Voyager 2 flog sowohl an Uranus (R) als auch an Neptun (L) vorbei und enthüllte die Eigenschaften, Farben, Atmosphären und Ringsysteme beider Welten. Beide haben Ringe, viele interessante Monde und atmosphärische und Oberflächenphänomene, auf deren Untersuchung wir nur warten. (NASA / VOYAGER 2)

Fragen Sie Ethan: Können wir eine Cassini-ähnliche Mission an Uranus oder Neptun senden?

Das Cassini-Raumschiff der NASA hat uns mehr beigebracht, als wir uns jemals über Saturn vorgestellt haben. Könnten wir etwas Ähnliches für Uranus und Neptun tun?

Von unserem Standort im Sonnensystem aus hat uns der Blick auf das ferne Universum mit unseren leistungsstarken boden- und weltraumgestützten Observatorien Ansichten und Wissen gegeben, von denen viele von uns nie gedacht hätten, dass wir sie erreichen würden. Aber es gibt immer noch keinen Ersatz dafür, tatsächlich an einen entfernten Ort zu reisen, wie uns engagierte Missionen für viele der Planeten gelehrt haben. Trotz aller Ressourcen, die wir der Planetenforschung gewidmet haben, haben wir immer nur eine Mission an Uranus und Neptun geschickt: Voyager 2, die nur an ihnen vorbeiflog. Was sind unsere Aussichten für eine Orbiter-Mission in diese Außenwelten? Das möchte unser Patreon-Anhänger Erik Jensen wissen, als er fragt:

Es kommt ein Fenster, in dem Raumschiffe mit Jupiter für einen Gravitationsschub nach Uranus oder Neptun geschickt werden könnten. Was sind die Einschränkungen, um dies zu nutzen, aber in der Lage zu sein, ausreichend zu verlangsamen, um in die Umlaufbahn um die „Eisriesen“ zu gelangen?

Lass uns einen Blick darauf werfen.

Während eine visuelle Inspektion eine große Lücke zwischen erdgroßen und neptungroßen Welten zeigt, können Sie in Wirklichkeit nur etwa 25% größer als die Erde sein und trotzdem felsig sein. Alles, was größer ist, und du bist eher ein Gasriese. Während Jupiter und Saturn enorme Gashüllen haben, die ungefähr 85% dieser Planeten ausmachen, sind Neptun und Uranus sehr unterschiedlich und sollten große, flüssige Ozeane unter ihrer Atmosphäre haben. (MUNAR- UND PLANETENINSTITUT)

Das Sonnensystem ist ein komplizierter - aber zum Glück regelmäßiger - Ort. Der beste Weg, um zum äußeren Sonnensystem zu gelangen, dh zu jedem Planeten jenseits des Jupiter, besteht darin, Jupiter selbst zu verwenden, um Ihnen zu helfen, dorthin zu gelangen. In der Physik kann die Gravitationskraft ihre Geschwindigkeit enorm ändern, wenn ein kleines Objekt (wie ein Raumschiff) an einem massiven, stationären Objekt (wie einem Stern oder einem Planeten) vorbeifliegt, aber seine Geschwindigkeit muss gleich bleiben.

Wenn es jedoch ein drittes Objekt gibt, das gravitativ wichtig ist, ändert sich diese Geschichte geringfügig und auf eine Weise, die für das Erreichen des äußeren Sonnensystems besonders relevant ist. Ein Raumschiff, das beispielsweise an einem Planeten vorbeifliegt, der an die Sonne gebunden ist, kann Geschwindigkeit gewinnen oder verlieren, indem es dem Planeten / Sonnensystem Schwung stiehlt oder aufgibt. Dem massiven Planeten ist das egal, aber das Raumschiff kann je nach Flugbahn einen Schub (oder eine Verzögerung) erhalten.

Eine Gravitationsschleuder, wie hier gezeigt, zeigt, wie ein Raumschiff seine Geschwindigkeit durch eine Schwerkraftunterstützung erhöhen kann. (WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER ZEIMUSU)

Diese Art von Manöver ist als Schwerkraftunterstützung bekannt und war wichtig, um sowohl Voyager 1 als auch Voyager 2 auf dem Weg aus dem Sonnensystem zu bringen, und in jüngerer Zeit, um New Horizons dazu zu bringen, mit Pluto zu fliegen. Obwohl Uranus und Neptun spektakulär lange Umlaufzeiten von 84 bzw. 165 Jahren haben, wiederholen sich die Missionsfenster, um zu ihnen zu gelangen, etwa alle 12 Jahre: jedes Mal, wenn Jupiter eine Umlaufbahn abschließt.

