Voyager 2 บินผ่านทั้งดาวยูเรนัส (R) และดาวเนปจูน (L) และเผยให้เห็นคุณสมบัติสีบรรยากาศและระบบวงแหวนของทั้งสองโลก พวกเขาทั้งคู่มีวงแหวนดวงจันทร์ที่น่าสนใจมากมายและปรากฏการณ์บรรยากาศและพื้นผิวเรากำลังรอการตรวจสอบ (NASA / VOYAGER 2)

ถามอีธาน: เราจะส่งภารกิจคล้ายแคสสินีไปยังดาวยูเรนัสหรือดาวเนปจูนได้ไหม

ยานแคสสินีของนาซ่าสอนเรามากกว่าที่เราจินตนาการไว้เกี่ยวกับดาวเสาร์ เราสามารถทำสิ่งที่คล้ายกันกับดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนได้ไหม

จากจุดที่เราอยู่ในระบบสุริยจักรวาลมองออกไปยังจักรวาลที่ห่างไกลด้วยหอดูดาวแบบภาคพื้นดินและแบบอวกาศที่ทรงพลังทำให้เรามีมุมมองและความรู้ที่เราหลายคนไม่เคยคิดว่าจะบรรลุ แต่ก็ยังไม่มีสิ่งใดมาแทนที่การเดินทางไปยังสถานที่ห่างไกลอย่างแท้จริงเนื่องจากภารกิจเฉพาะสำหรับดาวเคราะห์หลายดวงได้สอนเรา แม้จะมีทรัพยากรทั้งหมดที่เราได้ทุ่มเทให้กับวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์เราได้ส่งภารกิจไปยังดาวยูเรนัสและเนปจูน: Voyager 2 ซึ่งบินโดยพวกเขาเพียงคนเดียว โอกาสของเราสำหรับภารกิจยานอวกาศต่อโลกภายนอกเหล่านั้นคืออะไร? นั่นคือสิ่งที่ Erik Jensen ผู้สนับสนุน Patreon ของเราต้องการทราบขณะที่เขาถาม:

มีหน้าต่างขึ้นมาเมื่อยานอวกาศสามารถส่งไปยังดาวยูเรนัสหรือเนปจูนได้โดยใช้ดาวพฤหัสบดีเพื่อเพิ่มแรงดึงดูด อะไรคือข้อ จำกัด ในการใช้สิ่งนี้ แต่ความสามารถในการชะลอตัวอย่างเพียงพอสำหรับการเข้าสู่วงโคจรรอบ“ ยักษ์น้ำแข็ง”?

ลองมาดูกัน

ในขณะที่การตรวจสอบด้วยภาพแสดงให้เห็นช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างโลกขนาดและโลกขนาดเนปจูนความจริงคือคุณสามารถมีขนาดใหญ่กว่าโลกประมาณ 25% และยังคงเป็นหิน อะไรที่ใหญ่กว่านี้และคุณเป็นยักษ์ใหญ่ด้านก๊าซ ในขณะที่ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์มีซองก๊าซขนาดใหญ่ซึ่งประกอบไปด้วยดาวเคราะห์ 85% โดยประมาณดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสต่างกันมากและควรมีมหาสมุทรของเหลวขนาดใหญ่อยู่ใต้ชั้นบรรยากาศ (สถาบันจันทรคติและดาวเคราะห์)

ระบบสุริยจักรวาลมีความซับซ้อน แต่โชคดีที่เป็นเรื่องปกติ วิธีที่ดีที่สุดในการไปยังระบบสุริยะรอบนอกซึ่งก็คือการพูดว่าดาวเคราะห์ใด ๆ ที่อยู่นอกเหนือดาวพฤหัสก็คือการใช้ดาวพฤหัสเองเพื่อช่วยให้คุณไปถึงที่นั่น ในวิชาฟิสิกส์เมื่อใดก็ตามที่คุณมีวัตถุขนาดเล็ก (เช่นยานอวกาศ) บินโดยวัตถุขนาดใหญ่ที่อยู่นิ่ง (เช่นดาวหรือดาวเคราะห์) แรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนความเร็วได้อย่างมหาศาล แต่ความเร็วของมันจะต้องเท่าเดิม

