Voyager 2 flaug um bæði Úranus (R) og Neptúnus (L) og opinberaði eiginleika, liti, andrúmsloft og hringkerfi beggja heimanna. Þeir hafa báðir hringi, marga áhugaverða tungl og andrúmslofts- og yfirborðsfyrirbæri sem við erum bara að bíða eftir að kanna. (NASA / VOYAGER 2)

Spyrðu Ethan: Getum við sent Cassini-lík verkefni til Úranus eða Neptúnusar?

Cassini geimfar NASA kenndi okkur meira en við höfðum ímyndað okkur um Satúrnus. Gætum við gert eitthvað svipað fyrir Úranus og Neptúnus?

Þaðan sem við erum í sólkerfinu, með því að horfa út á fjarlæga alheiminn með öflugum jarðstöðvum og rýmisbundnum stjörnustöðvum hefur gefið okkur sjónarmið og þekkingu sem mörg okkar héldu aldrei að við fengjum. En það er samt ekkert í staðinn fyrir að ferðast raunverulega til fjarlægari staða, eins og tileinkuð verkefni margra reikistjarna hafa kennt okkur. Þrátt fyrir öll þau úrræði sem við höfum varið til plánetufræðinnar höfum við aðeins sent eitt verkefni til Úranusar og Neptúnusar: Voyager 2, sem flaug aðeins af þeim. Hverjar eru horfur okkar á sporbrautarleiðangri til þessara ytri heima? Það er það sem stuðningsmaður Patreon okkar, Erik Jensen, vill vita, eins og hann spyr:

Það kemur gluggi þegar hægt væri að senda geimfar til Úranus eða Neptúnusar með Júpíter til að auka þyngdaraflið. Hver eru þvingunin við að nota þetta en að geta hægt á nægilegan hátt til að komast í sporbraut um „ísrisana“?

Við skulum kíkja.

Þó að sjónræn skoðun sýni stórt skarð milli heima jarðar og Neptúnus stærð, er raunveruleikinn sá að þú getur aðeins verið um 25% stærri en jörðin og samt verið grjótharður. Nokkuð stærra, og þú ert meira af gasrisi. Júpíter og Satúrnus hafa gífurleg umslag gass sem samanstendur af u.þ.b. 85% þessara reikistjarna, en Neptúnus og Úranus eru mjög ólíkir og ættu að hafa stór, fljótandi höf undir andrúmsloftinu. (LUNAR- og plánetustofnun)

Sólkerfið er flókinn - en sem betur fer venjulegur - staður. Besta leiðin til að komast að ytra sólkerfinu, sem er að segja, allir plánetur handan Júpíters, er að nota sjálfa Júpíter til að hjálpa þér að komast þangað. Í eðlisfræði, þegar þú ert með lítinn hlut (eins og geimfar) flýgur með stórfelldum, kyrrstæðum hlut (eins og stjörnu eða plánetu), getur þyngdaraflið breytt hraða sínum gríðarlega, en hraði hans verður að vera sá sami.

En ef það er þriðji hlutur sem er þyngdarafl mikilvægur, þá breytist sagan lítillega og á þann hátt sem er sérstaklega viðeigandi til að ná ytra sólkerfi. Geimfar sem flýgur til dæmis plánetu sem er bundið við sólina getur náð eða tapað hraða með því að stela eða gefa upp skriðþunga til reikistjarna / sólkerfisins. Gríðarlegu plánetunni er ekki sama, en geimfarið getur fengið uppörvun (eða hraðaminnkun) eftir braut þess.

Þyngdaraflsskot, eins og sýnt er hér, er hvernig geimfar getur aukið hraða sinn með þyngdaraflsstuðningi. (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

Þessi tegund af æfingum er þekktur sem þyngdaraflsaðstoð og það var lykilatriði að fá bæði Voyager 1 og Voyager 2 á leið út úr sólkerfinu og nýlega til að fá nýja sjóndeildarhringinn til að fljúga með Plútó. Jafnvel þó að Úranus og Neptúnus hafi ótrúlega langan sporbrautartímabil í 84 og 165 ár, hver um sig, koma verkefnagluggarnir til að komast til þeirra á 12 ára fresti eða svo: í hvert skipti sem Júpíter lýkur sporbraut.

