Ko redovno prati naš sajt, već je provalio – ušao sam u poseban režim: vreme je da malo reklamiram daleki komšiluk. Uz to, u avgustu je bilo 30 godina od kada smo prvi, jedini i poslednji put u ovom životu posetili Uran. Uradio je to 'Voyager 2'. Poseta je bila istorijska koliko i kratka. Tužna stvar je što danas ne postoji plan slanja novih sondi ka ovim planetama. Uran i Neptun kriju mnoštvo misterija koje bi nam omogućile da razjasnimo ne samo formiranje Sunčevog sistema, već i mnogih drugih zvezdanih sistema. Trenutno znamo da znatan deo egzoplaneta otkrivenih oko drugih zvezda pripada upravo egzoneptunima. Stoga ne čudi da je jedna od prioritetnih misija za naučnu zajednicu upravo kosmička sonda za proučavanje dve najudaljenije planete solarnog sistema.

1

Pre svega treba da pojasnim zašto je proučavanje Urana i Neptuna toliko važno. Pre svega zato što mnogi zamišljaju da obe ove planete nisu ništa drugo do minijaturni gasoviti džinovi. Recimo, kao neka vrsta malih Jupitera, što je pogrešno. Jupiter i Saturn se uglavnom sastoje od vodonika, koji čini 90% njihove mase, iako je naziv 'gasoviti džinovi' prilično pogrešan: većina vodonika unutar njih je u tečnom ili metalnom stanju (mada bi i 'tečni džin' zvučalo pomalo zbunjujuće).

Naprotiv, Uran i Neptun su sačinjeni od manje od 20% vodonika, dok njihovim unutrašnjim delovima mora da dominiraju jedinjenja elemenata poput kiseonika, ugljenika ili azota. Kao i u slučaju njihove starije braće, ni njihov naziv 'ledeni džinovi' nije baš ispravan. Uran i Neptun imaju velike količine vode, metana i amonijaka, ali pri ogromnim pritiscima i temperaturama u unutrašnjosti njihovo se ponašanje vrlo razlikuje od onoga na šta smo mi navikli. Zapravo, preferirana faza vodenog leda unutar ovih planeta odgovara super-egzotičnoj tečnosti koja je s naše točke gledišta prilično egzotična.

2
Građa spoljnjih planeta.

U svakom slučaju, više je onoga što ne znamo o Uranu i Neptunu nego onog što nam je poznato. Od svog mučnog nastanka – obe planete su rođene bliže Suncu nego tamo gde su trenutno, a onda su od strane Saturna odgurane dalje prema ivicama sistema – do njihove unutrašnje strukture, preko njihovih čudnih prstenova i satelita… sve je u misterijama. Koliko znamo, ledeni divovi bi mogli da u sebi sadrže džinovske dijamante ili atmosferu s pljuskovima metana sa kapima veličine futbalskih lopti. Samo bi kosmičke sonde mogle da pomognu u uklanjanju ovih nepoznanica, no da li da ih šaljemo na Uran ili na Neptun?

Dobro pitanje. Dve planete su vrlo slične, ali svaka ima niz jedinstvenih karakteristika. Uran je bliži, što je uvek plus kada govorimo o misijama koje mogu da potraju više od decenije da bi dostigle svoj cilj. Ali Neptun ima prednost posedovanja meseca, Tritona, koji je nekad bio planeta patuljak slična Plutonu. Odnosno, proučavanje Neptuna nam nudi mogućnost proučavanja dva fascinantna sveta za cenu jednog (i to, naravno, bez računanja na ostale satelite sistema). S druge strane, unutrašnjost Urana, kojoj nedostaje izvor toplote poput Neptuna, prava je zagonetka, kao i anomalijska orijentacija njegove ose.

