Чи можемо ми відправити щось на кшталт «Кассіні» на Уран або Нептун?

 

У тому місці Сонячної системи, де ми знаходимося, вивчення далекій Всесвіту за допомогою потужних наземних і космічних обсерваторій забезпечило нас даними і знаннями, про яких ми і не мріяли. Але у нас як і раніше немає ніякої можливості самостійно відправитися куди-небудь далі Марса, про це нам розповіли місії на інші планети. Незважаючи на всі ресурси, які ми віддали планетарної науки, ми відправили лише одну місію на Уран і Нептун: «Вояджер-2», який просто пролетів повз планет. Які наші перспективи на орбітальні місії в ці зовнішні світи?

Існує вікно, в яке на Уран або Нептун можна відправити космічний апарат, використовуючи Юпітер для гравітаційного розгону. Що потрібно зробити, щоб апарат досить сповільнилося після такого маневру і вийшов на орбіту «крижаних гігантів»?

Уран і Нептун: як їх досліджувати?

Сонячна система — складне, але, на щастя, звичне для нас місце. Найкращий спосіб дістатися до зовнішньої Сонячної системи — тобто до будь-якої планети за Юпітером — це використовувати Юпітер в допомогу. У фізиці, коли ви берете невеликий об’єкт (наприклад, космічний апарат), який пролітає поряд з масивним і нерухомим об’єктом (зразок зірки або планети), гравітаційна сила може істотно змінити його швидкість.

Але якщо є третій об’єкт з гравітаційної значимістю в цьому рівнянні, все трохи змінюється, і це особливо важливо для досягнення зовнішніх меж Сонячної системи. Космічний апарат, що пролітає поруч з планетою, прив’язаною до Сонця, може набрати або втратити швидкість за рахунок відбирання імпульсу системи планета-Сонце. Масивної планеті все одно, але космічний апарат може отримати розгін або уповільнення в залежності від його траєкторії.

Такого роду маневр з гравітаційної підтримкою був необхідний для запуску «Вояджерів» за межі Сонячної системи, а зовсім недавно — для запуску «Нових горизонтів» до Плутона. Незважаючи на те, що Уран і Нептун мають разюче довгі орбітальні періоди 84 165 років, відповідно, вікна місій для повернення до них повторюються кожні 12 років або близько того: кожен раз, коли Юпітер завершує орбіту.

Космічний апарат, запущений із Землі, як правило, облітає кілька внутрішніх планет кілька разів в рамках підготовки до гравітаційному маневру з Юпітером. Космічний апарат, облетающий планету, може використовувати «гравітаційну рогатку» — щоб планета розігнала його. Якщо б ми захотіли запустити місію на Нептун сьогодні, вирівнювання планет дозволить нам це зробити. З Ураном, який ближче, це було б ще простіше зробити.

Десять років тому була запропонована місія «Арго»: облетіти Юпітер, Сатурн, Нептун і об’єкти пояса Койпера з вікном запуску з 2015 по 2019 роки. Але місії обльоту — це просто, тому що вам не потрібно уповільнювати апарат. Закинути його на орбіту іншого світу куди складніше, але й цікавіше.

Замість одного проходу, орбітальний апарат дозволить вам багаторазово вивчити світ протягом тривалих періодів часу. Ви зможете спостерігати зміни в атмосфері миру своїми очима і постійно досліджувати його в широкому діапазоні довжин хвиль, невидимих для людського ока. Ви можете знайти нові місяця, нові кільця і нові явища, яких не чекали знайти. Можете навіть відправити посадковий модуль або зонд на планету або одну з її лун. Все це і багато чого іншого вже відбувалося навколо Сатурна з нещодавно завершеної місією «Кассіні».

«Кассіні» не тільки вивчила фізичні та атмосферні властивості Сатурна, хоча ця частина роботи була виконана блискуче. Вона не тільки зняла і вивчила кільця, хоча і з цим впоралася. Що більш цікаво, так це те, що ми спостерігали зміни та перехідні події, яких ніколи б не передбачили. Сатурн показав зміни пір року, які відповідали хімічним і колірних змін у його полюсів. Колосальний шторм проявився на Сатурні, оточивши планету і протримавшись багато місяців. Було виявлено, що кільця Сатурна мають яскраво виражені вертикальні структури і змінюються з часом; вони динамічні, а не статичні — відмінна лабораторію для досліджень формування планет і місяця. Маючи ці дані, ми вирішили старі проблеми і відкрили нові загадки про супутниках планети Япет, Титан, Енцелад та інших.

