Voyager 2 volò da Urano (R) e Nettuno (L) e rivelò le proprietà, i colori, le atmosfere e i sistemi ad anello di entrambi i mondi. Entrambi hanno anelli, molte lune interessanti e fenomeni atmosferici e superficiali che stiamo solo aspettando di indagare. (NASA / VOYAGER 2)

Chiedi a Ethan: possiamo inviare una missione simile a Cassini a Urano o Nettuno?

L'astronave Cassini della NASA ci ha insegnato più di quanto avessimo mai immaginato su Saturno. Potremmo fare qualcosa di simile per Urano e Nettuno?

Da dove ci troviamo nel Sistema Solare, guardare il lontano Universo con i nostri potenti osservatori terrestri e spaziali ci ha dato punti di vista e conoscenza che molti di noi non avrebbero mai pensato di raggiungere. Ma non c'è ancora alcun sostituto per viaggiare effettivamente in una posizione lontana, come ci hanno insegnato missioni dedicate a molti dei pianeti. Nonostante tutte le risorse che abbiamo dedicato alla scienza planetaria, abbiamo inviato una sola missione a Urano e Nettuno: Voyager 2, che è volato solo da loro. Quali sono le nostre prospettive per una missione orbiter verso quei mondi esterni? Questo è ciò che il nostro sostenitore di Patreon Erik Jensen vuole sapere, mentre chiede:

C'è una finestra in arrivo quando i veicoli spaziali potrebbero essere inviati a Urano o Nettuno usando Giove per un potenziamento gravitazionale. Quali sono i vincoli nell'usarlo ma essere in grado di rallentare sufficientemente per entrare in orbita attorno ai "giganti del ghiaccio"?

Diamo un'occhiata.

Mentre un'ispezione visiva mostra un grande divario tra mondi delle dimensioni della Terra e delle dimensioni di Nettuno, la realtà è che puoi essere solo circa il 25% più grande della Terra ed essere ancora roccioso. Qualcosa di più grande e sei più un gigante del gas. Mentre Giove e Saturno hanno enormi involucri di gas, che comprendono all'incirca l'85% di quei pianeti, Nettuno e Urano sono molto diversi e dovrebbero avere grandi oceani liquidi sotto le loro atmosfere. (ISTITUTO LUNARE E PLANETARIO)

Il sistema solare è un posto complicato, ma per fortuna, regolare. Il modo migliore per raggiungere il Sistema Solare esterno, vale a dire qualsiasi pianeta oltre Giove, è usare Giove stesso per aiutarti ad arrivarci. In fisica, ogni volta che hai un piccolo oggetto (come un veicolo spaziale) che vola da un enorme, stazionario (come una stella o un pianeta), la forza gravitazionale può cambiare tremendamente la sua velocità, ma la sua velocità deve rimanere la stessa.

Ma se c'è un terzo oggetto che è gravitazionalmente importante, quella storia cambia leggermente, e in un modo che è particolarmente rilevante per raggiungere il Sistema Solare esterno. Un'astronave che vola, per esempio, su un pianeta legato al Sole, può guadagnare o perdere velocità rubando o cedendo lo slancio al sistema pianeta / Sole. Al pianeta enorme non importa, ma l'astronave può ottenere una spinta (o una decelerazione) a seconda della sua traiettoria.

Una fionda gravitazionale, come mostrato qui, è come un veicolo spaziale può aumentare la sua velocità attraverso un assist di gravità. (UTENTE ZEIMUSU COMUNI WIKIMEDIA)

Questo tipo di manovra è noto come assistente di gravità ed era essenziale per far uscire Voyager 1 e Voyager 2 dal sistema solare e, più recentemente, per far volare New Horizons da Plutone. Anche se Urano e Nettuno hanno periodi orbitali straordinariamente lunghi rispettivamente di 84 e 165 anni, le finestre della missione per raggiungerli si ripetono ogni 12 anni circa: ogni volta che Giove completa un'orbita.

Una navicella spaziale lanciata dalla Terra in genere vola alcune volte su alcuni pianeti interni in preparazione di un aiuto di gravità da Giove. Una navicella spaziale che vola su un pianeta può essere proiettata in modo proverbiale - la fionda gravitazionale è una parola per un aiuto di gravità che lo aumenta - a maggiori velocità ed energie. Se volessimo, gli allineamenti sono giusti per poter lanciare una missione a Nettuno oggi. Urano, essendo più vicino, è ancora più facile da raggiungere.

La traiettoria di volo della NASA per la sonda Messenger, che si è conclusa in un'orbita stabile e di successo attorno a Mercurio dopo un certo numero di interventi di gravità. La storia è simile se vuoi andare al Sistema Solare esterno, tranne per il fatto che usi la gravità per aumentare la tua velocità eliocentrica, piuttosto che per sottrarla. (NASA / JHUAPL)

Una decina di anni fa, fu proposta la missione Argo: volava vicino a oggetti di cintura di Giove, Saturno, Nettuno e Kuiper, con una finestra di lancio che durava dal 2015 al 2019. Ma le missioni di volo sono facili, perché non hai per rallentare il veicolo spaziale. Inserirlo in orbita in un mondo è più difficile, ma è anche molto più gratificante.

