Voyager 2 terbang oleh Uranus (R) dan Neptune (L), dan mengungkapkan sifat, warna, atmosfera, dan sistem cincin kedua-dua dunia. Mereka berdua mempunyai cincin, banyak bulan yang menarik, dan fenomena atmosfera dan permukaan yang sedang kita tunggu untuk disiasat. (NASA / VOYAGER 2)

Tanya Ethan: Bolehkah Kami Mengirimkan Misi Seperti Cassini ke Uranus atau Neptunus?

Kapal angkasa Cassini NASA mengajar kita lebih banyak daripada yang kita bayangkan mengenai Saturnus. Bolehkah kita melakukan sesuatu yang serupa untuk Uranus dan Neptunus?

Dari mana kita berada di Sistem Suria, melihat Alam Semesta yang jauh dengan observatorium berasaskan darat dan ruang angkasa yang hebat telah memberi kita pandangan dan pengetahuan yang banyak di antara kita tidak pernah menyangka akan kita capai. Tetapi masih belum ada pengganti untuk benar-benar melakukan perjalanan ke lokasi yang jauh, kerana misi khusus untuk banyak planet telah mengajar kita. Walaupun terdapat semua sumber daya yang telah kami curahkan untuk sains planet, kami hanya pernah mengirim satu misi ke Uranus dan Neptune: Voyager 2, yang hanya dilalui oleh mereka. Apa prospek kita untuk misi pengorbit ke dunia luar? Itulah yang ingin diketahui oleh penyokong Patreon kami, Erik Jensen, ketika dia bertanya:

Ada jendela yang datang ketika kapal angkasa dapat dikirim ke Uranus atau Neptunus menggunakan Musytari untuk peningkatan gravitasi. Apa kekangan untuk menggunakan ini tetapi dapat cukup lambat untuk memasuki orbit di sekitar "raksasa ais"?

Mari kita lihat.

Walaupun pemeriksaan visual menunjukkan jurang yang besar antara dunia bersaiz Bumi dan Neptunus, kenyataannya ialah anda hanya boleh kira-kira 25% lebih besar daripada Bumi dan masih berbatu. Apa-apa yang lebih besar, dan anda lebih banyak daripada gergasi gas. Walaupun Musytari dan Saturnus mempunyai sampul gas yang sangat besar, yang terdiri daripada kira-kira 85% planet tersebut, Neptunus dan Uranus sangat berbeza, dan semestinya memiliki lautan cair yang besar di bawah atmosfernya. (INSTITUT LUNAR DAN PLANETER)

Sistem Suria adalah tempat yang rumit - tetapi untungnya, biasa -. Cara terbaik untuk sampai ke Sistem Suria luar, iaitu, planet mana pun di luar Musytari, adalah dengan menggunakan Musytari itu sendiri untuk membantu anda sampai di sana. Dalam fizik, setiap kali anda mempunyai objek kecil (seperti kapal angkasa) terbang dengan benda pegun yang besar (seperti bintang atau planet), daya graviti dapat mengubah kecepatannya dengan luar biasa, tetapi kelajuannya harus tetap sama.

Tetapi jika ada objek ketiga yang penting secara gravitasi, cerita itu sedikit berubah, dan dengan cara yang sangat relevan untuk mencapai Sistem Suria luar. Kapal angkasa yang terbang dengan, katakanlah, planet yang terikat dengan Matahari, dapat memperoleh-atau-kehilangan kecepatan dengan mencuri-atau-menyerahkan momentum ke planet / sistem Matahari. Planet besar tidak peduli, tetapi kapal angkasa dapat meningkatkan (atau perlambatan) bergantung pada lintasannya.

Slingshot graviti, seperti yang ditunjukkan di sini, adalah bagaimana kapal angkasa dapat meningkatkan kelajuannya melalui bantuan graviti. (PENGGUNA WIKIMEDIA COMMONS ZEIMUSU)

Jenis manuver ini dikenali sebagai bantuan graviti, dan sangat mustahak untuk mendapatkan Voyager 1 dan Voyager 2 dalam perjalanan keluar dari Sistem Suria, dan baru-baru ini, untuk membuat New Horizons terbang oleh Pluto. Walaupun Uranus dan Neptunus masing-masing mempunyai tempoh orbit panjang 84 dan 165 tahun yang luar biasa, jendela misi untuk mendapatkannya berulang setiap 12 tahun atau lebih: setiap kali Musytari melengkapkan orbit.

