Om et drøyt år begynner et nytt tiår, og med det vil en helt ny strøm av ideer for NASA-oppdrag åpne, noen nærmere - som Mars, noen lenger unna. Noen veldig fjerne. Noen mennesker forventer at epoken med robotreise til verdener som ikke bare er millioner - milliarder kilometer fra oss vil åpne for oss. Disse inkluderer Uranus og Neptune (planetene vi besøkte i henholdsvis 1986 og 1989), samt hundrevis av islegemer utenfor regionen kjent som Kuiperbeltet.
Kuiper Belt er hjem til Pluto og tusenvis av andre verdener av ulik størrelse. De fleste kroppene der består av byggesteinene i solsystemet vårt, for lenge siden eskortert til fjerne iskalde regioner. Et besøk i Kuiper Belt kan gi oss ledetråder til spørsmål om hvordan planeten vår og dens naboer dannet seg, hvorfor det er så mye vann og andre mysterier.
På grensen til solsystemet
Uranus og Neptune har også mange mysterier på egen hånd. Jo mer vi lærer om planetariske systemer, desto oftere ser vi at de fleste verdener ikke er så store som Jupiter og ikke så små som Jorden. Mange av dem har en tendens til å være like i størrelse med Uranus og Neptune, "isgiganter" som er oppkalt etter den eksotiske tilstanden til vannis som ligger dypt under overskyede lag. Å studere Uranus og Neptune vil ikke bare hjelpe oss å forstå planetene i solsystemet vårt - det vil hjelpe oss å forstå planetene som kretser rundt andre stjerner.
Mange av disse oppdragene er tidsavhengige. Den kommende Decadal Survey - NASAs "ti år lange undersøkelse" av når byrået sender romfartøyer på 2020- og 2030-tallet, kan skape eller forstyrre disse vidstrakte planene for å utforske det ytre solsystemet.
Decadal Survey: Hvordan Decadal Survey vil utvikle seg
Salgsfremmende video:
Fra og med 2020 vil en gruppe fra National Academy of Sciences (med deltagelse av flere interessenter fra romfellesskapet) komme sammen og utarbeide en liste over prioriterte forskningsmål. Forskere vil tilby sine alternativer i form av skriftlige anbefalinger kjent som "meldinger" (les: hvitbok).
Fra disse anbefalingene vil det komme en generell enighet om hva prioriteringene skal være. Disse målene fungerer som målestokk for oppdragstilbudene mellom kategoriene New Frontiers (New Horizons og Juno var i denne kategorien). NASA sammenstiller først en liste over foreslåtte oppdrag, og deretter begrenser dem gradvis til en eller to finalister. Når en finalist har fått grønt lys, kan teamet bak seg begynne å planlegge og designe - og det tar år.
Alt dette kan gjøre det vanskelig å komme inn i et bestemt vindu der det vil være mulig å utforske Uranus eller Neptune, samt se på et objekt fra Kuiper-beltet. Dette er grunnen til at nøyaktige diagrammer er risikable.
Besøk på isgiganten
Spesielt en av gruppene vurderte muligheten for et oppdrag å besøke Uranus og Neptun på samme tid. Den siste iterasjonen inkluderer en flyby av Uranus og en orbitale av Neptun. Anført av Mark Hofstadter og Amy Simon, planlegger forskere å se en annen side av Uranus enn Voyager 2 observert i 1986 og studere Neptun og dens største måne, Triton. Triton roterer bakover, noe som kan skyldes at det en gang var det største objektet i Kuiper-beltet - før Neptune trakk Triton mot seg selv, og kastet ut mange av de opprinnelige satellittene.
Simon sier at disse oppdragene bør settes ut over 15 år, inkludert reise- og forskningstid. Dette skyldes hvor lenge enkelte deler av kjøretøyet kan overleve i rommet med relativ sikkerhet. Mens et romfartøy kan leve lenger, er 15 år det minste der man kan være sikker på at oppdraget vil oppfylle sine vitenskapelige oppgaver til det fulle. Men hvordan kan man sørge for at reisen ikke kaster bort for mange ressurser i den nåværende fasen av forskningen? En måte å akselerere et romskip er å bruke planetens tyngdekraft for å akselerere.
"For å komme dit på under 12 år, flyr de vanligvis rundt planeter, inkludert Jorden og Venus," sier Simon. I slike scenarier kaster du deg ned i planetens tyngdekraftbrønn, i håp om en sprettert-effekt som vil akselerere håndverket ditt og spare så mye drivstoff som mulig. Jupiter brukes også av de beste alternativene, ettersom den er den mest massive og kan akselerere romskipet i stor grad.
New Horizons, for eksempel, brukte Jupiters hjelp til å nå Pluto. Cassini brukte fire separate overflyt for å akselerere med Saturn etter å ha blitt lansert fra Jorden, mottatt akselerasjon fra Venus to ganger, tilbake til Jorden, og til slutt det siste hoppet fra Jupiter.