แต่ถ้ามีวัตถุที่สามที่มีความสำคัญแรงโน้มถ่วงเรื่องราวนั้นจะเปลี่ยนไปเล็กน้อยและในลักษณะที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเข้าถึงระบบสุริยะนอก ยานอวกาศที่บินผ่านโดยกล่าวว่าดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่กับดวงอาทิตย์นั้นสามารถรับความเร็วได้โดยการขโมยโมเมนตัมไปสู่ระบบดาวเคราะห์ / ดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ไม่สนใจ แต่ยานอวกาศสามารถเพิ่ม (หรือชะลอ) ขึ้นอยู่กับวิถีของมัน

หนังสติ๊กแรงโน้มถ่วงดังที่แสดงไว้ที่นี่เป็นวิธีที่ยานอวกาศสามารถเพิ่มความเร็วด้วยการให้แรงโน้มถ่วงได้ (วิกิพีเดียสามัญผู้ใช้ ZEIMUSU)

การซ้อมรบแบบนี้เรียกว่าการช่วยเหลือแรงโน้มถ่วงและมันเป็นสิ่งสำคัญในการพาทั้ง Voyager 1 และ Voyager 2 ออกไปจากระบบสุริยะและเมื่อเร็ว ๆ นี้ในการทำให้ Horizons ใหม่บินโดยพลูโต แม้ว่าดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนจะมีระยะเวลาการโคจรที่ยาวนานถึง 84 และ 165 ปีตามลำดับ แต่หน้าต่างภารกิจสำหรับการเดินทางไปยังพวกมันจะเกิดขึ้นทุก ๆ 12 ปีหรือมากกว่านั้น: ทุกครั้งที่ดาวพฤหัสบดีโคจรครบรอบ

ยานอวกาศที่ถูกปล่อยออกมาจากโลกมักบินผ่านดาวเคราะห์ชั้นในบางแห่งเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการช่วยแรงโน้มถ่วงจากดาวพฤหัสบดี ยานอวกาศที่บินโดยดาวเคราะห์สามารถได้รับหนังสติ๊กในเชิง Proverbially - หนังสติ๊กแรงโน้มถ่วงเป็นคำที่ช่วยให้แรงโน้มถ่วงที่ช่วยเพิ่มมัน - เพื่อความเร็วและพลังงานที่มากขึ้น ถ้าเราต้องการการจัดแนวนั้นถูกต้องที่เราสามารถส่งภารกิจไปยังเนปจูนได้วันนี้ ดาวยูเรนัสอยู่ใกล้ยิ่งง่ายกว่าที่จะไป

เส้นทางการบินของนาซ่าสำหรับการสอบสวนของ Messenger ซึ่งสร้างวงโคจรที่ประสบความสำเร็จและมีเสถียรภาพรอบ ๆ ดาวพุธหลังจากมีแรงโน้มถ่วงจำนวนมากช่วย เรื่องราวนั้นคล้ายกันถ้าคุณต้องการไปที่ระบบสุริยะนอกยกเว้นคุณใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อเพิ่มความเร็ว heliocentric แทนที่จะลบออก (NASA / JHUAPL)

ทศวรรษที่ผ่านมามีการเสนอภารกิจ Argo: มันจะบินโดยดาวพฤหัส, ดาวเนปจูน, และแถบไคเปอร์ด้วยหน้าต่างเปิดตัวยาวนานตั้งแต่ปี 2558 ถึง 2562 แต่ภารกิจบินได้ง่ายเพราะคุณไม่มี เพื่อชะลอยานอวกาศลง การสอดเข้าไปในวงโคจรรอบโลกนั้นยากกว่า แต่ก็คุ้มค่ากว่าเช่นกัน

ยานอวกาศสามารถให้ความคุ้มครองคุณทั่วโลกได้หลายครั้งในระยะเวลานาน ๆ คุณสามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงในชั้นบรรยากาศของโลกและตรวจสอบอย่างต่อเนื่องในช่วงคลื่นที่มองไม่เห็นด้วยตาที่หลากหลาย คุณสามารถค้นหาดวงจันทร์ใหม่วงแหวนใหม่และปรากฏการณ์ใหม่ที่คุณไม่คาดคิด คุณสามารถส่งแลนเดอร์หรือโพรบไปยังดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์ดวงหนึ่ง ทั้งหมดนั้นเกิดขึ้นรอบ ๆ ดาวเสาร์ด้วยภารกิจ Cassini ที่เพิ่งเสร็จสิ้น