Kapal angkasa yang dilancarkan dari Bumi biasanya terbang oleh beberapa planet dalam beberapa kali sebagai persediaan untuk bantuan graviti dari Musytari. Kapal angkasa yang terbang dengan planet dapat menjadi katapel secara pepatah - katapel graviti adalah kata untuk bantuan graviti yang meningkatkannya - dengan kelajuan dan tenaga yang lebih besar. Sekiranya kita mahu, penjajarannya betul bahawa kita dapat melancarkan misi ke Neptune hari ini. Uranus, semakin dekat, lebih mudah dicapai.

Jalur penerbangan NASA untuk penyelidikan Messenger, yang berakhir di orbit yang berjaya dan stabil di sekitar Mercury setelah beberapa graviti membantu. Ceritanya serupa jika anda ingin pergi ke Sistem Suria luar, kecuali anda menggunakan graviti untuk menambah kelajuan heliosentris anda, dan bukannya mengurangkannya. (NASA / JHUAPL)

Satu dekad yang lalu, misi Argo dicadangkan: ia akan terbang dengan objek tali pinggang Jupiter, Saturnus, Neptunus, dan Kuiper, dengan tetingkap pelancaran yang berlangsung dari 2015 hingga 2019. Tetapi misi terbang mudah, kerana anda tidak mempunyai untuk melambatkan kapal angkasa ke bawah. Memasukkannya ke orbit di seluruh dunia adalah lebih sukar, tetapi juga jauh lebih bermanfaat.

Daripada satu hantaran, pengorbit dapat memberi anda liputan seluruh dunia, berkali-kali, dalam jangka masa yang panjang. Anda dapat melihat perubahan dalam suasana dunia, dan memeriksanya secara berterusan dalam pelbagai panjang gelombang yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Anda dapat menemui bulan baru, cincin baru, dan fenomena baru yang tidak pernah anda jangkakan. Anda bahkan boleh menghantar pendaratan atau siasatan ke planet ini atau salah satu bulannya. Semua itu dan banyak lagi sudah berlaku di sekitar Saturnus dengan misi Cassini yang baru selesai.

Gambar 2012 (L) dan 2016 (R) dari kutub utara Saturnus, kedua-duanya diambil dengan kamera sudut lebar Cassini. Perbezaan warna disebabkan oleh perubahan komposisi kimia atmosfer Saturnus, seperti yang disebabkan oleh perubahan fotokimia langsung. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT SAINS RUANG)

Cassini tidak hanya belajar tentang sifat fizikal dan atmosfera Saturnus, walaupun ia melakukannya dengan luar biasa. Itu bukan hanya gambar dan belajar tentang cincin, walaupun itu juga berlaku. Yang paling luar biasa ialah kita memerhatikan perubahan dan kejadian sementara yang tidak pernah kita ramalkan. Saturnus menunjukkan perubahan musim, yang sesuai dengan perubahan kimia dan warna di sekitar kutubnya. Ribut kolosal berkembang di Saturnus, mengelilingi planet ini dan berlangsung selama berbulan-bulan. Cincin Saturnus didapati mempunyai struktur menegak yang kuat dan berubah dari masa ke masa; mereka dinamik dan tidak statik, dan menyediakan makmal untuk mengajar kita mengenai pembentukan planet-dan-bulan. Dan, dengan datanya, kami menyelesaikan masalah lama dan menemui misteri baru mengenai bulannya Iapetus, Titan, dan Enceladus, antara lain.

Selama 8 bulan, ribut terbesar di Sistem Suria mengamuk, mengelilingi seluruh dunia gergasi gas dan mampu memasang sebanyak 10 hingga 12 Bumi di dalamnya. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT SAINS RUANG)

Tidak ada keraguan bahawa kami mahu melakukan perkara yang sama untuk Uranus dan Neptune. Banyak misi mengorbit ke Uranus dan Neptunus telah diusulkan dan membuatnya cukup jauh dalam proses pengiriman misi, tetapi tidak ada yang sebenarnya dijadwalkan untuk dibangun atau terbang. NASA, ESA, JPL, dan UK telah mengusulkan semua orbit Uranus yang masih berjalan, tetapi tidak ada yang tahu apa yang berlaku di masa depan.