Simon sier at for å komme til Uranus på en stram tidsplan, kunne man bruke en flyby av Saturn - for eksempel i et vindu mellom 2024 og 2028, for å fange bensigiganten på rett sted i sin 29 år lange bane. Et slikt oppdrag vil kreve rask vurdering av NASA-standarder - vanligvis planlegges oppdrag ti år før lansering, deretter planlegges, designes og lanseres i løpet av fem år - så du må stole på neste vindu, en Jupiter flyby mellom 2029 og 2032, etterfulgt av en avkjørsel til Neptune. Neste sjanse dukker opp ikke tidligere enn ti år fra nå.
Et oppdrag til Uranus kan bruke tradisjonelle drivmidler og motorer for å komme raskere til akselerasjonspunktene - det være seg en Atlas V-rakett eller en Delta IV Heavy-rakett. Men fordi Neptune er så langt borte og den eksakte banen ikke stemmer overens så perfekt som vi ønsker, vil oppdraget til denne planeten stole på Space Launch System, NASAs neste generasjons raketter med økt nyttelast (og den har ikke en gang flydd enda). Hvis den ikke er klar i tide, må vi stole på en annen neste generasjons teknologi: solenergi-fremdrift, som utnytter solenergi for å antenne ionisert gass for å akselerere kjøretøyet. Til nå har det bare blitt brukt på romfartøyet Dawn på oppdrag til West og Ceres og på to oppdrag til små asteroider.
"Selv når det gjelder solenergi, er det fortsatt behov for kjemiske motorer i tilfelle solenergi blir ineffektiv og for bremsing i bane," sier Simon.
Dermed er timeplanen ganske stram. Men hvis vi beveger oss mer aktivt, kan begge disse oppdragene tjene et annet formål: å nå Kuperbeltets uutforskede verdener.
Stor ukjent
Et annet papir, skrevet av tre medlemmer av New Horizons-teamet, undersøker muligheten for å komme tilbake til Kuiper-beltet etter en vellykket sondetur til Pluto. "Vi så hvor interessant det var og ønsket å vite hva annet som var der ute," sier Tiffany Finley, sjefingeniør ved Southwest Research Institute (SWRI) og medforfatter av en artikkel publisert i Journal of Spacecraft and Rockets.
Kuiper Belt inneholder isrester fra dannelsen av solsystemet, og gjenstander i det inkluderer et stort utvalg av forskjellige materialer. Pluto er for eksempel litt større enn Eris. Men Pluto er laget av is, så den har mindre masse. Eris består av steiner for det meste, så den er mer tett. Noen verdener ser ut til å være sammensatt av metan, mens andre inneholder mye ammoniakk. Et sted i bakgården til solsystemet vårt er det mange dvergplaneter og små verdener som har viktige punkter for vår forståelse av hvordan planeter oppstår - og om andre planetariske systemer kan være som vår.
Forskere brukte smale begrensninger: De begrenset oppdraget til 25 år og så på 45 av de lyseste Kuiper-belteobjektene, og sammenlignet dem med hensyn til forskjellige scenarier med planetarisk flyby. Jupiter har overraskende oppdaget de fleste målene på listen. Men Jupiters vindu åpnes en gang hvert 12. år, noe som gjør Jupiters oppdrag tidsavhengige. En enkel flyby av Saturn gir en ganske god liste over Kuiper-beltemål.
Men når du parer disse verdenene med Uranus eller Neptune, får du sjansen til å oppdage nye fakta om våre mystiske, fjerneste planeter og til og med noen dvergplaneter i ett fall.
Seilingseffekten vil bidra til å nå disse verdenene, først fra Jupiter, og deretter fra en annen planet. Hver av disse planetene stemmer overens med Jupiter i et trangt vindu på 2030-tallet, og passer pent inn i forskjellige deler av det tiåret. For å komme til listen over verdener på banen med Neptune, må du for eksempel komme til Jupiter på begynnelsen av 2030-årene, og å komme til Kuiper-beltet via Uranus ville kreve en lansering på midten av 2030-tallet. Jupiter og Saturn stemmer overens med tiden for en sprettert i Kuiper-beltet på slutten av 2030-årene.
Liste over mål gir mange interessante muligheter. Varuna, en langstrakt verden som har fått denne formen på grunn av sin raske rotasjonshastighet, er perfekt for å fly rundt Jupiter-Uranus. Som allerede nevnt gir Neptune et glimt av Eris. Oppdraget gjennom Jupiter-Saturn vil tillate observasjon av Sedna, en stor dvergplanet med en bane som kan peke veien til en hittil uoppdaget planet ti. Jupiter-Saturn lar deg stoppe ved en av de mest interessante dvergplanetene: Haumea.
I likhet med Varuna er Haumea eggformet, mens de fleste av de store dvergplanetene i Kuiperbeltet vanligvis er runde. Men Haumea fikk denne formen fra en gammel kollisjon som ga henne to måner, et ringsystem og en hale laget av rusk. Når asteroider har en lignende sammensetning, kalles de "kollisjonsfamilien." Haumea produserte den eneste kjente familien av kollisjoner i Kuiperbeltet.
Uansett hva vi velger, vil vi ikke ha mye tid. Derfor, hvis vi ønsker å se ringene til Haumea eller til og med det røde, fremmede lyset fra Sedna, må arbeidet starte så snart som mulig. Disse verdenene er så små at det bare er en måte å finne ut hemmelighetene på: å komme til dem.
Ilya Khel
