы можаце бачыць змены атмасферы свету і бесперапынна разглядаць яго ў самых розных даўжынях хваль, нябачных чалавечаму воку. Вы можаце знайсці новыя спадарожнікі, новыя пярсцёнкі і новыя з'явы, якіх вы ніколі не чакалі. Вы нават можаце адправіць на зямлю планету ці адзін з яе лунаў. Усё гэта і шмат іншага адбывалася вакол Сатурна з нядаўна завершанай місіяй Касіні.

Выява паўночнага полюса Сатурна ў 2012 годзе (L) і 2016 (R), зробленыя шырокавугольнай камерай Касіні. Розніца ў колеры абумоўлена зменамі хімічнага складу атмасферы Сатурна, выкліканымі прамымі фотахімічнымі зменамі. (Інстытут НАСА / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE)

Касіні не проста даведаўся пра фізічныя і атмасферныя ўласцівасці Сатурна, хоць і зрабіў гэта ўражліва. Гэта не проста малюнак і даведацца пра кольцы, хаця і гэта было. Самае неверагоднае - гэта тое, што мы назіралі змены і часовыя падзеі, якія мы ніколі не прадбачылі. Сатурн дэманстраваў сезонныя змены, якія адпавядалі хімічным і каляровым зменам вакол яго полюсаў. Каласальная бура разгарнулася на Сатурне, акружаючы планету, і доўжылася шмат месяцаў. Было выяўлена, што кольцы Сатурна маюць інтэнсіўныя вертыкальныя структуры і з часам мяняюцца; яны дынамічныя і не статычныя, і забяспечваюць лабараторыю, каб навучыць нас фарміраванню планеты і месяца. І, маючы яго дадзеныя, мы вырашылі старыя праблемы і адкрылі новыя загадкі пра спадарожнікі Япета, Тытана і Энцэлада, сярод іншых.

За 8 месяцаў бушавала самая вялікая навальніца Сонечнай сістэмы, якая ахапіла ўвесь свет газавага гіганта і здольная змясціць унутры 10 да 12 Зямлі. (Інстытут НАСА / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE)

Няма сумневаў, што мы хацелі б зрабіць тое ж самае для Урана і Нептуна. Мноства арбітальных місій на Уран і Нептун было прапанавана, і гэта было даволі далёка ў працэсе прадстаўлення місіі, але ні адна з іх не павінна быць пабудавана або праляцець. NASA, ESA, JPL і Вялікабрытанія прапанавалі арбіты Урана, якія ўсё яшчэ працуюць, але ніхто не ведае, што чакае будучыня.

Да гэтага часу мы вывучалі гэтыя светы толькі здалёк. Але ёсць вялікая надзея на будучую місію праз шмат гадоў, калі пускавыя вокны для дасягнення абодвух светаў будуць выраўнаваны адразу. У 2034 г. канцэптуальная місія ODINUS адправіць арбіты-блізняты адначасова і на Уран, і на Нептун. Сама місія стала б уражлівым сумесным прадпрыемствам НАСА і ЕКА.

Апошнія два (самыя вонкавыя) кольцы Урана, як выявіў Хабл. Мы выявілі гэтулькі структуры ва ўнутраных кольцах Урана з уцёкаў Voyager 2, але арбіта можа паказаць нам яшчэ больш. (НАСА, ЕВА і М. ШОУЛЬТАР (ІНСТЫТУТ СЕТІ))

Адной з асноўных, флагманскіх місій, прапанаваных у дэкадальным даследаванні планеты НАСА ў 2011 годзе, быў зонд і арбітар Урана. Гэтая місія заняла трэцяе месца, пасля марсахода "Марс 2020" і арбіты "Europa Clipper". Зонд і арбітальны апарат Урана можа запусціцца на працягу 2020-х гадоў з акном 21 дзень кожны год: калі Зямля, Юпітэр і Уран дасягнуць аптымальных пазіцый. На арбіце былі тры асобныя прыборы, прызначаныя для выявы і вымярэння розных уласцівасцей Урана, яго пярсцёнкаў і лун. Уран і Нептун павінны мець велізарныя вадкія акіяны пад сваёй атмасферай, і арбітар павінен мець магчымасць выявіць яго напэўна. Атмасферны зонд мог бы вымяраць малекулы, якія ўтвараюць воблака, размеркаванне цяпла і тое, як хуткасць ветру змянялася з глыбінёй.

Місія ODINUS, прапанаваная ESA ў якасці сумеснага прадпрыемства з НАСА, будзе даследаваць і Нептун, і Уран, з двухмесным арбітрам. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Прапанаваная праграмай ESA "Космічнае бачанне", місія "Паходжанне, дынаміка і інтэр'ер" Нептунскай і Уранскай сістэм (ODINUS) ідзе яшчэ далей: пашырэнне гэтай канцэпцыі на два арбіты-двайняты, якія адправяць адзін у Нептун, а адзін - на Уран. Акно запуску ў 2034 годзе, у якім Зямля, Юпітэр, Уран і Нептун усе выраўнаваны, можа адправіць іх адначасова.