Setakat ini, kita hanya mempelajari dunia ini dari jauh. Tetapi ada harapan yang luar biasa untuk misi masa depan bertahun-tahun dari sekarang, ketika jendela pelancaran untuk menjangkau kedua dunia akan sejajar sekaligus. Pada tahun 2034, misi konseptual ODINUS akan menghantar orbit berkembar ke Uranus dan Neptune secara serentak. Misi itu sendiri akan menjadi usaha sama yang spektakuler antara NASA dan ESA.

Dua cincin terakhir (terluar) Uranus, seperti yang ditemui oleh Hubble. Kami menjumpai begitu banyak struktur di gelang dalam Uranus dari Voyager 2 fly-by, tetapi pengorbit dapat menunjukkan lebih banyak lagi kepada kami. (NASA, ESA, DAN M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Salah satu misi kelas utama yang diusulkan untuk tinjauan dekadal sains planet NASA pada tahun 2011 adalah penyelidikan dan pengorbit Uranus. Misi ini berada di kedudukan keutamaan ketiga, di belakang rover Mars 2020 dan orbit Europa Clipper. Probe-and-orbiter Uranus dapat dilancarkan pada tahun 2020-an dengan jangka masa 21 hari setiap tahun: ketika Bumi, Musytari, dan Uranus mencapai posisi optimum. Pengorbit akan mempunyai tiga instrumen yang terpisah di atasnya yang dirancang untuk menggambarkan dan mengukur pelbagai sifat Uranus, cincinnya, dan bulannya. Uranus dan Neptunus harus memiliki lautan cair yang sangat besar di bawah atmosfernya, dan pengorbit harus dapat menjumpainya dengan pasti. Penyelidikan atmosfera akan mengukur molekul pembentuk awan, taburan haba, dan bagaimana kelajuan angin berubah dengan kedalaman.

Misi ODINUS, yang diusulkan oleh ESA sebagai usaha sama dengan NASA, akan menjelajahi Neptunus dan Uranus dengan satu set orbit berkembar. (PASUKAN ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Dicadangkan oleh program Visi Kosmik ESA, misi Origins, Dynamics, and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) melangkah lebih jauh lagi: memperluas konsep ini kepada dua orbit berkembar, yang akan menghantar satu ke Neptunus dan satu ke Uranus. Tetingkap pelancaran pada tahun 2034, di mana Bumi, Musytari, Uranus, dan Neptunus semuanya sejajar dengan betul, dapat menghantar mereka berdua secara serentak.

Misi terbang memang hebat untuk perjumpaan pertama, kerana anda dapat belajar banyak tentang dunia dengan melihatnya dari dekat. Mereka juga hebat kerana dapat mencapai banyak sasaran, sementara orbit berada di dunia apa pun yang mereka pilih untuk mengorbit. Akhirnya, orbit harus membawa bahan bakar di kapal untuk melakukan luka bakar, melambatkan, dan memasuki orbit yang stabil, menjadikan misi jauh lebih mahal. Tetapi sains yang anda perolehi dari jangka panjang di planet ini, saya berpendapat, lebih dari sekadar menebusnya.

Apabila anda mengorbit dunia, anda dapat melihatnya dari semua sisi, juga cincinnya, bulannya, dan bagaimana mereka berkelakuan dari masa ke masa. Terima kasih kepada Cassini, misalnya, kami mendapati adanya cincin baru yang berasal dari asteroid Phoebe yang ditangkap, dan perannya dalam menggelapkan hanya satu setengah bulan misteri Iapetus. (AIR & RUANG SMITHSONIAN, DIBERIKAN DARI GAMBAR NASA / CASSINI)

Batasan semasa dalam misi seperti ini bukan berasal dari pencapaian teknikal; teknologi wujud untuk melakukannya hari ini. Kesukarannya adalah:

  • Politik: kerana anggaran NASA adalah terhad dan terhad, dan sumbernya mesti melayani seluruh masyarakat,
  • Fizikal: kerana walaupun dengan kenderaan angkat berat baru NASA, versi SLS yang belum dibuka, kami hanya dapat mengirim sejumlah besar jisim ke sistem suria luar, dan
  • Praktikal: kerana jarak yang luar biasa dari Matahari, panel solar tidak akan berjaya. Kita memerlukan sumber radioaktif untuk menggerakkan kapal angkasa sejauh ini, dan kita mungkin tidak cukup untuk melakukan pekerjaan itu.

