Om lidt over et år begynder et nyt årti, og med det åbnes en helt ny strøm af ideer til NASA-missioner, nogle nærmere - ligesom Mars, nogle længere væk. Nogle meget fjerne. Nogle mennesker forventer, at æraen med robotrejser til verdener, der ikke kun er millioner - milliarder kilometer fra os, vil åbne for os. Disse inkluderer Uranus og Neptune (planeterne, vi besøgte i henholdsvis 1986 og 1989), samt hundreder af islegemer uden for regionen kendt som Kuiper-bæltet.
Kuiper Belt er hjemsted for Pluto og tusinder af andre verdener i forskellige størrelser. De fleste kroppe der består af byggestenene i vores solsystem, længe siden eskorteret til fjerne, iskolde regioner. Et besøg i Kuiper Belt kan give os ledetråde til spørgsmål om, hvordan vores planet og dens naboer dannede sig, hvorfor der er så meget vand og andre mysterier.
På solsystemets grænser
Uranus og Neptune besidder også mange mysterier på egen hånd. Jo mere 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 af dem har en tendens til at have samme størrelse som Uranus og Neptune, "isgiganter", der er navngivet efter den eksotiske tilstand af vandis, der ligger dybt under overskyede lag. At studere Uranus og Neptune vil ikke kun hjælpe os med at forstå planeterne i vores solsystem - det vil hjælpe os med at forstå planeterne, der kredser om andre stjerner.
Mange af disse missioner er tidsafhængige. Den kommende Decadal Survey - NASAs "ti-årige undersøgelse" af, når agenturet sender rumfartøjer i 2020- og 2030'erne - kunne skabe eller forstyrre disse vidtrækkende planer for at udforske det ydre solsystem.
Decadal Survey: Hvordan Decadal Survey vil skride frem
Salgsfremmende video:
Fra og med 2020 vil en gruppe fra National Academy of Sciences (med deltagelse af flere interessenter fra rumfællesskabet) mødes og udarbejde en liste over prioriterede forskningsmål. Forskere vil tilbyde deres muligheder i form af skriftlige henstillinger kaldet "hvidbøger" (læs: hvidbog).
Fra disse henstillinger kommer der en generel konsensus om, hvad prioriteterne skal være. Disse mål tjener som benchmarks for missionerne i mellemgrænsen i kategorien New Frontiers (New Horizons og Juno var i denne kategori). NASA udarbejder først en liste over foreslåede missioner og indsnæver dem derefter gradvist til en eller to finalister. Når en finalist har fået grønt lys, kan teamet bag dem begynde at planlægge og designe - og det tager år.
Alt dette kan gøre det vanskeligt at komme ind i et specifikt vindue, hvorigennem det er muligt at udforske Uranus eller Neptune, samt se på et objekt fra Kuiper-bæltet. Dette er grunden til nøjagtige diagrammer er risikabelt.
Besøg isgiganten
En af grupperne overvejede især muligheden for en mission at besøge Uranus og Neptun på samme tid. Den sidste iteration inkluderer en flyby af Uranus og en orbitale af Neptun. Anført af Mark Hofstadter og Amy Simon planlægger forskere at se en anden side af Uranus end Voyager 2 observeret i 1986 og studere Neptun og dens største måne, Triton. Triton roterer bagud, hvilket kan skyldes det faktum, at det engang var det største objekt i Kuiper-bæltet - før Neptune trak Triton mod sig selv og skubbede ud af mange af sine originale satellitter.
Simon siger, at disse missioner bør indsættes over 15 år, herunder rejse- og forskningstid. Dette skyldes, hvor længe individuelle dele af køretøjet kan overleve i rummet med relativ sikkerhed. Mens et rumfartøj kan leve længere, er 15 år det minimum, hvor man kan være sikker på, at missionen vil udføre sine videnskabelige opgaver til fulde. Men hvordan skal man sikre sig, at rejsen ikke spilder for mange ressourcer i den aktuelle fase af forskningen? En måde at accelerere et rumfartøj på er at bruge planetens tyngdekraft til at accelerere.
”For at komme der hen på mindre end 12 år flyver de typisk rundt om planeter, typisk inklusive Jorden og Venus,” siger Simon. I sådanne scenarier kaster du dig ned i planetens tyngdekraft godt i håb om en slangebøsningseffekt, der vil fremskynde dit håndværk og spare så meget brændstof som muligt. Jupiter bruges også af de bedste muligheder, da det er det mest massive og kan accelerere rumfartøjet meget.
New Horizons brugte for eksempel Jupiters hjælp til at nå Pluto. Cassini brugte fire separate overflytninger for at accelerere med Saturn efter lanceringen fra Jorden, modtage acceleration fra Venus to gange, vende tilbage til Jorden og til sidst det sidste spring fra Jupiter.
Simon siger, at for at komme til Uranus efter en stram tidsplan, kunne en flyby af Saturn bruges - for eksempel i et vindue mellem 2024 og 2028, til at fange gasgiganten på det rigtige sted i sin 29-årige bane. En sådan mission vil kræve hurtig overvejelse efter NASA-standarder - normalt planlægges missioner ti år før lancering, derefter planlægges, designet og lanceres inden for fem år - så du bliver nødt til at stole på det næste vindue, en Jupiter flyby mellem 2029 og 2032, efterfulgt af en exit til Neptune. Den næste chance vises først ti år fra nu.