Geimfar sem skotið er frá jörðinni flýgur venjulega nokkrum sinnum af innri reikistjörnum nokkrum sinnum í undirbúningi fyrir þyngdaraflsaðstoð frá Júpíter. Geimfar sem flýgur um plánetu getur fengið orðtakandi slingshotted - þyngdarafl slingshot er orð fyrir þyngdaraflsaðstoð sem eykur það - til meiri hraða og orku. Ef við vildum gera það eru samstillingar réttar að við gætum ráðist í verkefni til Neptúnusar í dag. Það er jafnvel auðveldara að komast í Úranus.

Flugstígur NASA fyrir Messenger-rannsakann sem slitnaði upp í farsælum, stöðugum sporbraut um Merkúríus eftir fjölda þyngdarstuðnings. Sagan er svipuð ef þú vilt fara í ytra sólkerfið, nema að þú notir þyngdarafl til að bæta við heliocentric hraðann þinn, frekar en að draga frá því. (NASA / JHUAPL)

Fyrir áratug var Argo verkefni lagt til: það myndi fljúga með Júpíter, Satúrnus, Neptúnus og Kuiper belti hluti, með sjósetningarglugga sem stóð frá 2015 til 2019. En flugleiðangur er auðvelt, vegna þess að þú hefur ekki til að hægja á geimfarinu. Það er erfiðara að setja það inn í sporbraut um heiminn en það er líka miklu meira gefandi.

Í staðinn fyrir einn veg, getur sporbrautin fengið þér umfjöllun um allan heim, margfalt, yfir langan tíma. Þú getur séð breytingar á andrúmslofti heimsins og skoðað það stöðugt á margs konar bylgjulengdum sem augljóst er fyrir mannlegt auga. Þú getur fundið ný tungl, nýja hringi og ný fyrirbæri sem þú bjóst aldrei við. Þú getur jafnvel sent niður lendingu eða rannsaka á jörðina eða einn af tunglum hennar. Allt þetta og fleira gerðist þegar í kringum Satúrnus með Cassini verkefni sem nýlega var lokið.

2012 (L) og 2016 (R) mynd af norðurpól Satúrnusar, báðar teknar með breiðhornsmyndavél Cassini. Mismunurinn á litum er vegna breytinga á efnasamsetningu andrúmslofts Satúrnusar, eins og framkallaðar eru af beinum ljósmyndefnafræðilegum breytingum. (NASA / JPL-CALTECH / RÁÐSVIÐSKJÁR stofnun)

Cassini lærði ekki bara líkamlega og andrúmslofts eiginleika Satúrnusar, þó að það hafi gert það stórkostlega. Það myndaði ekki bara ímynd og lærði um hringina, þó það hafi gert það líka. Það sem er ótrúlegast er að við fylgjumst með breytingum og tímabundnum atburðum sem við hefðum aldrei spáð fyrir um. Satúrnus sýndi árstíðabundnar breytingar, sem samsvaruðu efna- og litabreytingum umhverfis staurana. Mikill stormur myndaðist á Satúrnus, umkringdi jörðina og stóð í marga mánuði. Hringir Satúrnusar reyndust hafa sterk lóðrétt mannvirki og breytast með tímanum; þeir eru kraftmiklir og ekki truflanir og bjóða upp á rannsóknarstofu til að kenna okkur um myndun reikistjarna og tungls. Og með gögnum þess leystum við gömul vandamál og uppgötvuðum ný leyndardóma um tunglfarnir Iapetus, Titan og Enceladus, meðal annarra.