Немає жодних сумнівів у тому, що ми захочемо зробити те ж саме з Ураном і Нептуном. За Урану і Нептуну пропонувалося багато місій, з яких багато пройшли процес заявки, але жодну з них так і не почали планувати. NASA, ESA, JPL і Великобританія пропонували орбітальні пристрою по Урану, з яких все в розробці, але ніхто не знає, що з ними буде в майбутньому.

Досі ми вивчали ці світи здалеку. Але є величезна надія на те, що майбутня місія через багато років все-таки відбудеться, коли вікно запуску для досягнення обох світів буде відкрито. В 2034 році концептуальна місія ODINUS повинна відправити апарати-близнюки на Уран і Нептун одночасно. Сама місія стане цікавим спільним підприємством NASA і ESA.

Однією з основних флагманських місій, запропонованих планетологам NASA в 2011 році, були зонд і орбітальний апарат на Урані. Ця місія отримала третій пріоритет після місії Mars 2020 і Europa Clipper. Ці здвоєні апарати повинні були б вирушати в 2020-х роках у вікно в 21 день, яке є кожен рік: коли Земля, Юпітер і Уран займають оптимальні позиції. Орбітальний апарат взяв би три окремих інструменту, призначених для візуалізації та вимірювання різних властивостей Урану, його кілець і супутників. Уран і Нептун повинні володіти величезними рідкими океанами під атмосферою, і орбітальний апарат повинен би напевно це виявити. Атмосферний зонд буде вимірювати хмарні молекули, розподіл тепла і зміна швидкості вітру з глибиною.

Запропонована Європейським космічним агентством програма ODINUS йде ще далі: розширює цю концепцію на два подвійних орбітальних пристрої, які вирушать на Нептун і Уран. Вікно запуску в 2034 році, коли Земля, Юпітер, Уран і Нептун вирівняються відповідним чином, дозволить запускати їх одночасно.

Місії обльоту відмінно підходять для перших зустрічей, тому що ви можете багато чого дізнатися про світ, вивчивши його з близької відстані. Також вони відмінно досягають декількох цілей, у той час як орбітальні апарати застряють в будь-якому світі, орбіту якого обирають. Нарешті, орбітальні апарати повинні мати на борту паливо для виконання маневрів, уповільнення і виходу на стабільну орбіту, що робить місію набагато дорожче. Але наука, яку ви отримуєте від довготривалого перебування на планеті, більш ніж компенсує це.

Існуючі обмеження такої місії не пов’язані з технічними досягненнями; технології, щоб здійснити її сьогодні, вже існують. Складності ось у чому:

  • Політика. Оскільки бюджет NASA обмежений, ресурсів вкрай не вистачає.
  • Фізика. Навіть якщо взяти найбільше судно NASA, безпілотну версію SLS, ми можемо відправити лімітовану масу в зовнішню Сонячну систему.
  • Практика. Враховуючи значну віддаленість від Сонця, сонячні панелі не будуть працювати. Потрібні радіоактивні джерела, щоб живити апарат так далеко, а це найбільша проблема.

Справа в тому, що радіоактивні джерела для зондів далекого прямування (на кшталт «Вояджера») харчуються плутонієм-238 — ізотопом, який створюється при обробці ядерних матеріалів. Велика частина плутонію-238 була створена в часи активної ядерної гонки. Він потрібний для радіоізотопних термоелектричних генераторів (РІТЕГ), які використовуються в космічних зондах.

Однак з 1988 року виробництво плутонію-238 припинилося, а запаси вичерпалися.

Чим швидше ви рухаєтеся при зустрічі з планетою, тим більше палива потрібно спалити апарату, щоб сповільнитися і залишитися на орбіті тіла. У випадку з Плутоном, шансів не було: «Нові горизонти» був занадто маленьким апаратом і володів занадто великою швидкістю, плюс маса Плутона була занадто низькою, щоб можна було за неї зачепитися. Але у випадку з Нептуном і Ураном, якщо ми виберемо вдалий шлях розгону від Юпітера і, можливо, Сатурна, це може бути здійсненно. Якщо ми хочемо вирушити лише на Уран, можна вилітати в будь-який рік в 2020-х. Якщо ж ми хочемо відвідати про планети, наш рік — 2034. Уран і Нептун можуть бути схожі здалеку, але поблизу вони можуть виявитися такими ж різними, як Земля і Венера. Є тільки один спосіб дізнатися.