3
Uran i njegovi pratioci.

Druga dilema se sastoji u tome koju vrstu sonde koristiti. Najbolji bi bio orbiter, tj. brod koji bi kružio oko Urana ili Neptuna radi detaljnog proučavanja njihove atmosfere, prstenova i satelita. Problem što je ovakva vrsta misije najskuplja i najsloženija. Zašto? Jer nam treba gorivo kako bismo darstično smanjili brzinu i ušli u orbitu jedne od ovih planeta. Očito je da se dodatno gorivo pretvara u težinu, a dodatna težina znači povećanje cene misije. S druge strane, misija sa običnim proletanjem pored, poput 'Voyagera' ili 'New Horizonsa', bila bi znatno jeftinija, ali njen naučni značaj bi bio vrlo ograničen.

4
Magnetna polja ledenih džinova.

Napokon, većina naučnika insistira na tome da inkriminisana sonda nosi jednu ili više kapsula za proučavanje atmosfera Urana ili Neptuna. O ledenim džinovima se zna toliko malo, da se direktno merenje sastava njihovih atmosfera smatra apsolutnim prioritetom, bez obzira na rizik od dobijanja donekle iskrivljenih informacija zbog specifičnosti mesta ulaska sonde u atmosferu (što se upravo dogodilo s kapsulom sonde 'Galileo' na Jupiteru). Problem je što su svi ti zahtevi izuzetno složeni. Ili da koristimo džinovsku i skupu sondu, ili malu sa malo naučnih kapaciteta. Kako bismo razumeli koliko je komplikovano putovanje ka ledenim divovima, imajmo na umu da bi nam, ako bi koristili trajektoriju minimalne energije – poznatu kao Hohmannova transferna orbita, koju koristimo u misijama na Mars ili Veneru – trebalo oko 31 godinu da bi stigli do Neptuna (!) A putovanje većom brzinom, čak i pod cenu žrtvovanja korisne težine, takođe nije panacea[1], jer ćemo u tom slučaju morati da potrošimo više goriva da bismo ukočili pred ulazak u orbitu Urana odn. Neptuna.

5
Koncept sondi za Neptun iz 2003. koji bi koristio manevar aero-hvatanja i solarni električni jonski pogon (SEP). Na sl. 4 se vidi da je sonda zaštićena unutar štita da bi mogla da izdrži fazu atmosferskog kočenja.

Jedno od rešenja je, naravno, korišćenje nekonvencionalnih pogonskih sistema ili proletanja (fly-bya) pored drugih planeta radi izvođenje gravitacijskih manevara. Već 2003. godine, nekoliko Nasinih studija je predlagalo za misiju na Neptun korištenje kombinacije aero-hvatanja i solarnog električnog pogona (SEP) sa jonskim ili plazmenim motorima. Danas se električni pogon smatra najefikasnijim i već su ga koristile sonde poput 'Deep Space 1''Dawn' ili dve 'Hayabuse'. Sa svoje strane, aero-hvatanje – odn. postavljanje u orbitu oko sveta s atmosferom pomoću koje se usporava brzina – predstavlja tehniku koja do sada nikad nije testirana, ali je idealna za misije na ledene divove, omogućavajući veliku brzinu dolaska, a samim tim i kraće vreme leta.

pla6
Trajektorija Neptunovog orbitera baziranog na letilicama tipa 'Mariner Mark II'. Predlog iz 1991.

Nakon što je 'Voyager 2' posetio Uran i Neptun, na stolu su se pojavili brojni koncepti misija, iako do danas nije odobrena nijedna. Godine 1991. nakratko je bljesnula ideja pokretanja sonde 'Mariner Mark II'(poput 'Cassinija' i 'CRAF-a') na Neptun, ali se entuzijazam brzo raspršio. I lako je razumeti zašto. Ova sonda je trebalo da poleti 2002. godine raketom 'Titan IV'/'Centaur' i da nakon 19 godina putovanja (!!) stigne do Neptuna 2021. godine, nakon gravitacionog proletanja pored Venere, Zemlje i Jupitera (trajektorija VEEJGA).Brod bi nosio atmosfersku kapsulu sličnu onoj koju je nosio 'Galileo'. U svakom slučaju, bilo je jasno da niko nije želio da čeka 19 godina da brod stigne na svoje odredište.

