Američki kongres je pre dve godine naložio Nasi da započne pripreme za misiju na Uran i Neptun koja bi bila pokrenuta do 2030. Dva gasna džina i njihovi sistemi meseca su velika nepoznanica solarnog sistema i ljudi su ih posetili samo jednom – 1986. i 1989. (u oba slučaja ’Voyagerima’). Nakon dve godine studiranja, NASA je nedavno objavila finalni raport o karakteristikama koju bi morale da poseduju misije klase ’Flagship’ za istraživanje Urana i Neptuna.
Četiri glavna predloga za proučavanje Urana i Neptuna. Prvo je Neptunov orbiter sa atmosferskom sondom i SEP stepenom, sledi sonda za proletanje kraj Urana sa atmosferskom sondom, zatim Uranov orbiter sa atmosferskom sondom, i konačno, Uranov orbiter bez sonde.
Rezultati se ne razlikuju bitnije od očekivanih, ali su konačno poznati pojedini detalji. Obzirom da je raport prilično orijentacion, NASA se još nije opredelila nizakakvu specifičku arhitekturu. To će biti politička odluka, pa se za sada kosmička agencija ograničila samo na prezentovanje četiri najbolje opcije bazirane na ceni i naučnim zahtevima. Naravno, raport je realističan i objedinjuje u sebi postojeća budžetska ograničenja i raspoloživu tehnologiju.
Uopšteni modeli džinovskih planeta našeg sistema. Data je i mala Zemlja radi poređenja.
Najveća dilema ove misije će nesumljivo biti koju od ove dve planete proučiti. Oba sveta su tajanstvena i fascinantna, kao i njihovi sateliti (27 + 14 komada!). Neptunova unutrašnjost je aktivnija od Uranove a niko ne zna zašto, dok bi bilo jako zanimljivo otkriti zašto Uran i njegovi pratioci imaju danas tako snažno nagnute ose rotacije (seti se da Uran rotira praktično „ležeći“). S druge strane, najveći Neptunov satelit, Triton, predstavlja uzbudljiv svet sâm za sebe. Triton je nabliži Plutonov rođak, zarobljeni Kajperov objekat koji bi mogao da baci svetlo na turbulentnu prošlost solarnog sistema. Opet, o mnogim Uranovim mesecima ne znamo ama baš ništa. Sistem prstenova dva sveta, uska, tamna i gusta, slična su međusobom ali drastično različita od Saturna. Zašto? Nismo sigurni. Ukratko, i Uran i Neptun su ravnopravni sa tačke zanimljivosti za nauku.
Karakteristike Uranovih i Neptunovih satelita prema njihovoj građi i unutrašnjoj energiji.
No tu je i jedan objektivni činilac, a tiče se orbitne mehanike. Uran je bliži Suncu i logično je da je uvek lakše i brže stići do njega nego do Neptuna. To objašnjava zašto su od četiri predloga za misiju tri pretpostavila posetu Uranu. Pogledajmo malo konkretnije sve četiri predložene opcije:
- Sonda za preletanje pored Urana sa 50 kg naučnih instrumenata i jednom atmosferskom sondom. Prednost: ovo je najjeftinija opcija, koja bi koštala oko \(1500 miliona. Mane: količina prikupljenih naučnih podataka bi bila minimalna[1].
Sonda za proletanje pored Urana. Vidi se da bi bila na nuklearni pogon – MMRTG.
- Uranov orbiter sa 50 kg naučnih podataka i sa atmosferskom sondom. Prednost: druga najjeftinija opcija (između \)1700 i \(2000 miliona) i više naučnih podataka.
Uranov orbiter. Pretpostavljam da je ovaj kran zapravo nosač magnetometra.
- Uranov orbiter sa 150 kg instrumenata sa atmosferskom sondom. Prednost: velika količina naučnih podataka zahvaljujući velikog količini uređaja.
Uranov orbiter sa atmo-sondom.