Á 8 mánuðum geisaði mesti óveður sólkerfisins sem umkringdi allan gasrisaheiminn og var fær um að passa allt að 10 til 12 jarðir inni. (NASA / JPL-CALTECH / RÁÐSVIÐSKJÁR stofnun)

Það er lítill vafi um að við viljum gera það sama fyrir Úranus og Neptúnus. Mörgum sporbrautum til Úranusar og Neptúnusar hefur verið lagt til og náðu það nokkuð langt í verkefnauppgjafarferlinu en engin hafa reyndar verið áætluð til að byggja eða fljúga. NASA, ESA, JPL og Bretland hafa öll lagt til Uranus sporbrautir sem enn eru í gangi, en enginn veit hvað framtíðin ber í skauti sér.

Hingað til höfum við aðeins rannsakað þessa heima úr fjarlægð. En það er gríðarleg von um framtíðarleiðangur í mörg ár frá því þegar ræsigluggarnir til að ná til báða heimanna munu samræma í einu. Árið 2034 myndi hugmyndaframtakið ODINUS senda tvöfalda sporbraut til bæði Úranus og Neptúnusar samtímis. Verkefnið sjálft væri stórbrotið, sameiginlegt verkefni NASA og ESA.

Síðustu tveir (ytstu) hringirnir í Úranus, eins og Hubble uppgötvaði. Við uppgötvuðum svo mikla uppbyggingu í innri hringjum Úranus frá Voyager 2 flugbylgjunni, en sporbraut gæti sýnt okkur enn meira. (NASA, ESA, AND M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Eitt af helstu verkefnum flaggskipaflokksins sem lagt var til í áratugakönnun NASA á plánetuvísindum árið 2011 var Uranus-rannsakandi og sporbraut. Þetta verkefni var í þriðja sæti forgangs, á bak við Mars 2020 flakkara og Europa Clipper sporbraut. Úranus rannsaka-og-sporbraut gæti ráðist á 2020 með 21 daga glugga á hverju ári: þegar Jörð, Júpíter og Úranus náðu bestu mögulegu stöðunum. Kringlumýrarinn hefði þrjú aðskild hljóðfæri á honum hönnuð til að mynda og mæla ýmsa eiginleika Úranus, hringa þess og tungla. Úranus og Neptune ættu að hafa gríðarlega fljótandi haf undir andrúmsloftinu og sporbraut ætti að geta uppgötvað það með vissu. Rannsóknin í andrúmsloftinu mældi skýmyndandi sameindir, hitadreifingu og hvernig vindhraði breyttist með dýpi.

ODINUS verkefni, sem ESA lagði til sem sameiginlegt verkefni með NASA, myndi kanna bæði Neptúnus og Úranus með tvíburasamskiptum. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Lagt fram af Cosmic Vision áætlun ESA, Origins, Dynamics, and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) verkefnisins gengur enn lengra: að útvíkka þetta hugtak til tveggja tvíbura sporbrautar, sem myndi senda einn til Neptune og einn til Uranus. Sjósetningargluggi árið 2034 þar sem jörð, Júpíter, Úranus og Neptúnus samræma öll almennilega, gæti sent þá báða burt samtímis.

Flyby verkefni eru frábær fyrir fyrstu kynni þar sem þú getur lært svo mikið um heim með því að sjá hann í návígi. Þeir eru líka frábærir vegna þess að þeir geta náð mörgum skotmörkum en sporbrautir sitja fastir í hvaða heimi sem þeir kjósa að sporbraut. Að lokum verða sporbrautarmenn að koma með eldsneyti um borð til að framkvæma brunasár, hægja á sér og fara inn í stöðugan sporbraut og gera verkefni miklu dýrara. En vísindin sem þú færð frá því að vera til langs tíma á jörðinni, myndi ég halda því fram, meira en bæta upp fyrir það.