7
Konačni izgled ('Prometheus Baseline 1', PB-1) sonde JIMO, 'flagship' sonde projekta 'Prometheus'. Na vrhu se nalazi nuklearni reaktor, a iza njega je skoro 500 m2 vodom hlađenih radijatora. Nažalost, sve je otkazano 2005.

NASA je započela ozbiljno da proučava mogućnost povratka ledenim džinovima početkom prošle decenije. A povratak je trebao da bude bombastičan, s ogromnom sondom na nuklearni pogon iz projekta 'Prometheus'[2]. Sonde 'Prometheusa' su trebale da budu opremljene nuklearnim reaktorima snage pola megavata[3] koji bi napajali brodske sisteme i različite električne motore (jonske ili plazmene). Zahvaljujući korištenju električnog pogona, trajanje putovanja do spoljnjih delova Sunčevog sistema značajno bi se smanjilo uprkos velikim dimenzijama broda[4]. Za razliku od drugih predloga, nuklearni reaktor bi služio za podršku rada jonskih motora tokom čitave misije, a ne samo u početnoj fazi.

8
'Prometheusove'
 sonde izbačene na Neptun i Triton sa nuklearnim reaktorima.

Projekt 'Prometheus' je rođen s prioritetnim ciljem slanja sonde na Jupiter i njegove mesece, čuvenu misiju 'JIMO' (Jupiter Icy Moons Orbiter), ali je vremenom planirano da čitava flota 'Prometheusovih' brodova istraži spoljnje planete. Verzija 'Prometheusa' ka Neptunu, ponekad naziva i 'Prometheus-N', razmatrana je između 2003. i 2005. Trebala je da uključuje 1500 kg korisnog tereta, istinsko blago u poređenju s drugim 'normalnim' sondama[5], kao i dve atmosferske kapsule koje bi bile odbačene pre ulaska u orbitu, nakon čega bi se spuštale kroz atmosferu Neptuna oko 5 sati pre nego što bi podlegle ogromnim pritiscima i temperaturama. Svaka od ovih kapsula bi imala masu od oko 300 kg, od čega bi 19,4 kg bili naučni instrumenti. Iskustvo 'Galileove' kapsule pomoglo je u dizajniranju termoštita za ove dve sonde, koji bi trebalo da izdrži ulaznu brzinu od 30,2 km/s (109.000 km/h).

9
Koncept kapsule za proučavanje atmosfere Tritona.

'Prometheus-N' je trebalo da poleteti 2016. godine. Nakon proletanja 2020. pored Jupitera kako bi dobio gravitaciono ubrzanje, brod bi ušao u Neptunov sistem 2029. godine, gde bi odbacio dve atmosferske kapsule pre ulaska u orbitu oko ledenog giganta. Glavna sonda je trebala da proučava Neptunov sistem i da uđe u orbitu oko Tritona 2033. godine kako bi započela detaljno proučavanje ovog fascinantnog sveta. JPL se poigrao s idejom da uključi malu sondu od 500 kg koja bi mogla da sleti na površinu Tritona i izbuši ga bušilicom, što je izazov obzirom da je temperatura ovog meseca oko -238°C.

Kongres je otkazao projekt 'Prometheus' 2005. godine, ali upravo iste godine nekoliko Nasinih centara (Ames, JPL, Johnson, Langley i Marshall) zajedno su predstavili još jedan koncept sonde za Neptun. Njoj je bilo suđeno da bude jedna od najambicioznijih kosmičkih letilica ikad zamišljenih. Kao i brodovi 'Prometheusa', i ova sonda je trebalo da koristi električni pogon, ali pokretan solarnim pločama na početku misije umesto nuklearnim reaktorima. Najspektakularniji deo misije sastojao se od tehnike aero-hvatanja za ulazak u orbitu oko Neptuna bez trošenja grama pogonskog goriva. Termoštit koji bi štitio letilicu bio bi ustvari korpus u obliku elipsoida, zasnovan na Nasinim istraživanjima za dostavljanje velikih tereta na površinu Marsa. Aero-hvatanje je omogućilo povećanje korisne težine sonde za 40% u poređenju s drugim projektima koji bi koristili uobičajeno hemijsko pogonsko gorivo, uz smanjenje vremena leta za tri ili četiri godine.