ภาพปี 2012 (L) และภาพปี 2016 (R) ของขั้วโลกเหนือของดาวเสาร์ซึ่งถ่ายด้วยกล้องมุมกว้างของ Cassini ความแตกต่างของสีเกิดจากการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของชั้นบรรยากาศของดาวเสาร์เนื่องจากเกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยตรงของแสง (สถาบันวิทยาศาสตร์ NASA / JPL-CALTECH / SPACE)

แคสสินีไม่ได้เรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและบรรยากาศของดาวเสาร์เท่านั้น มันไม่เพียงแค่สร้างภาพและเรียนรู้เกี่ยวกับวงแหวนแม้ว่ามันจะทำเช่นนั้นด้วย สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดคือเราสังเกตการเปลี่ยนแปลงและเหตุการณ์ชั่วคราวที่เราไม่เคยคาดการณ์มาก่อน ดาวเสาร์แสดงการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและสีรอบ ๆ ขั้ว พายุมหึมาที่พัฒนาบนดาวเสาร์ล้อมรอบดาวเคราะห์และยั่งยืนเป็นเวลาหลายเดือน วงแหวนของดาวเสาร์ถูกพบว่ามีโครงสร้างแนวตั้งที่รุนแรงและเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา พวกมันมีพลังและไม่คงที่และให้ห้องปฏิบัติการสอนเราเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ และด้วยข้อมูลของมันเราได้แก้ปัญหาเก่าและค้นพบความลึกลับใหม่เกี่ยวกับดวงจันทร์ของไอเพทตัสไททันและเอนเซลาดัสรวมทั้งอื่น ๆ

ในช่วงเวลา 8 เดือนพายุที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยจักรวาลก็โหมกระหน่ำล้อมรอบโลกก๊าซยักษ์ทั้งระบบและสามารถที่จะปรับให้เหมาะสมกับโลก 10 ถึง 12 เท่า (สถาบันวิทยาศาสตร์ NASA / JPL-CALTECH / SPACE)

มีข้อสงสัยเล็กน้อยว่าเราต้องการทำเช่นเดียวกันกับดาวยูเรนัสและเนปจูน หลายภารกิจที่โคจรรอบดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนได้รับการเสนอและทำให้มันค่อนข้างไกลในกระบวนการส่งมอบภารกิจ แต่จริงๆแล้วไม่มีใครถูกกำหนดให้สร้างหรือบิน NASA, ESA, JPL และสหราชอาณาจักรได้เสนอวงโคจรยูเรนัสทั้งหมดที่ยังคงทำงานอยู่ แต่ไม่มีใครรู้ว่าอนาคตจะเป็นอย่างไร

จนถึงตอนนี้เราได้ศึกษาโลกเหล่านี้จากระยะไกลเท่านั้น แต่มีความหวังอันยิ่งใหญ่สำหรับภารกิจในอนาคตเป็นเวลาหลายปีนับจากนี้เมื่อหน้าต่างยิงไปถึงทั้งสองโลกจะจัดเรียงในครั้งเดียว ในปี 2034 ภารกิจ ODINUS ที่เป็นแนวคิดจะส่งวงโคจรคู่ไปยังทั้งดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนพร้อมกัน ภารกิจนี้จะเป็นการร่วมทุนที่น่าตื่นเต้นระหว่าง NASA และ ESA

วงแหวนสุดท้าย (นอกสุด) วงแหวนสุดท้ายของดาวยูเรนัสซึ่งถูกค้นพบโดยฮับเบิล เราค้นพบโครงสร้างมากมายในวงแหวนด้านในของดาวยูเรนัสจาก Voyager 2 บินผ่านไป แต่ยานอวกาศสามารถแสดงให้เราเห็นมากยิ่งขึ้น (NASA, ESA, และ M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

หนึ่งในภารกิจสำคัญระดับเรือธงที่เสนอให้กับการสำรวจดาวเคราะห์น้อยทางวิทยาศาสตร์ของนาซ่าในปี 2554 คือยานสำรวจและยานอวกาศยูเรนัส ภารกิจนี้ได้รับการจัดลำดับความสำคัญเป็นอันดับสามรองจากรถแลนด์โรเวอร์ดาวอังคาร 2020 และยานอวกาศ Europa Clipper โพรบและยานอวกาศดาวยูเรนัสสามารถเปิดตัวในช่วงปี 2020 ด้วยหน้าต่าง 21 วันทุกปี: เมื่อโลกดาวพฤหัสบดีและดาวยูเรนัสมาถึงตำแหน่งที่เหมาะสม ยานอวกาศจะมีเครื่องมือสามอย่างแยกต่างหากที่มันออกแบบมาเพื่อถ่ายภาพและวัดคุณสมบัติต่าง ๆ ของดาวยูเรนัสวงแหวนและดวงจันทร์ ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนควรมีมหาสมุทรของเหลวขนาดมหึมาอยู่ภายใต้ชั้นบรรยากาศของมันและยานอวกาศควรจะสามารถค้นพบมันได้อย่างแน่นอน หัววัดบรรยากาศจะวัดโมเลกุลที่ก่อตัวเป็นเมฆการกระจายความร้อนและการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมด้วยความลึก

