Voyager 2 va volar tant per Urà (R) com per Neptú (L), i va revelar les propietats, colors, atmosferes i sistemes d'anells d'ambdós mons. Tots dos tenen anelles, moltes llunes interessants i fenòmens atmosfèrics i de superfície que esperem per investigar. (NASA / VOYAGER 2)

Pregunteu a Ethan: podem enviar una missió similar a Cassini a Urà o a Neptú?

La nau espacial Cassini de la NASA ens va ensenyar més del que havíem imaginat sobre Saturn. Podríem fer alguna cosa semblant per Urà i Neptú?

Des d’on estem al Sistema Solar, mirar l’Univers llunyà amb els nostres poderosos observatoris basats en el sòl i en l’espai ens ha proporcionat punts de vista i coneixements que molts de nosaltres mai no hem pensat aconseguir. Però encara no hi ha cap substitut per viatjar realment a un lloc llunyà, com ens han ensenyat missions dedicades a molts dels planetes. Malgrat tots els recursos que hem dedicat a la ciència planetària, només hem enviat una missió a Urà i Neptú: Voyager 2, que només van volar per ells. Quines són les nostres perspectives d’una missió d’òrbita en aquests mons exteriors? Això és el que vol saber el nostre defensor de Patreon, Erik Jensen, mentre demana:

Hi ha una finestra en què es podia enviar nau espacial a Urà o Neptú amb Júpiter per augmentar gravitatòriament. Quines són les limitacions a l’hora d’utilitzar-ho però poder retardar suficientment per entrar en òrbita al voltant dels “gegants de gel”?

Fem una ullada.

Si bé una inspecció visual mostra un gran desfasament entre els mons de la terra i la de Neptú, la realitat és que només podeu ser aproximadament un 25% més gran que la Terra i ser encara rocós. Alguna cosa més gran i sou més d'un gegant de gas. Si bé Júpiter i Saturn tenen enormes sobres de gas, que compren aproximadament el 85% d'aquests planetes, Neptú i Urà són molt diferents i haurien de tenir grans oceans líquids per sota de les seves atmosferes. (INSTITUT LUNAR I PLANETARI)

El Sistema Solar és un lloc complicat, però per sort, regular. La millor manera d’arribar al Sistema Solar exterior, és a dir, a qualsevol planeta més enllà de Júpiter, és utilitzar el propi Júpiter per ajudar-vos a arribar-hi. En física, sempre que tinguis un petit objecte (com una nau espacial) volant per un masiu, estacionari (com una estrella o un planeta), la força gravitatòria pot canviar enormement la seva velocitat, però la seva velocitat ha de seguir sent la mateixa.

Però si hi ha un tercer objecte que és gravitatòriament important, aquesta història canvia lleugerament i és particularment rellevant per arribar al sistema solar exterior. Una nau espacial que vola, diguem-ne, un planeta lligat al Sol, pot guanyar o perdre velocitat robant o donant impuls al sistema planeta / Sol. El planeta massiu no li importa, però la nau espacial pot obtenir un impuls (o una desacceleració) segons la seva trajectòria.

Una eslinga gravitatòria, com es mostra aquí, és com una nau espacial pot augmentar la seva velocitat mitjançant una assistència de gravetat. (USUARI COMUNICAT DE WIKIMEDIA ZEIMUSU)

Aquest tipus de maniobra es coneix com a assistència de gravetat i va ser fonamental per aconseguir que tant Voyager 1 com Voyager 2 sortissin del Sistema Solar, i més recentment, per aconseguir que els nous horitzons volessin per Plutó. Tot i que Urà i Neptú tenen uns períodes orbitals de 84 i 165 anys espectacularment llargs, respectivament, les finestres de missió per aconseguir-los es repeteixen cada 12 anys més o menys: cada cop que Júpiter completa una òrbita.

Una nau espacial llançada des de la Terra acostuma a volar per alguns dels planetes interiors algunes vegades en preparació per a una assistència de gravetat de Júpiter. Una nau espacial que vola per un planeta pot obtenir proverbialment un eslingonet - la fossa gravitacional és una paraula per ajudar a gravetat que la potencia - a majors velocitats i energies. Si volguéssim, les alineacions tenen raó que avui podríem llançar una missió a Neptú. Urà, en estar més a prop, és encara més fàcil arribar-hi.

La ruta de vol de la NASA per la sonda Messenger, que es va acabar en una òrbita estable i exitosa al voltant de Mercuri després d'haver-hi assistit una sèrie de gravetat. La història és similar si voleu anar al Sistema Solar exterior, tret que utilitzeu la gravetat per afegir a la vostra velocitat heliocèntrica, en lloc de restar-ne. (NASA / JHUAPL)

Fa una dècada, es va proposar la missió Argo: volaria amb objectes de cinturons de Júpiter, Saturn, Neptú i Kuiper, amb una finestra de llançament que durarà del 2015 al 2019. Però les missions fly-by són fàcils, perquè no en teniu alentir la nau espacial. Inserir-lo en òrbita a tot un món és més difícil, però també és molt més gratificant.