Ein von der Erde aus gestartetes Raumschiff fliegt normalerweise einige Male von einigen inneren Planeten, um sich auf eine Schwerkraftunterstützung durch Jupiter vorzubereiten. Ein Raumschiff, das an einem Planeten vorbeifliegt, kann sprichwörtlich geschleudert werden - Gravitationsschleuder ist ein Wort für eine Schwerkraftunterstützung, die es verstärkt - zu höheren Geschwindigkeiten und Energien. Wenn wir wollten, sind die Ausrichtungen richtig, dass wir heute eine Mission nach Neptun starten könnten. Uranus, der näher ist, ist noch einfacher zu erreichen.

Die Flugbahn der NASA für die Messenger-Sonde, die nach einer Reihe von Schwerkraftunterstützungen in einer erfolgreichen, stabilen Umlaufbahn um Merkur landete. Die Geschichte ist ähnlich, wenn Sie zum äußeren Sonnensystem gehen möchten, außer dass Sie die Schwerkraft verwenden, um Ihre heliozentrische Geschwindigkeit zu erhöhen, anstatt von ihr zu subtrahieren. (NASA / JHUAPL)

Vor einem Jahrzehnt wurde die Argo-Mission vorgeschlagen: Sie würde an Jupiter-, Saturn-, Neptun- und Kuipergürtelobjekten vorbeifliegen und ein Startfenster von 2015 bis 2019 haben. Vorbeiflugmissionen sind jedoch einfach, weil Sie keine haben das Raumschiff zu verlangsamen. Es ist schwieriger, es in den Orbit um eine Welt zu bringen, aber es ist auch weitaus lohnender.

Anstelle eines einzelnen Durchgangs kann ein Orbiter über mehrere Zeiträume hinweg mehrmals die gesamte Welt abdecken. Sie können Veränderungen in der Atmosphäre einer Welt sehen und sie kontinuierlich in einer Vielzahl von Wellenlängen untersuchen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Sie können neue Monde, neue Ringe und neue Phänomene finden, die Sie nie erwartet haben. Sie können sogar einen Lander oder eine Sonde zum Planeten oder einem seiner Monde schicken. All das und noch mehr geschah bereits um Saturn herum mit der kürzlich abgeschlossenen Cassini-Mission.

Ein 2012 (L) - und ein 2016 (R) -Bild des Nordpols des Saturn, beide mit der Cassini-Weitwinkelkamera aufgenommen. Der Farbunterschied ist auf Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Saturnatmosphäre zurückzuführen, die durch direkte photochemische Änderungen hervorgerufen werden. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUT)

Cassini lernte nicht nur die physikalischen und atmosphärischen Eigenschaften des Saturn kennen, obwohl dies spektakulär war. Es hat nicht nur die Ringe abgebildet und gelernt, obwohl es das auch tat. Das Unglaublichste ist, dass wir Veränderungen und vorübergehende Ereignisse beobachtet haben, die wir niemals vorhergesagt hätten. Saturn zeigte saisonale Veränderungen, die chemischen und Farbveränderungen um seine Pole entsprachen. Auf dem Saturn entwickelte sich ein kolossaler Sturm, der den Planeten umgab und viele Monate andauerte. Es wurde festgestellt, dass Saturnringe intensive vertikale Strukturen aufweisen und sich im Laufe der Zeit ändern. Sie sind dynamisch und nicht statisch und bieten ein Labor, in dem wir die Planeten- und Mondbildung lernen können. Und mit seinen Daten haben wir alte Probleme gelöst und neue Geheimnisse entdeckt, unter anderem über die Monde Iapetus, Titan und Enceladus.