ภารกิจ ODINUS ที่เสนอโดย ESA ในฐานะผู้ร่วมทุนกับ NASA จะสำรวจทั้งเนปจูนและดาวยูเรนัสด้วยวงโคจรคู่ (ทีม ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

นำเสนอโดยโครงการ Cosmic Vision ของ ESA, Origins, Dynamics และการตกแต่งภายในของภารกิจของ Neptunian และ Uranian Systems (ODINUS) ไปได้ไกลกว่า: ขยายแนวคิดนี้ไปยังวงโคจรแฝดสองคู่ซึ่งจะส่งหนึ่งไปยังเนปจูนและหนึ่งไปยังดาวยูเรนัส หน้าต่างการเปิดตัวในปี 2034 โดยที่ Earth, Jupiter, Uranus และเนปจูนทุกตัวอยู่ในแนวเดียวกันสามารถส่งมันได้พร้อมกัน

ภารกิจ Flyby นั้นยอดเยี่ยมสำหรับการเผชิญหน้าครั้งแรกเนื่องจากคุณสามารถเรียนรู้มากเกี่ยวกับโลกโดยดูมันอย่างใกล้ชิด พวกมันยอดเยี่ยมเช่นกันเพราะพวกมันสามารถไปถึงเป้าหมายได้หลายคนในขณะที่วงโคจรกำลังติดอยู่กับทุกสิ่งที่โลกเลือกที่จะโคจร ในที่สุดผู้โคจรต้องนำเชื้อเพลิงมาบนเรือเพื่อทำการเผาไหม้ช้าลงและเข้าสู่วงโคจรที่มั่นคงทำให้ภารกิจมีราคาแพงกว่ามาก แต่วิทยาศาสตร์ที่คุณได้รับจากการคงอยู่ในระยะยาวของดาวเคราะห์ฉันจะเถียงมากกว่าทำเพื่อสิ่งนั้น

เมื่อคุณโคจรรอบโลกคุณสามารถมองเห็นได้จากทุกทิศทุกทางรวมถึงวงแหวนดวงจันทร์และวิธีการที่พวกมันประพฤติตัวตามกาลเวลา ตัวอย่างเช่นต้องขอบคุณ Cassini เราค้นพบการมีอยู่ของวงแหวนใหม่ที่เกิดจากดาวเคราะห์น้อย Phoebe ที่ถูกยึดครองและบทบาทของมันในการทำให้มืดลงเพียงครึ่งหนึ่งของ Iapetus ดวงจันทร์ลึกลับ (SMITHSONIAN AIR & SPACE ได้รับภาพจากนาซา / ภาพของ CASSINI)

ข้อ จำกัด ในปัจจุบันในภารกิจเช่นนี้ไม่ได้มาจากความสำเร็จทางเทคนิค เทคโนโลยีมีอยู่แล้วที่จะทำวันนี้ ปัญหาคือ:

  • การเมือง: เนื่องจากงบประมาณของนาซ่านั้นมีขอบเขต จำกัด และทรัพยากรจะต้องรับใช้ชุมชนทั้งหมด
  • ทางกายภาพ: เพราะถึงแม้จะมีรถยกขนาดใหญ่รุ่นใหม่ของนาซ่ารุ่น SLS ที่ไม่ได้ดึงเราก็สามารถส่งมวลจำนวน จำกัด ไปยังระบบสุริยะนอกและ
  • ใช้งานได้จริง: เนื่องจากระยะทางที่น่าเหลือเชื่อจากดวงอาทิตย์แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะไม่ทำ เราต้องการแหล่งกัมมันตภาพรังสีเพื่อให้ยานอวกาศอยู่ห่างไกลและเราอาจมีงานทำไม่เพียงพอ