10
Neptunova sonda iz 2005. sa štitom za aero-hvatanje. Pozadi levo se vide atmosferske sonde.

Sondu, s lansirnom težinom od 4780 kg, trebalo je da 2015. ili 2017. lansira raketa 'Delta IV Heavy' i da stigne do Neptuna posle 12 godina putovanja i nakon proletanja pored Jupitera, mada su proučavane i druge putanje koje bi uključivale prelet iznad Venere. Sonda bi imala pet ili šest električnih motora NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) koje pokreće ksenon i dva ogromna solarna panela. Brzina ulaska u atmosferu Neptuna bi iznosila oko 28-30 km/s, a premda bi manevar aero-hvatanja trajao ne više od deset minuta, sonda bi morala da izdrži do 22 g usporavanja. Kao i 'Prometheus-N', uključivala bi dve atmosferske kapsule koje bi izdržavale pritisak do 100 bara (odn. atmosfera). Primarna misija bi trajala tri godine i uključivala bi najmanje 40 preleta iznad Tritona na visini manjoj od 1000 kilometara.

11
Neptunova sonda sa štitom za aero-hvatanje iz 2005. Na kraju se vide jonski motori (narandžasto) i dve atmosferske kapsule (crveno).

12
Krstareća konfiguracija Neptunove sonda za aero-hvatanje sa solarnim panelima SEP stepena.

Kada stigne u Neptunov sistem, orbiter, težine 1900 kg, aktivirao bi usmerenu telekomunikacionu antenu prečnika 4,2 metra. Za orbitne manevre, brod bi imao na raspolaganju 22 mala trastera sa konvencionalnim hipergoličnim gorivom. Dva radioizotopska agregata tipa MMRTG snabdevala bi sisteme potrebnom snagom tokom misije.

13
Lansirna konfiguracija aero-hvatajuće sonde.

14
Delovi sonde.

15
Neptunova sonda sa antenom koja bi se otvorila u orbiti oko planete.

Cilj ove zanimljive misije, kao i 'Prometheusa-N', bio je Neptun a ne Uran, velikim delom zbog činjenice da se u to vreme atmosferska aktivnost Urana činila znatno manjom od one na Neptunu (naravno, Uran je tretiran kao 'dosadna' planeta). Ali upravo u to vreme, veliki zemaljski teleskopi su počeli da registruju dokaze da Uran, što se tiče aktivnosti, nimalo ne zaostaje za svojim bratom-blizancem, otkriće koje će imati značajan uticaj na predloge misije koji će se pojavili u narednim godinama.

16
Jedna od trajektorija za putovanje na Neptun. Lansiranje je trebalo da se obavi 2017, gravitaciona asistencija Venere 2018, a proletanje pored Neptuna je trebalo da bude 2027.

17
Sekvenca aero-hvatanja Neptuna.

Kao kontrapunkt ovoj ambicioznoj misiji, JPL je 2002. predložio misiju 'New Horizons 2' ('NH2)'. Kao što naziv kaže, bila bi to mala sonda (478 kg) identična 'New Horizonsu', ali umesto da ide prema Plutonu, letela bi ka Uranu, uključujući posetu tri ili četiri objekta Edžvort-Kajperovog pojasa, uključujući trojni objekat (47171) Lempo 2020-2023. godine i (55637) 2002 UX25 2022-2023. godine. Lempo je bio posebno zanimljiv zbog ogromne veličine (400-500 km) i velikog satelita[6]. Na taj način bi 'NH2' proučavao i Uran i objekte Kajperovog pojasa, još jedan od ciljeva zajednice planetnih naučnika. Sonda 'NH2' je trebala da bude lansirana pre 2009, kako bi se omogućila Jupiterova gravitaciona asistencija i proletanje kraj Urana između 2014. i 2017, ali nažalost misija nije odobrena. Ova niskobudžetna misija (vredila bi oko $475 miliona) nije uspela da privuče pažnju naučne zajednice ponajpre zbog nedostatka prednosti koju donosi orbiter.