En lloc d'un sol passi, un òbiter pot obtenir-vos una cobertura mundial, diverses vegades, durant llargs períodes de temps. Es poden veure canvis en l’atmosfera d’un món i examinar-lo contínuament en una gran varietat de longituds d’ona invisibles per a l’ull humà. Podeu trobar llunes, anells nous i fenòmens nous que no us hagueu esperat mai. Fins i tot podeu enviar cap terra o sonda al planeta o a una de les seves llunes. Tot això i moltes coses ja van passar al voltant de Saturn amb la recent missió Cassini.

Una imatge de 2012 (L) i una de 2016 (R) del pol nord de Saturn, ambdues amb la càmera de gran angular de Cassini. La diferència de color es deu als canvis en la composició química de l'atmosfera de Saturn, induïda pels canvis fotoquímics directes. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT DE CIÈNCIA DE L’ESPAI)

Cassini no es va assabentar només de les propietats físiques i atmosfèriques de Saturn, tot i que ho va fer de manera espectacular. No només es va imaginar i aprendre sobre els anells, encara que també ho va fer. El més increïble és que vam observar canvis i esdeveniments transitoris que mai hauríem previst. Saturn va presentar canvis estacionals, que es corresponien amb canvis químics i de color al voltant dels seus pols. Una tempesta colossal es va desenvolupar a Saturn, envoltant el planeta i que va durar molts mesos. Es va trobar que els anells de Saturn tenien estructures verticals intenses i que canviaven amb el pas del temps; són dinàmics i no estàtics i proporcionen un laboratori per ensenyar-nos sobre la formació de planeta i lluna. I, amb les seves dades, vam solucionar problemes antics i vam descobrir nous misteris sobre les seves llunes Iapetus, Titan i Enceladus, entre d’altres.

Durant un període de vuit mesos, la tempesta més gran del Sistema Solar va fer ràbia, envoltant tot el món gegant del gas i capaç d’encaixar fins a 10 terres del 12 al 12. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUT DE CIÈNCIA DE L’ESPAI)

No hi ha dubte que voldríem fer el mateix per Urà i Neptú. S'han proposat moltes missions en òrbita cap a Urà i Neptú i han arribat a ser força llunyanes en el procés de presentació de la missió, però cap ha estat realment programada per ser construïda o volada. La NASA, l’ESA, JPL i el Regne Unit han proposat tots els òrbits d’Urà que encara estan en funcionament, però ningú no sap què és el futur.

Fins ara, només hem estudiat aquests mons de lluny. Però hi ha una tremenda esperança per a una futura missió de molts anys a partir d’ara, quan les finestres de llançament per arribar als dos mons s’alinein alhora. El 2034, la missió conceptual ODINUS enviaria simultàniament òrbits bessons a Urà i a Neptú. La missió en si seria una empresa conjunta espectacular entre la NASA i l’ESA.

Els dos últims (més exteriors) anells d’Urà, tal com els va descobrir Hubble. Hem descobert tanta estructura als anells interiors d’Urà a partir del volador Voyager 2, però un òbiter ens podia mostrar encara més. (NASA, ESA I M. SHOWALTER (SETI INSTITUT))

Una de les principals missions de classe insígnia proposades per a l'enquesta decadinal de ciències planetàries de la NASA el 2011 va ser una sonda i un òbitre d'Urà. Aquesta missió es va classificar com a tercera prioritat, darrere del rover Mars 2020 i l’òrbita Europa Clipper. Una sonda i un òrbita d’Urà podrien llançar-se durant els anys 2020 amb una finestra de 21 dies cada any: quan la Terra, Júpiter i Urà van assolir les posicions òptimes. L’òrbita tindria tres instruments separats dissenyats per a la imatge i mesura de diverses propietats d’Urà, els seus anells i les seves llunes. Urà i Neptú haurien de tenir enormes oceans líquids sota les seves atmosferes, i un òbiter hauria de ser capaç de descobrir-ho amb certesa. La sonda atmosfèrica mesuraria molècules formadores de núvols, la distribució de calor i la velocitat del vent canviant amb la profunditat.

La missió ODINUS, proposada per l’ESA com a empresa conjunta amb la NASA, exploraria tant Neptú com Urà amb un conjunt bessó d’òrbits. (EQUIP ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Proposat pel programa Cosmic Vision de l'ESA, la missió Origins, Dynamics i Interiors de la missió Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) va encara més lluny: ampliar aquest concepte a dos òrbits bessons, que enviarien un a Neptú i un a Urà. Una finestra de llançament el 2034, on Terra, Júpiter, Urà i Neptú s'alineen correctament, els podrien enviar tots dos simultàniament.