อันสุดท้ายแม้ว่าทุกอย่างจะอยู่ในแนวเดียวกัน

พลูโทเนียม -238 ออกไซด์เม็ดเรืองแสงจากความร้อนของมัน ผลิตโดยเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ Pu-238 เป็น radionuclide ที่ใช้ในการขับเคลื่อนยานอวกาศห้วงลึกตั้งแต่ Mars Curiosity Rover ไปจนถึงยานอวกาศ Voyager ที่อยู่ห่างไกล (สหรัฐอเมริกากรมพลังงาน)

พลูโทเนียม -238 เป็นไอโซโทปที่สร้างขึ้นในกระบวนการผลิตวัสดุนิวเคลียร์และร้านค้าส่วนใหญ่ของเรามาจากเวลาที่เราสร้างและสะสมอาวุธนิวเคลียร์ การใช้งานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี (RTG) นั้นน่าตื่นเต้นสำหรับการปฏิบัติภารกิจไปยังดวงจันทร์, ดาวอังคาร, ดาวพฤหัสบดี, ดาวเสาร์, ดาวพลูโตและยานสำรวจอวกาศขนาดใหญ่รวมถึงยานอวกาศ Pioneer และ Voyager

แต่เราหยุดผลิตในปี 1988 และทางเลือกของเราที่จะซื้อจากรัสเซียก็ลดน้อยลงเมื่อพวกเขาหยุดผลิตเช่นกัน ความพยายามล่าสุดในการสร้าง Pu-238 ใหม่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ได้เริ่มขึ้นโดยมีการผลิตประมาณ 2 ออนซ์ภายในสิ้นปี 2558 การพัฒนาอย่างต่อเนื่องที่นั่นรวมถึงการผลิตพลังงานในออนตาริโอสามารถสร้างพลังให้เพียงพอต่อภารกิจในปี 2030 .

การรวมกันของการเปิดรับ 591 สองครั้งที่ได้รับผ่านตัวกรองที่ชัดเจนของกล้องมุมกว้างจาก Voyager 2 แสดงระบบวงแหวนทั้งหมดของเนปจูนที่มีความไวสูงสุด ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนมีความคล้ายคลึงกันมากมาย แต่ภารกิจเฉพาะสามารถตรวจจับความแตกต่างที่ไม่เคยมีมาก่อนเช่นกัน (NASA / JPL)

ยิ่งคุณเคลื่อนไหวเร็วเท่าไหร่เมื่อคุณพบดาวเคราะห์ยิ่งมีเชื้อเพลิงมากเท่าไหร่คุณก็ยิ่งต้องเพิ่มยานอวกาศของคุณเพื่อชะลอความเร็วและแทรกตัวเองเข้าสู่วงโคจร สำหรับภารกิจสู่พลูโตนั้นไม่มีโอกาส นิวฮอไรซันส์นั้นเล็กเกินไปและความเร็วของมันนั้นใหญ่เกินไปและมวลของดาวพลูโตค่อนข้างต่ำที่จะลองและทำการแทรกวงโคจร แต่สำหรับดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเราเลือกแรงโน้มถ่วงที่เหมาะสมจากดาวพฤหัสและดาวเสาร์อาจเป็นไปได้สิ่งนี้อาจเป็นไปได้ ถ้าเราต้องการเพียงแค่ยูเรนัสเราสามารถเปิดตัวปีใดก็ได้ในช่วงปี 2020 แต่ถ้าเราต้องการให้พวกเขาทั้งสองอย่างที่เราทำปี 2577 เป็นปีที่จะไป! ดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสอาจมีลักษณะคล้ายกับเราในแง่ของมวลอุณหภูมิและระยะทาง แต่พวกมันอาจแตกต่างอย่างแท้จริงเมื่อโลกมาจากดาวศุกร์ มีเพียงวิธีเดียวในการค้นหา ด้วยโชคเล็กน้อยและการลงทุนและการทำงานหนักเราอาจได้รู้ว่าในช่วงชีวิตของเรา

ส่งคำถาม Ask Ethan ของคุณไปที่ startswithabang ที่ gmail dot com!

(หมายเหตุ: ขอขอบคุณผู้สนับสนุน Patreon Erik Jensen ที่ถาม!)

Starts With A Bang ได้เข้าร่วมฟอร์บส์และได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในสื่อขอบคุณผู้สนับสนุน Patreon ของเรา อีธานได้ประพันธ์หนังสือสองเล่ม Beyond the Galaxy และ Treknology: วิทยาศาสตร์ของ Star Trek จาก Tricorders ถึง Warp Drive