En mission til Uranus kan bruge traditionelle drivmaskiner og motorer for at komme hurtigere til accelerationspunkterne - det være sig en Atlas V-raket eller en Delta IV Heavy raket. Men fordi Neptune er så langt væk, og den nøjagtige bane ikke er på linje så perfekt, som vi gerne vil, vil missionen til denne planet stole på Space Launch System, NASAs næste generations raketter med øget nyttelast (og den er ikke engang fløjet endnu). Hvis den ikke er klar i tide, bliver vi nødt til at stole på en anden næste generations teknologi: solenergi-fremdrift, der udnytter solenergi for at antænde ioniseret gas for at fremskynde køretøjet. Indtil nu er det kun blevet brugt på rumfartøjet Dawn på missioner til vest og Ceres og på to missioner til små asteroider.
”Selv i tilfælde af solenergi er der stadig brug for kemiske motorer, hvis solenergi bliver ineffektiv og til bremsning i kredsløb,” siger Simon.
Således er tidsplanen ganske stram. Men hvis vi bevæger os mere aktivt, kan begge disse missioner tjene et andet formål: at nå de uudforskede verdener i Kuiper-bæltet.
Stor ukendt
Et andet papir, skrevet af tre medlemmer af New Horizons-teamet, undersøger muligheden for at vende tilbage til Kuiper-bæltet efter en vellykket sondevandring til Pluto.”Vi så, hvor interessant det var, og ønskede at vide, hvad der ellers var derude,” siger Tiffany Finley, chefingeniør ved Southwest Research Institute (SWRI) og medforfatter til en artikel offentliggjort i Journal of Spacecraft and Rockets.
Kuiper Belt indeholder isrester fra dannelsen af solsystemet, og genstande deri inkluderer en enorm række forskellige materialer. Pluto er for eksempel lidt større end Eris. Men Pluto er lavet af is, så den har mindre masse. Eris består for det meste af klipper, så det er mere tæt. Nogle verdener ser ud til at være sammensat af metan, mens andre indeholder meget ammoniak. Et sted i baghaven i vores solsystem er der mange dværgplaneter og små verdener, der indeholder nøglepunkter for vores forståelse af, hvordan planeter opstår - og om andre planetariske systemer måske kan ligne vores.
Forskere brugte smalle begrænsninger: De begrænsede missionen til 25 år og kiggede på 45 af de lyseste Kuiper-bælteobjekter og sammenlignede dem med hensyn til forskellige scenarier med planetarisk flyby. Jupiter har overraskende opdaget de fleste af målene på listen. Men Jupiters vindue åbnes en gang hvert 12. år, hvilket gør Jupiters missioner tidsafhængige. En simpel flyby af Saturn giver en ret god liste over Kuiper-bæltemål.
Men når du parrer disse verdener med Uranus eller Neptune, får du chancen for at opdage nye fakta om vores mystiske, fjerneste planeter og endda nogle dværgplaneter i et fald.
Slangebøsningseffekten vil hjælpe med at nå disse verdener, først fra Jupiter og derefter fra en anden planet. Hver af disse planeter er på linje med Jupiter i et smalt vindue i 2030'erne og passer pænt i forskellige dele af dette årti. For at komme til listen over verdener på stien med Neptune, skal du f.eks. Komme til Jupiter i de tidlige 2030'ere, og at komme til Kuiper-bæltet via Uranus ville kræve en lancering i midten af 2030'erne. Jupiter og Saturn tilpasser sig i tide til en sejlbillede ind i Kuiper-bæltet i slutningen af 2030'erne.
Liste over mål giver mange interessante muligheder. Varuna, en langstrakt verden, der har erhvervet denne form på grund af sin hurtige rotationshastighed, er perfekt til at flyve rundt på Jupiter-Uranus. Som allerede nævnt giver Neptune et glimt af Eris. Missionen gennem Jupiter-Saturn giver mulighed for observation af Sedna, en stor dværgplanet med en bane, der kunne pege vejen til en plan, der endnu ikke er opdaget. Jupiter-Saturn giver dig mulighed for at stoppe ved en af de mest interessante dværgplaneter: Haumea.
Ligesom Varuna er Haumea ægformet, mens de fleste af de store dværgplaneter i Kuiper-bæltet normalt er runde. Men Haumea fik denne form fra en gammel kollision, der gav hende to måner, et ringsystem og en hale lavet af snavs. Når asteroider har en lignende sammensætning, kaldes de "kollisionsfamilien." Haumea producerede den eneste kendte familie af kollisioner i Kuiper-bæltet.
Uanset hvad vi vælger, har vi ikke meget tid. Derfor, hvis vi ønsker at se ringene fra Haumea eller endda det røde, fremmede lys fra Sedna, skal arbejdet starte så hurtigt som muligt. Disse verdener er så små, at der kun er en måde at finde ud af deres hemmeligheder på: at komme til dem.
Ilya Khel