Les missions de Flyby són excel·lents per als primers encontres, ja que podeu aprendre tant sobre un món veient-lo a prop. També són excel·lents perquè poden assolir diversos objectius, mentre que els orbiters estan atrapats a qualsevol món que triïn. Finalment, els orbitadors han de portar combustible a bord per realitzar cremades, alentir-se i entrar en una òrbita estable, fent que la missió sigui molt més cara. Però la ciència que obteniu de mantenir-se a llarg termini al voltant d'un planeta, podria dir-ho, no ho compensa més.

Quan orbites un món, pots veure-ho des de tots els costats, així com els seus anells, les seves llunes i com es comporten al llarg del temps. Gràcies a Cassini, per exemple, vam descobrir l’existència d’un nou anell originari de l’asteroide capturat Phoebe i el seu paper en enfosquir només la meitat de la misteriosa lluna Iapetus. (AIRE I ESPAI SMITHSONIAN, DERIVATS DE LES IMATGES DE LA NASA / CASSINI)

Les limitacions actuals en una missió com aquesta no provenen de realitzacions tècniques; la tecnologia existeix per fer-ho avui. Les dificultats són:

  • Polític: perquè el pressupost de la NASA és finit i limitat, i els seus recursos han de servir a tota la comunitat,
  • Físic: perquè, fins i tot amb el nou vehicle pesat de la NASA, la versió no rebutjada del SLS, només podem enviar una quantitat limitada de massa al sistema solar exterior i
  • Pràctic: perquè a aquestes increïbles distàncies del Sol, les plaques solars no ho faran. Necessitem fonts radioactives per alimentar una nau espacial tan llunyana i és possible que no tinguem prou per fer la feina.

L'última, encara que s'ajordi la resta, podria ser el creador d'operacions.

Una pellet d’òxid de Plutoni 238 que brilla des del seu propi foc. També es produeix com a subproducte de reaccions nuclears, Pu-238 és el radionúclid que s’utilitza per alimentar els vehicles d’espai profund, des de la Mars Curiosity Rover fins a la nau espacial Voyager d’ultra distància. (DEPARTAMENT D'ENERGIA US)

El plutoni-238 és un isòtop creat en el processament de material nuclear i la majoria de les nostres botigues provenen d’un moment en què creàvem i emmagatzemàvem activament armes nuclears. El seu ús com a generador termoelèctric de radioisòtop (RTG) ha estat espectacular per a les missions a la Lluna, Mart, Júpiter, Saturn, Plutó i una gran quantitat de sondes espacials profundes, incloses les naus espacials Pioneer i Voyager.

Però vam deixar de produir-lo el 1988 i les nostres opcions per comprar-ho a Rússia han disminuït a mesura que també han deixat de produir-lo. S'ha iniciat un recent esforç per produir un nou Pu-238 al Laboratori Nacional de Oak Ridge, produint aproximadament 2 unces a finals del 2015. El desenvolupament continuat, així com l'Ontario Power Generation, podrien crear prou per alimentar una missió a la dècada de 2030. .

Una unió entre dues exposicions de 591-s obtingudes a través del filtre clar de la càmera d’angle gran de Voyager 2, que mostra el sistema d’anells complets de Neptú amb la màxima sensibilitat. Urà i Neptú tenen moltes similituds, però una missió dedicada també podria detectar diferències sense precedents. (NASA / JPL)

Com més ràpid es mogui quan es troba amb un planeta, més combustible haurà d’afegir a la seva nau espacial per frenar-se i introduir-se a l’òrbita. Per a una missió a Plutó, no hi va haver cap possibilitat; New Horizons era massa petita i la seva velocitat era massa gran, a més la massa de Plutó és bastant baixa per intentar fer una inserció orbital. Però per a Neptú i Urà, sobretot si escollim la gravetat adequada de Júpiter i possiblement Saturn, això podria ser factible. Si volem anar a buscar només Urà, podríem llançar qualsevol any durant els anys 2020. Però si volem anar a buscar els dos, cosa que fem, el 2034 és l’any que cal seguir! Neptú i Urà poden semblar similars a nosaltres en termes de massa, temperatura i distància, però poden ser realment tan diferents com la Terra de Venus. Només hi ha una manera de descobrir-ho. Amb una mica de sort, i molta inversió i un treball dur, podríem esbrinar al llarg de la nostra vida.

Envieu les vostres preguntes a Ethan a beginwithabang a gmail dot com!

(Nota: Gràcies al defensor de Patreon, Erik Jensen, per demanar-ho!)

Startrts With A Bang està ara a Forbes i es va publicar a Medium gràcies als nostres seguidors de Patreon. Ethan ha estat autor de dos llibres, Més enllà de la galàxia i Treknologia: La ciència de Star Trek de Tricorders a Warp Drive.