Yang terakhir, walaupun semua yang lain sesuai, mungkin adalah pemecah masalah.

Pelet oksida Plutonium-238 bercahaya dari panasnya sendiri. Juga dihasilkan sebagai hasil sampingan dari reaksi nuklear, Pu-238 adalah radionuklida yang digunakan untuk menggerakkan kenderaan angkasa lepas, dari Mars Curiosity Rover hingga kapal angkasa Voyager yang sangat jauh. (JABATAN TENAGA AS)

Plutonium-238 adalah isotop yang dibuat dalam pemprosesan bahan nuklear, dan kebanyakan kedai kami berasal dari masa ketika kita secara aktif membuat dan menyimpan senjata nuklear. Penggunaannya sebagai penjana termoelektrik radioisotop (RTG) sangat spektakuler untuk misi ke Bulan, Marikh, Musytari, Saturnus, Pluto dan sejumlah probe ruang dalam, termasuk pesawat ruang angkasa Pioneer dan Voyager.

Tetapi kami berhenti menghasilkannya pada tahun 1988, dan pilihan kami untuk membelinya dari Rusia telah berkurang kerana mereka juga telah berhenti menghasilkannya. Usaha baru-baru ini untuk membuat Pu-238 baru di Oak Ridge National Laboratory telah dimulakan, menghasilkan sekitar 2 ons pada akhir tahun 2015. Pembangunan yang berterusan di sana, dan juga oleh Ontario Power Generation, dapat membuat cukup untuk memperkuat misi pada tahun 2030-an .

Jahitan bersama dua pendedahan 591-s yang diperoleh melalui penapis jelas kamera sudut lebar dari Voyager 2, menunjukkan sistem cincin penuh Neptunus dengan kepekaan tertinggi. Uranus dan Neptunus mempunyai banyak persamaan, tetapi misi khusus juga dapat mengesan perbezaan yang belum pernah terjadi sebelumnya. (NASA / JPL)

Semakin cepat anda bergerak ketika anda menemui planet, semakin banyak bahan bakar yang perlu anda tambahkan ke kapal angkasa anda untuk melambatkan dan memasukkan diri anda ke orbit. Untuk misi ke Pluto, tidak ada peluang; New Horizons terlalu kecil dan kelajuannya terlalu besar, ditambah jisim Pluto agak rendah untuk mencuba dan melakukan penyisipan orbit. Tetapi bagi Neptunus dan Uranus, terutama jika kita memilih bantuan gravitasi yang tepat dari Musytari dan mungkin Saturnus, ini mungkin dapat dilaksanakan. Sekiranya kita ingin pergi hanya untuk Uranus, kita dapat melancarkan setiap tahun sepanjang tahun 2020-an. Tetapi jika kita mahu mencari mereka berdua, yang kita lakukan, 2034 adalah tahun yang akan datang! Neptunus dan Uranus mungkin kelihatan serupa dengan kita dari segi jisim, suhu, dan jarak, tetapi mereka mungkin sama seperti Bumi dari Venus. Hanya ada satu cara untuk mengetahui. Dengan sedikit keberuntungan, dan banyak pelaburan dan kerja keras, kita mungkin dapat mengetahui sepanjang hayat kita.

Kirim soalan Ask Ethan anda ke startswithabang di gmail dot com!

(Nota: Terima kasih kepada penyokong Patreon Erik Jensen kerana bertanya!)

Bermula Dengan Bang kini ada di Forbes, dan diterbitkan semula di Medium terima kasih kepada penyokong Patreon kami. Ethan telah mengarang dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorder hingga Warp Drive.