Invece di un singolo passaggio, un orbiter può ottenere la copertura di tutto il mondo, più volte, per lunghi periodi di tempo. Puoi vedere i cambiamenti nell'atmosfera di un mondo ed esaminarlo continuamente in un'ampia varietà di lunghezze d'onda invisibili all'occhio umano. Puoi trovare nuove lune, nuovi anelli e nuovi fenomeni che non ti saresti mai aspettato. Puoi persino inviare un lander o una sonda sul pianeta o su una delle sue lune. Tutto questo e molto altro è già accaduto intorno a Saturno con la missione Cassini recentemente completata.

Un'immagine del 2012 (L) e una 2016 (R) del polo nord di Saturno, entrambe scattate con la fotocamera grandangolare Cassini. La differenza di colore è dovuta ai cambiamenti nella composizione chimica dell'atmosfera di Saturno, indotti da cambiamenti fotochimici diretti. (NASA / JPL-CALTECH / ISTITUTO DI SCIENZA SPAZIALE)

Cassini non si limitò a conoscere le proprietà fisiche e atmosferiche di Saturno, anche se lo fece in modo spettacolare. Non si limitava a immaginare e conoscere gli anelli, anche se lo faceva anche. La cosa più incredibile è che abbiamo osservato cambiamenti ed eventi transitori che non avremmo mai previsto. Saturno presentava cambiamenti stagionali, che corrispondevano a cambiamenti chimici e di colore attorno ai suoi poli. Una tempesta colossale si sviluppò su Saturno, circondando il pianeta e durando per molti mesi. Si è scoperto che gli anelli di Saturno hanno intense strutture verticali e cambiano nel tempo; sono dinamici e non statici e forniscono un laboratorio per insegnarci sulla formazione del pianeta e della luna. E, con i suoi dati, abbiamo risolto vecchi problemi e scoperto nuovi misteri sulle sue lune Iapetus, Titan ed Enceladus, tra gli altri.

Per un periodo di 8 mesi, la più grande tempesta del Sistema Solare ha imperversato, circondando l'intero mondo dei giganti gassosi e capace di montare fino a 10-12 terre al suo interno. (NASA / JPL-CALTECH / ISTITUTO DI SCIENZA SPAZIALE)

Non c'è dubbio che vorremmo fare lo stesso per Urano e Nettuno. Molte missioni orbitanti su Urano e Nettuno sono state proposte e rese abbastanza lontane nel processo di sottomissione della missione, ma nessuna è stata effettivamente programmata per essere costruita o volata. La NASA, l'ESA, la JPL e il Regno Unito hanno proposto tutti gli orbiter di Urano che sono ancora in corsa, ma nessuno sa cosa riserva il futuro.

Finora abbiamo studiato questi mondi solo da lontano. Ma c'è un'enorme speranza per una missione futura tra molti anni, quando le finestre di lancio per raggiungere entrambi i mondi si allineeranno contemporaneamente. Nel 2034, la missione concettuale ODINUS avrebbe inviato orbiter gemelli a Urano e Nettuno contemporaneamente. La missione stessa sarebbe una spettacolare joint venture tra la NASA e l'ESA.

Gli ultimi due (più esterni) anelli di Urano, scoperti da Hubble. Abbiamo scoperto tanta struttura negli anelli interni di Urano dal Voyager 2 fly-by, ma un orbita potrebbe mostrarci ancora di più. (NASA, ESA E M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Una delle principali missioni di punta proposte al sondaggio decadale di scienza planetaria della NASA nel 2011 era una sonda e un orbita di Urano. Questa missione era al terzo posto, dietro il rover Mars 2020 e l'orbiter Europa Clipper. Una sonda e orbiter di Urano potrebbe lanciarsi durante gli anni 2020 con una finestra di 21 giorni all'anno: quando Terra, Giove e Urano raggiunsero le posizioni ottimali. L'orbita avrebbe tre strumenti separati progettati per rappresentare e misurare varie proprietà di Urano, dei suoi anelli e delle sue lune. Urano e Nettuno dovrebbero avere enormi oceani liquidi sotto le loro atmosfere e un orbita dovrebbe essere in grado di scoprirlo con certezza. La sonda atmosferica misura le molecole che formano le nuvole, la distribuzione del calore e come la velocità del vento è cambiata con la profondità.

La missione ODINUS, proposta dall'ESA come joint venture con la NASA, avrebbe esplorato Nettuno e Urano con una serie gemella di orbiter. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Proposto dal programma Cosmic Vision dell'ESA, la missione Origins, Dynamics e Interiors of the Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) va ancora più in là: espandere questo concetto a due orbiter gemelli, che invierebbe uno a Nettuno e uno ad Urano. Una finestra di lancio nel 2034, dove Terra, Giove, Urano e Nettuno si allineano correttamente, potrebbero mandarli entrambi contemporaneamente.