Þegar þú fer í sporbraut um heim geturðu séð hann frá öllum hliðum, svo og hringir hans, tungl hans og hvernig þeir hegða sér með tímanum. Þökk sé Cassini, til dæmis, uppgötvuðum við tilvist nýs hringar sem upprunninn er úr smástirni Phoebe, sem tekinn var, og hlutverk hans í því að myrkvast aðeins helming dularfulla tunglsins Iapetus. (SMITHSONIAN FLUG & RÚM, FERÐ FRÁ NASA / CASSINI myndum)

Núverandi takmarkanir á verkefni eins og þessu koma ekki frá tæknilegum árangri; tæknin er til til að gera það í dag. Erfiðleikarnir eru:

  • Pólitískt: vegna þess að fjárhagsáætlun NASA er endanleg og takmörkuð og fjármagn hennar verður að þjóna öllu samfélaginu,
  • Líkamleg: vegna þess að jafnvel með nýja þunga lyftutæki NASA, ósnertu útgáfu SLS, getum við aðeins sent takmarkað magn af massa til ytra sólkerfisins og
  • Hagnýtt: vegna þess að á þessum ótrúlegu vegalengdum frá sólinni, gera sólarplötur ekki. Við þurfum geislavirkar heimildir til að knýja geimfar svona langt og við höfum kannski ekki nóg til að vinna verkið.

Sá síðasti, jafnvel þó að allt annað sé í takt, gæti verið sölumaðurinn.

Plútóníum-238 oxíðpilletta sem glóir frá eigin hita. Pu-238 er einnig framleitt sem aukaafurð kjarnorkuviðbragða, sem er geislunin sem notuð er til að knýja djúpt farartæki, frá Mars Curiosity Rover til öfgafullt fjarlæga Voyager geimfar. (Bandarískur DEPARTMENT OF Energy)

Plútóníum-238 er samsætu sem er búin til í vinnslu kjarnaefna og flestar verslanir okkar koma frá tíma þegar við vorum að búa til og geyma kjarnavopn. Notkun þess sem geislunar geislunarrafstrauta (RTG) hefur verið stórbrotin vegna verkefna til tunglsins, Mars, Júpíter, Satúrnus, Plútó og margs af geimdeilum, þar á meðal Pioneer og Voyager geimfarunum.

En við hættum að framleiða það árið 1988 og möguleikar okkar til að kaupa hann frá Rússlandi hafa minnkað þar sem þeir eru hættir að framleiða það líka. Nýleg viðleitni til að gera nýjan Pu-238 við Oak Ridge National Laboratory er hafin og framleiða um það bil 2 aura í lok árs 2015. Áframhaldandi þróun þar, sem og af orkuframleiðslu í Ontario, gæti skapað nóg til að knýja fram verkefni fyrir 2030s .

Saumað saman af tveimur 591 sekúndum útsetningum sem fengust með tærri síu gleiðhornsmyndavélarinnar frá Voyager 2 og sýnir allt hringkerfi Neptúnus með hæstu næmni. Úranus og Neptúnus hafa margt líkt en hollur verkefni gæti einnig greint ótal misjafnlega mun. (NASA / JPL)

Því hraðar sem þú ferð þegar þú lendir á plánetu, því meira eldsneyti sem þú þarft að bæta við geimfarinu til að hægja á þér og setja þig inn í sporbraut. Í verkefni til Plútó voru engar líkur; New Horizons var of lítill og hraðinn hans var allt of mikill auk þess sem massi Plútós er nokkuð lítill til að reyna að setja sporbrautarinnsetningu. En fyrir Neptúnus og Úranus, sérstaklega ef við veljum rétta þyngdarstuðning frá Júpíter og hugsanlega Satúrnus, gæti þetta verið framkvæmanlegt. Ef við viljum fara aðeins í Úranus, gætum við ráðist hvert ár á 2020. En ef við viljum fara fyrir þau bæði, sem við gerum, þá er 2034 árið að líða! Neptúnus og Úranus geta verið líkir okkur miðað við massa, hitastig og fjarlægð, en þeir geta sannarlega verið eins frábrugðnir og jörðin er frá Venus. Það er aðeins ein leið til að komast að því. Með smá heppni og miklum fjárfestingum og mikilli vinnu gætum við komist að því á lífsleiðinni.

Sendu inn spurningar þínar Ethan til startswithabang á gmail dot com!

(Athugið: Þakkir til stuðnings Patreon Erik Jensen fyrir að spyrja!)

Starts With A Bang er nú á Forbes og endurútgefið á Medium þökk sé stuðningsmönnum okkar Patreon. Ethan hefur verið höfundur tveggja bóka, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.