Über einen Zeitraum von 8 Monaten tobte der größte Sturm im Sonnensystem, der die gesamte Welt der Gasriesen umgab und in der Lage war, bis zu 10 bis 12 Erden darin unterzubringen. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUT)

Es besteht kein Zweifel, dass wir dasselbe für Uranus und Neptun tun möchten. Viele umlaufende Missionen nach Uranus und Neptun wurden vorgeschlagen und haben es im Einreichungsprozess der Mission ziemlich weit gebracht, aber keine ist tatsächlich für den Bau oder das Fliegen vorgesehen. Die NASA, die ESA, JPL und Großbritannien haben alle Uranus-Orbiter vorgeschlagen, die noch im Rennen sind, aber niemand weiß, was die Zukunft bringt.

Bisher haben wir diese Welten nur von weitem studiert. Aber es gibt eine enorme Hoffnung für eine zukünftige Mission in vielen Jahren, wenn sich die Startfenster für beide Welten gleichzeitig ausrichten. Im Jahr 2034 würde die konzeptionelle ODINUS-Mission zwei Orbiter gleichzeitig nach Uranus und Neptun schicken. Die Mission selbst wäre ein spektakuläres Joint Venture zwischen der NASA und der ESA.

Die letzten beiden (äußersten) Ringe von Uranus, wie von Hubble entdeckt. Wir haben beim Vorbeiflug der Voyager 2 so viel Struktur in den inneren Ringen von Uranus entdeckt, aber ein Orbiter könnte uns noch mehr zeigen. (NASA, ESA UND M. SHOWALTER (SETI INSTITUT))

Eine der wichtigsten Missionen der Flaggschiffklasse, die 2011 für die dekadische Umfrage der NASA zur Planetenforschung vorgeschlagen wurden, war eine Uranus-Sonde und ein Orbiter. Diese Mission wurde nach dem Mars 2020-Rover und dem Europa Clipper-Orbiter als dritte Priorität eingestuft. Eine Uranus-Sonde und ein Orbiter könnten in den 2020er Jahren mit einem Fenster von 21 Tagen pro Jahr starten: wenn Erde, Jupiter und Uranus die optimalen Positionen erreichten. Der Orbiter würde drei separate Instrumente haben, um verschiedene Eigenschaften von Uranus, seinen Ringen und seinen Monden abzubilden und zu messen. Uranus und Neptun sollten enorme flüssige Ozeane unter ihrer Atmosphäre haben, und ein Orbiter sollte in der Lage sein, dies mit Sicherheit zu entdecken. Die atmosphärische Sonde würde wolkenbildende Moleküle, die Wärmeverteilung und die Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Tiefe messen.

Die ODINUS-Mission, die von der ESA als Joint Venture mit der NASA vorgeschlagen wurde, würde sowohl Neptun als auch Uranus mit zwei Orbitern untersuchen. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Die Mission „Ursprünge, Dynamik und Innenräume des neptunischen und uranischen Systems“ (ODINUS), die vom Cosmic Vision-Programm der ESA vorgeschlagen wurde, geht noch weiter: Die Erweiterung dieses Konzepts auf zwei Zwillingsorbiter, die einen an Neptun und einen an Uranus senden würden. Ein Startfenster im Jahr 2034, in dem Erde, Jupiter, Uranus und Neptun richtig ausgerichtet sind, könnte beide gleichzeitig losschicken.

Flyby-Missionen eignen sich hervorragend für erste Begegnungen, da Sie so viel über eine Welt lernen können, indem Sie sie aus der Nähe betrachten. Sie sind auch großartig, weil sie mehrere Ziele erreichen können, während Orbiter in jeder Welt stecken bleiben, die sie umkreisen möchten. Schließlich müssen Orbiter Treibstoff an Bord bringen, um Verbrennungen durchzuführen, langsamer zu werden und in eine stabile Umlaufbahn zu gelangen, was eine Mission viel teurer macht. Aber die Wissenschaft, die man bekommt, wenn man langfristig auf einem Planeten bleibt, macht das mehr als wett.