Le missioni Flyby sono fantastiche per i primi incontri, poiché puoi imparare così tanto su un mondo vedendolo da vicino. Sono anche fantastici perché possono raggiungere obiettivi multipli, mentre gli orbiter sono bloccati in qualunque mondo scelgano di orbitare. Infine, gli orbitanti devono portare a bordo carburante per eseguire ustioni, rallentare ed entrare in un'orbita stabile, rendendo una missione molto più costosa. Ma la scienza che si ottiene rimanendo a lungo termine su un pianeta, direi, più che compensare.

Quando orbiti in un mondo, puoi vederlo da tutti i lati, così come i suoi anelli, le sue lune e come si comportano nel tempo. Grazie a Cassini, ad esempio, abbiamo scoperto l'esistenza di un nuovo anello originato dall'asteroide catturato Phoebe, e il suo ruolo nell'oscuramento di solo metà della misteriosa luna Iapeto. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVATO DA NASA / CASSINI IMMAGINI)

Le attuali limitazioni a una missione come questa non derivano da risultati tecnici; la tecnologia esiste per farlo oggi. Le difficoltà sono:

  • Politico: poiché il budget della NASA è limitato e limitato e le sue risorse devono servire l'intera comunità,
  • Fisico: poiché anche con il nuovo veicolo di sollevamento pesante della NASA, la versione senza viti dello SLS, possiamo inviare solo una quantità limitata di massa al sistema solare esterno, e
  • Pratico: perché a queste incredibili distanze dal sole, i pannelli solari non lo faranno. Abbiamo bisogno di fonti radioattive per alimentare un'astronave così distante, e potremmo non avere abbastanza per fare il lavoro.

Quest'ultimo, anche se tutto il resto si allinea, potrebbe essere il rompiscatole.

Una pallina di ossido di plutonio-238 che emette luce dal suo stesso calore. Prodotto anche come sottoprodotto di reazioni nucleari, il Pu-238 è il radionuclide utilizzato per alimentare i veicoli nello spazio profondo, dalla Mars Curiosity Rover alla navicella spaziale Voyager a distanza. (US DIPARTMENT OF ENERGY)

Il plutonio-238 è un isotopo creato nella lavorazione di materiale nucleare e la maggior parte dei nostri depositi proviene da un periodo in cui stavamo attivamente creando e immagazzinando armi nucleari. Il suo uso come generatore termoelettrico di radioisotopi (RTG) è stato spettacolare per le missioni su Luna, Marte, Giove, Saturno, Plutone e una serie di sonde nello spazio profondo, tra cui i veicoli spaziali Pioneer e Voyager.

Ma abbiamo smesso di produrlo nel 1988 e le nostre opzioni per acquistarlo dalla Russia si sono ridotte man mano che hanno smesso di produrlo. È iniziato uno sforzo recente per realizzare il nuovo Pu-238 all'Oak Ridge National Laboratory, producendo circa 2 once entro la fine del 2015. Lo sviluppo continuo lì, così come da Ontario Power Generation, potrebbe creare abbastanza per alimentare una missione entro il 2030 .

Una cucitura di due esposizioni 591-s ottenute attraverso il filtro trasparente della fotocamera grandangolare da Voyager 2, che mostra il sistema full ring di Nettuno con la massima sensibilità. Urano e Nettuno hanno molte somiglianze, ma una missione dedicata potrebbe rilevare anche differenze senza precedenti. (NASA / JPL)

Più veloce ti muovi quando incontri un pianeta, più carburante devi aggiungere al tuo veicolo spaziale per rallentare e inserirti in orbita. Per una missione su Plutone, non c'era possibilità; New Horizons era troppo piccolo e la sua velocità era troppo grande, inoltre la massa di Plutone è piuttosto bassa per provare a fare un inserimento orbitale. Ma per Nettuno e Urano, in particolare se scegliamo gli assistenti di gravità giusti da Giove e forse da Saturno, questo potrebbe essere fattibile. Se vogliamo andare solo per Urano, potremmo lanciare qualsiasi anno durante gli anni 2020. Ma se vogliamo andare per entrambi, cosa che facciamo, il 2034 è l'anno da percorrere! Nettuno e Urano possono assomigliare a noi in termini di massa, temperatura e distanza, ma possono essere veramente diversi da come la Terra è da Venere. C'è solo un modo per scoprirlo. Con un po 'di fortuna, e un sacco di investimenti e duro lavoro, potremmo arrivare a scoprire nelle nostre vite.

Invia le tue domande a Ethan a startwithabang su gmail dot com!

(Nota: grazie al sostenitore di Patreon Erik Jensen per averlo chiesto!)

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.