Detalji orbitera oko Urana sa sondom. NAC i WAC su kamere[2]. Na Uran pada 0,03% Sunčeve svetlosti u odnosu na onu koja pada na Zemlju, tako da je snimanje veliki podvig.
- Neptunov orbiter sa 50 kg instrumenata i atmosferskom sondom. Prednost: jedina održiva – ekonomski gledano – opcija za proučavanje Neptuna. Mane: to je najskuplja i, iznad svega, najsloženija sonda, jer je predviđeno da ima i dodatni stepen na jonski pogon (SEP, Solar Electric Propulsion).
Neptunov orbiter sa SEP stepenom. Ne mogu da verujem da planiraju solarne kolektore. No do nedavno NASA je pričala da je Saturn najdalja lokacija gde za njih solarne baterije imaju smisla. Od Saturna do Neptuna ima preko 20 AJ!
Neptunov orbiter.
Radioizotopski generator eMMRTG.
Као što vidimo, sva četiri predloga su dizajnirana da drže cenu između 1500 i 2500 miliona dolara, otprilike duplo manje od „Cassinija“[3], realističnu cenu da bi se izbeglo otkazivanje – prekoračenje budžeta je neizbežno – i da bi se ostavila otvorena vrata za moguću, ako bude prilike, duplu misiju. To bi značilo da bi hipotetički bilo moguće (ako bude para) da se pošalju dve sonde, jedna na Uran a druga na Neptun (postoji mogućnost kolaboracije sa ESA ili nekom drugom agencijom). Predlozi bi trebali da koriste po 4 eMMRTG radioizotopska generatora – i RHU grejače – sa izuzetkom Uranovog orbitera bez atmo-sonde, koji bi poneo 5 generatora za pokretanje dodatnih instrumenata. Veruje sa da će do 2030. NASA imati dovoljno plutonijuma-238 da opremi misiju, jer je nedavno ponovo uspostavila njegovu proizvodnju.
Uz to, radi smanjivanja cene, tri najjeftinije misije bi trebale biti lansirane raketom srednje nosivosti kao što je „Atlas V 551“ ili nekim ekvivalentom, kao što je budući „Vulcan“ („Atlas V“ je jedina raketa za sonde sa RTG). Jedini izuzetak bi bio Neptunov orbiter, koji bi zahtevao „Delta IV Heavy“. U slučaju dvostrukog lansiranja bila bi korišćena Nasina raketa SLS, ali se ta opcija ne razmatra ozbiljno zbog ekstremne cene. Vreme leta predloženih misija bilo bi između 10 i 13 godina, takođe zbog smanjenja cene, tako da bi Neptunova sonda koristila SEP pogonski stepen da bi ubrzala putovanje. Taj stepen bi koristio solarne panele i bio bi odbačen negde između Jupitera i Saturna (oko 900 miliona km od Sunca). On bi koristio četiri jonska motora tipa NEXT sa oko tonom ksenona.
Primer trajektorije Uranovog orbitera tipa VEEJGA (gravitacione asistencije Zemlje, Venere i Jupitera).
Trajektorije koje bi koristili predlozi uglavnom bi uključivale gravitacione asistencije Zemlje, Venere i Jupitera, mada se razmatra lansirni prozor koji bi omogućio let pored Saturna ili Marsa. Većina opcija podrazumeva lansiranje 2031. i putovanje do Urana 2043. ili Neptuna 2044. Kada orbiteri jednom uđu u orbite oko Urana ili Neptuna, primarna misija će trajati između dve do tri godine. Konstrukcija sondi je prilično konzervativna i izbegla je alternativne tehnologije kao što su aerohvatanje ili egzotični pogonski sistemi a sve sa ciljem da se smanji budžet i vreme razvoja.