18
Sonda 'New Horizons'.

Sledeća misija koja je predložena, poticala je od uticajnog 'Planetary Science Decadal Surveya' iz 2010. godine, zajedničkog rada Nase i američke naučne zajednice. Svesni budžetskih ograničenja koja su ometala prethodne projekte, nova sonda je procenjivana na $1500-1900 miliona (tip 'New Frontiers' misije, ili medium cost prema Nasinoj klasifikaciji). Studija je predložila konvencionalni orbiter opremljen sa tri Stirlingova radioizotopska generatora (ASRG). Cilj misije bi bio Uran, a ne Neptun, jer fly-by pored Jupitera nije bio dostupan u planiranim datumima lansiranja (bez ovog preleta, vreme leta za misiju do Neptuna je bilo predugo). U svakom slučaju, studija je smatrala da je Neptun jednako zanimljiva opcija.

19
Uranov orbiter 'Decadal Surveya'.

Ova sonda je trebalo da nosi atmosfersku kapsulu tešku 127 kg prema dizajnu malih sondi 'Pioneer Venus' iz 70-ih godina. Kapsula bi se odvojila 29 dana pre dolaska do Urana i dosegla dubinu od 5 bara pritiska nakon ulaska u atmosferu planete brzinom od 22,35 km/s. Njena misija bi trajala najviše dva sata.Uranov orbiter je trebalo da poleti 2020. raketom 'Atlas V 531', proleteti ponovo pored Zemlje 2024. da bi došao do Urana 2033. Sonda bi koristila električni pogon (SEP) sa tri NEXT-jonska ksenonska motora kako bi se smanjilo vreme leta na 'samo' 13 godina. Tokom primarne misije izvršilo bi se najmanje 10 preleta iznad 5 glavnih satelita Urana (Mirande, Ariela, Umbriela, Oberona i Titanije).

20
Uranov orbiter spojen sa SEP stepenom.

21
Uranova atmosferska sonda.

22
Dimenzije sonde sa SEP-om.

23
Putanja sonde.

Uranov orbiter 'Decadal Surveya' je verovatno najuticajniji koncept jedne misije poslednjih godina, ali ne i poslednji, daleko od toga. Pre nekoliko godina je predložen projekat 'ODINUS' (Origins, Dynamics and Interiors of Neptunian and Uranian Systems) za 'L2' ili 'L3' veliku budžetsku misiju Evropske kosmičke agencije (ESA). 'ODINUS' nije uspeo da bude izabran – umesto njega su bile odabrane opservatorije 'ATHENA+' i 'eLISA'[7] – ali je bio na časnom trećem mestu. 'ODINUS' je trebalo da se sastoji od dve sonde, jedne za Uran (nazvane 'Freyr') i druge za Neptun ('Freyja'), u okviru misije 'Odin' (otuda i naziv sonde). Vreme leta je trebalo da iznosi između 13 i 15 godina za svaki brod. Sonde su trebale da na lansiranju imaju težinu između 500 i 600 kg (bez goriva) i koristile bi kombinaciju električnog i hemijskog pogona, iako njihov dizajn nije bio definisan.

Druga slična misija bio je 'Uranus Pathfinder', predlog sonde srednje cene koštanja[8] iz 2010. godine za ESA 'M3' misiju. 'Uranus Pathfinder' je trebao da poleti 2021. raketom 'Sojuz' iz Kouroua, što bi mu omogućilo da stigne do Urana 2037. Da bi uštedeo troškove, ne bi koristio SEP pogon već samo hemijski, a radi kompenzacije trajektorije bila bi uključena dva preleta pored Zemlje, jedan pored Venere i još jedan oko Saturna (VEESGA trajektorija). Konstrukcija 'Uranus Pathfindera' se temeljila na dizajnu 'Mars Expressa' ili 'Rosette' u još jednom pokušaju smanjenja ukupnog budžeta misije. I 'ODINUS' i 'Uranus Pathfinder' su zahtevali razvoj evropskih radioizotopskih generatora baziranih na americiumu-241 umesto na plutonijumu-238, programu koji ESA već decenijama pokušava da dovrši ali bez previše uspeha.