Wenn Sie eine Welt umkreisen, können Sie sie von allen Seiten sehen, ebenso wie ihre Ringe, ihre Monde und wie sie sich im Laufe der Zeit verhalten. Dank Cassini entdeckten wir zum Beispiel die Existenz eines neuen Rings, der vom gefangenen Asteroiden Phoebe stammt, und seine Rolle bei der Verdunkelung von nur einer Hälfte des mysteriösen Mondes Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, ABGELEITET VON NASA / CASSINI-BILDERN)

Die derzeitigen Einschränkungen einer solchen Mission beruhen nicht auf technischen Errungenschaften. Die Technologie existiert, um es heute zu tun. Die Schwierigkeiten sind:

  • Politisch: Weil das Budget der NASA begrenzt und begrenzt ist und ihre Ressourcen der gesamten Gemeinschaft dienen müssen,
  • Physisch: Selbst mit dem neuen Schwerlastfahrzeug der NASA, der ungeschraubten Version des SLS, können wir nur eine begrenzte Menge an Masse an das äußere Sonnensystem senden
  • Praktisch: In diesen unglaublichen Entfernungen von der Sonne reichen Sonnenkollektoren nicht aus. Wir brauchen radioaktive Quellen, um ein so weit entferntes Raumschiff anzutreiben, und wir haben möglicherweise nicht genug, um die Arbeit zu erledigen.

Letzteres könnte, selbst wenn alles andere übereinstimmt, der Dealbreaker sein.

Ein Plutonium-238-Oxidpellet, das aus eigener Hitze glüht. Pu-238 wird auch als Nebenprodukt von Kernreaktionen erzeugt und ist das Radionuklid, mit dem Weltraumfahrzeuge vom Mars Curiosity Rover bis zum weit entfernten Voyager-Raumschiff angetrieben werden. (US-Energieabteilung)

Plutonium-238 ist ein Isotop, das bei der Verarbeitung von Kernmaterial entsteht, und die meisten unserer Vorräte stammen aus einer Zeit, als wir aktiv Atomwaffen herstellten und lagerten. Seine Verwendung als thermoelektrischer Radioisotopgenerator (RTG) war spektakulär für Missionen zum Mond, Mars, Jupiter, Saturn, Pluto und eine Reihe von Weltraumsonden, einschließlich der Raumschiffe Pioneer und Voyager.

Aber wir haben 1988 die Produktion eingestellt, und unsere Möglichkeiten, es aus Russland zu kaufen, sind geschrumpft, da sie auch die Produktion eingestellt haben. Die jüngsten Bemühungen, im Oak Ridge National Laboratory neues Pu-238 herzustellen, haben begonnen und produzieren bis Ende 2015 etwa 2 Unzen. Die weitere Entwicklung dort sowie durch Ontario Power Generation könnte genug schaffen, um eine Mission bis 2030 anzutreiben .

Ein Zusammenfügen von zwei 591-s-Belichtungen, die durch den klaren Filter der Weitwinkelkamera von Voyager 2 erhalten wurden, zeigt das vollständige Ringsystem von Neptun mit der höchsten Empfindlichkeit. Uranus und Neptun haben viele Ähnlichkeiten, aber eine engagierte Mission könnte auch beispiellose Unterschiede feststellen. (NASA / JPL)

Je schneller Sie sich bewegen, wenn Sie auf einen Planeten treffen, desto mehr Treibstoff müssen Sie Ihrem Raumschiff hinzufügen, um langsamer zu werden und sich in die Umlaufbahn zu bringen. Für eine Mission nach Pluto gab es keine Chance; New Horizons war zu klein und seine Geschwindigkeit viel zu groß. Außerdem ist Plutos Masse ziemlich gering, um eine Orbitalinsertion durchzuführen. Aber für Neptun und Uranus könnte dies machbar sein, insbesondere wenn wir die richtigen Schwerkrafthilfen von Jupiter und möglicherweise Saturn wählen. Wenn wir uns nur für Uranus entscheiden wollen, könnten wir jedes Jahr in den 2020er Jahren starten. Aber wenn wir für beide gehen wollen, was wir tun, ist 2034 das Jahr vor uns! Neptun und Uranus mögen uns in Bezug auf Masse, Temperatur und Entfernung ähnlich sehen, aber sie mögen sich wirklich so unterscheiden wie die Erde von der Venus. Es gibt nur einen Weg, es herauszufinden. Mit ein bisschen Glück, viel Investition und harter Arbeit können wir es in unserem Leben herausfinden.

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

(Hinweis: Vielen Dank an Patreon-Unterstützer Erik Jensen für die Nachfrage!)

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.