Standardni paket od 50 kg naučne opreme uključivaće samo 3 instrumenta: kameru visoke rezolucije, Doplerovu kameru i magnetometar, dok bi opcija od 150 kg, koju bi poneo Uranov orbiter bez sonde, imala 15 instrumenata (radi poređenja, “Cassini” nosi 270 kg instrumenata). Naravno, između ova dva ekstrema postoji čitav niz mogućnosti (npr. u raportu se kaže da bi 90 kg aparature bio dobar kompromis). Sve opcije sem jedne nosile bi atmosfersku sondu. I to ne slučajno, jer je to prioritet za naučnu zajednicu. Nije iznenađujuće da jako malo znamo o atmosferskim profilima gasnih džinova, te bi nam jedino merenja in situ pomogla da otkrijemo pravu proporciju određenih izotopa, što je ključ za razumevanje nastanka i kasnije evolucije tih planeta. Iako operišemo nekim idejama, ništa stvarno ne znamo o unutrašnjoj građi tih planeta. Za sada, jedini elemenat o čijoj zastupljenosti imamo pouzdane podatke, to je ugljenik u planetama.
Presek kroz atmosfersku sondu.
Dimenzije sonde.
Loša stvar je što dodavanje atmosferske sonde dovodi do značajnog povećavanja složenosti misije, posebno zbog termičkog štita. Među stručnjacija se u potaji šuška da je tehnologija korišćena za proizvodnju fenolnog štita atmosferske sonde misije „Galileo“ izgubljena, te da bi štit trebalo ispočetka konstruisati u okviru projekta HEEET (Heat-shield for Extreme Entry Environments Technology). Naravno, sonde bi nosile 4 osnovna uređaja: maseni spektrometar, senzore temperature, gustine i pritiska, nefelometar i senzor za merenje ortovodonika i paravodonika. Masa sondi bi bila oko 320 kg i imala bi prečnik od 1,2 metra.
Delovi atmo-sonde.
Moguća trajektorija ulaska sonde pre ulaska u Uranovu orbitu. Brzina bi bila 32,1 km/s.
Primer faza spuštanja atmosferske sonde.
Sa ovakvim predlozima na stolu, jasno je da bi najbolja opcija bila jedan od predloženih orbitera oko Urana, bilo sa ili bez atmosferske sonde. Orbiter oko Neptuna bi trebalo previše promeniti. Uz to, Uranova fly-by sonda, najjeftinija od četiri predložene, imala bi najbleđu naučni značaj u odnosu na cenu (ona je svega \)200-500 miliona jeftinija od sledeće opcije, mnogo interesantnije u svakom pogledu), pa i nju možemo odbaciti. Očigledno je da bi idealna bila dvostruka misija, ali bez pomoći neke druge agencije – ESA? – scenario je više nego nemoguć u svetlu Nasinog trenutnog budžeta.
Većina od preko tri hiljade egzoplaneta otkrivenih do sada su svetovi slični Uranu ili Neptunu. Studiranje tih planeta ne bi nam samo dalo mogućnost boljeg razumevanja Sunčevog sistema, već i hiljada planetnih sistema u Mlečnom putu. Nema nikakve sumnje da se Uran i Neptun moraju detaljno proučiti. Jako je loše što ćemo morati da čekamo na to skoro tri decenije. Što kažu babe: Ko živ, kom mrtav dotad…
Referenca:
http://www.lpi.usra.edu/icegiants/
[1] Recimo, Nasin sonda „New Horizons“ (470 kg) nosi 7 instrumenata teških ukupno ispod 50 kg. Da stvar bude gora, nuklearni generator je u blizini Plutona stvarao ukupna 180 W struje, od čega su naučni uređaji mogli da u svakom trenutku koriste samo 12 W.
[2] Sećamo se da je Uran do sada posetio samo „Voyager 2“. Snimanje je 1985. započeto sa daljine od 10,3 mil. km a aktivnost je dostigla vrhunac na najmanjoj udaljenosti od 81.500 km od površine oblaka. Posle 19 sati snimanja sonda je odletela dalje.
[3] Na „Cassinijevom“ zvaničnom sajtu kaže ovako: predlansirni razvoj - \(1422 mil.; rukovođenje misijom - \)710 mil.; praćenje misije - \(54 mil.; raketa - \)422 mil.; ESA - \(500 mil.; ASI - \)150 mil. Ukupno: $3300 mil.