Палёты на палётах выдатна падыходзяць для першых сустрэч, так як вы можаце даведацца так шмат пра свет, убачыўшы яго блізка. Яны таксама вялікія, бо могуць дасягнуць некалькіх мэтаў, а арбіты затрымаліся ў любым свеце, які яны абралі на арбіце. Нарэшце, арбіты павінны прынесці паліва на борце, каб зрабіць апёкі, запаволіць хуткасць і выйсці на стабільную арбіту, што робіць місію значна даражэйшай. Але я б сцвярджаў, што навука, якую вы атрымліваеце ад доўгатэрміновага захавання планеты, больш, чым яе кампенсуе.

Калі вы выходзіце на арбіту з светам, вы можаце бачыць яго з усіх бакоў, а таксама яго пярсцёнкі, луны і тое, як яны паводзяць сябе з цягам часу. Дзякуючы Касіні, напрыклад, мы выявілі існаванне новага кольца, якое адбылося ад захопленага астэроіда Фібі, і яго ролі ў пацямненні толькі адной паловы загадкавага япета Месяца. (SMITHSONIAN AIR & Space, атрыманы з малюнкаў НАСА / КАССІНІ)

Цяперашнія абмежаванні для такой місіі не выцякаюць з тэхнічных дасягненняў; Існуе тэхналогія, каб зрабіць гэта сёння. Цяжкасці:

  • Палітычны: таму што бюджэт NASA абмежаваны і абмежаваны, і яго рэсурсы павінны служыць усёй супольнасці,
  • Фізічна: таму што нават пры новым цяжкім пад'ёмным аўтамабілі NASA, адкручанай версіі SLS, мы можам адпраўляць абмежаваную колькасць масы на знешнюю Сонечную сістэму, і
  • Практычна: таму што на гэтых неверагодных адлегласцях ад Сонца сонечныя батарэі не абыдуцца. Нам патрэбныя радыеактыўныя крыніцы для харчавання касмічнага карабля гэтага далёкага, і нам можа не хапіць, каб зрабіць гэтую працу.

Апошні, нават калі ўсё астатняе, можа стаць парушальнікам.

Гранулы аксіду Плутоній-238 свяціліся ад уласнага цяпла. Pu-238 - таксама пабочны прадукт ядзерных рэакцый - гэта радыёнуклід, які выкарыстоўваецца для кіравання транспартнымі сродкамі з касмічнай прасторы, ад марскога курсора Curiosity да ультрадалёнага касмічнага карабля Voyager. (Амерыканскі аддзел энергетыкі)

Плутоній-238 - гэта ізатоп, створаны пры перапрацоўцы ядзернага матэрыялу, і большасць нашых магазінаў у ім адбываецца з таго часу, калі мы актыўна стваралі і назапашвалі ядзерную зброю. Яе выкарыстанне ў якасці радыёізатопнага тэрмоэлектрычнага генератара (RTG) было ўражлівым для палётаў на Месяц, Марс, Юпітэр, Сатурн, Плутон, а таксама зондамі з глыбокіх касмічных зон, у тым ліку касмічных апаратаў Pioneer і Voyager.

Але мы перасталі яго вырабляць у 1988 годзе, і нашы магчымасці набыць яго ў Расіі зменшыліся, бо яны таксама спынілі яго выраб. Нядаўнія намаганні па стварэнні новага Pu-238 у Нацыянальнай лабараторыі Оўк-Хрэбта пачалі вырабляць каля 2 унцый да канца 2015 года. Працяг далейшага развіцця там, як і кампанія па вытворчасці генератараў у Антарыё, магла б стварыць дастаткова для кіравання місіяй да 2030-х гадоў .

Злучэнне дзвюх экспазіцый 591-х гадоў, атрыманых праз празрысты фільтр шырокавугольнай камеры Voyager 2, дэманструе поўную кольцавую сістэму Нептуна з найбольшай адчувальнасцю. Уран і Нептун маюць шмат агульнага, але спецыяльная місія можа выявіць і беспрэцэдэнтныя адрозненні. (НАСА / JPL)

Чым хутчэй вы рухаецеся пры планеце, тым больш паліва трэба дадаць на свой касмічны апарат, каб замарудзіць і ўставіць сябе на арбіту. Для місіі ў Плутон не было выпадкаў; "Новыя гарызонты" былі занадта маленькімі, а хуткасць была занадта вялікая, а таксама маса Плутона дастаткова нізкая, каб паспрабаваць зрабіць арбітальную ўстаўку. Але для Нептуна і Урана, асабліва, калі мы падабралі правільныя сілы цяжару ад Юпітэра і, магчыма, Сатурна, гэта можа быць магчымым. Калі мы хочам ісці толькі на Уран, мы можам запусціць любы год на працягу 2020-х. Але калі мы хочам пайсці на іх абодвух, што мы і робім, 2034 год - гэта год! Нептун і Уран могуць выглядаць падобна на нас па масе, тэмпературы і адлегласці, але яны сапраўды могуць быць такімі ж рознымі, як і Зямля ад Венеры. Ёсць толькі адзін спосаб даведацца гэта. З невялікай колькасцю поспеху і вялікай колькасцю інвестыцый і напружанай працы мы можам даведацца пра гэта на працягу жыцця.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

(Заўвага: дзякуй прыхільніку Patreon Эрыку Дженсену за просьбу!)

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".