24
Putanja misije 'Uranus Pathfinder'. 

U novije vreme predložene su i neke egzotične misije, poput korištenja električnih jedara za put do Urana za 5 godina, iako su to za sada samo to, jednostavno ideje.

U svakom slučaju, jasno je da su duge godine leta ovih misija značajan nedostatak, pa je dobrodošla svaka inicijativa za skraćenje trajanja putovanja ka ledenim divovima. Poslednjih godina se predlaže da se koristi buduća Nasina raketa 'SLS' za neku od takvih misiju, koja bi omogućila direktnu trajektoriju putanju.Nažalost, ogromni troškovi ove rakete i njena neizvesna budućnost drugi su nedostaci koje treba uzeti u obzir.

25
Sonda sa električnim jedrom (E-Sail) bi mogla da signe do Urana za 5 godina. Sonda bi raširila 50-100 kablova dužine 20 km i debljine samo 25-50 mikrona koji bi bili pozitivno naelektrisani i koristili solarni vetar za pogon.

I tako dolazimo do sadašnjosti. Kao što sam u ranijim textovima ovog serijala već podsetio, 'Voyager 2' je prošao kroz Neptunov sistem pre 30 godina i video ga iz blizine, ali se bojim da ćemo morati da čekamo još mnogo vremena da ponovno analiziramo takvu misiju. Jasno je da istraživanje Sunčevog sistema nije za nestrpljive i kratkoživuće...

Reference:

 

[1] Termin potiče od imena grčke boginje izlečenja, a označava lek za sve probleme.

[2] Obavezno pregledati ovu e-knjigu! Pazi samo naslov: 'Project Prometheus' - flota kosmičkih brodova koja nikad nije poletela. Ko može da odoli!

[3] Reaktor je trebalo da toliko daje toplotne energije, tj. 50-300 kW električne stuje. 
  Projekat je studirao napredne sisteme termoelektrične konverzije i generatore tipa 'Stirling' i 'Brayton', od koga ovaj poslednji ima pokretne delove. Preliminarna konstrukcija broda 'JIMO' je planirala upotrebu generatora Braytonovog tipa, sposobnog da stvori najmanje 200 kW struje. Reaktori su trebali da budu locirani na kraju rešetkastog nosača dugog 43 metra, čime bi se smanjila doza zračenja koju bi primali instrumenti i elektronika na sondi, dok bi na obe strane nosača bila raširena rebra radijatora za hlađenje...

[4] Sa težinom od 36 tona i 59 metara dužine, daleko bi premašivala sve ostale sonde do tada. Radi poređenja, džinovska sonda 'Cassini-Huygens' je pri lansiranju bila teška 'samo' 5,8 tona.

[5] Recimo, 'New Horizons' nosi oko 30,5 kg instrumenata.

[6] Tek 2007. je otkriveno da pored velikog satelita, nazvanog Paha (~250 km), postoji još jedan,
Hiisi (~130 km). Lempo ima prečnik ispod 400 km. Imena su ozvaničena tek 2017. sistem jako podseća na Plutonov sistem.

[7] Veliki kosmički teleskop ('ATHENA+') i opservatorija gravitacionih talasa ('eLISA') su bile misije 'L' (large) klase, tj. najskuplje u ESA, oko milijardu evra svaka. Prva misija te klase je objavljena 2012. i to je bila misija 'JUICE' ('Jupiter Icy Moon Eyplorer'), koji je trebalo da poleti 2022.

[8] Srednja klasa (M-class) Esinih misija ima cene do €470 miliona.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Dodaj komentar