Voyager 2 flög av både Uranus (R) och Neptune (L) och avslöjade egenskaperna, färgerna, atmosfären och ringsystemen i båda världarna. De har båda ringar, många intressanta månar och atmosfäriska och ytfenomen som vi bara väntar på att undersöka. (NASA / VOYAGER 2)

Fråga Ethan: Kan vi skicka ett Cassini-liknande uppdrag till Uranus eller Neptun?

NASA: s Cassini-rymdskepp lärde oss mer än vi någonsin föreställt oss om Saturnus. Kan vi göra något liknande för Uranus och Neptun?

Från var vi befinner oss i solsystemet, har vi sett ut på det avlägsna universum med våra kraftfulla markbaserade och rymdbaserade observatorier, åsikter och kunskap som många av oss aldrig trodde att vi skulle nå. Men det finns fortfarande inget ersättning för att faktiskt resa till en avlägsen plats, som dedikerade uppdrag till många av planeterna har lärt oss. Trots alla resurser som vi har ägnat åt planetvetenskapen har vi bara någonsin skickat ett uppdrag till Uranus och Neptun: Voyager 2, som bara flög av dem. Vad är våra utsikter för ett orbiteruppdrag till de yttre världarna? Det är vad vår Patreon-supporter Erik Jensen vill veta, när han frågar:

Det kommer ett fönster när rymdfarkoster kan skickas till Uranus eller Neptun med Jupiter för ett gravitationskraft. Vilka är begränsningarna för att använda detta men att kunna sakta tillräckligt för att komma in i omloppsbana runt "isjättarna"?

Låt oss ta en titt.

Medan en visuell inspektion visar ett stort gap mellan jordstorlekar och Neptunstorlekar, är verkligheten att du bara kan vara cirka 25% större än jorden och fortfarande vara stenig. Något större, och du är mer en gasjätt. Medan Jupiter och Saturnus har enorma gashöljen, som utgör ungefär 85% av dessa planeter, är Neptunus och Uranus mycket olika och borde ha stora, flytande hav under sina atmosfärer. (LUNAR OCH PLANETARINSTITUT)

Solsystemet är en komplicerad - men tack och lov, regelbunden - plats. Det bästa sättet att komma till det yttre solsystemet, det vill säga vilken som helst planet bortom Jupiter, är att använda Jupiter själv för att hjälpa dig dit. I fysiken, när du har ett litet föremål (som ett rymdskepp) som flyger med en massiv, stationär en (som en stjärna eller planet), kan gravitationskraften ändra hastigheten enormt, men dess hastighet måste förbli densamma.

Men om det finns ett tredje objekt som är gravitationellt viktigt, förändras den berättelsen något, och på ett sätt som är särskilt relevant för att nå det yttre solsystemet. Ett rymdskepp som säger en planet som är bunden till solen kan öka hastigheten genom att stjäla eller ge upp fart på planeten / solsystemet. Den massiva planeten bryr sig inte, men rymdskeppet kan få en boost (eller en retardation) beroende på dess bana.

En gravitationssprång, som visas här, är hur ett rymdskepp kan öka sin hastighet genom en tyngdkraftsassistent. (WIKIMEDIA COMMONS ANVÄNDARE ZEIMUSU)

Denna typ av manöver är känd som en gravitationshjälp, och det var viktigt för att få både Voyager 1 och Voyager 2 på väg ut från solsystemet, och nyligen för att få nya horisonter att flyga av Pluto. Även om Uranus och Neptune har spektakulära långa omloppsperioder på respektive 84 och 165 år, upprepas uppdragsfönstren för att komma till dem vart 12: e år: varje gång Jupiter slutför en bana.

Ett rymdskepp som sjösätts från jorden flyger vanligtvis av några av de inre planeterna några gånger för att förbereda en gravitationstjänst från Jupiter. Ett rymdskepp som flyger av en planet kan få ordstävigt slingbyxor - gravitationssprång är ett ord för en gravitationsassistent som ökar det - till högre hastigheter och energier. Om vi ​​ville göra, har justeringarna rätt att vi kunde starta ett uppdrag till Neptun idag. Att vara närmare är Uranus ännu lättare att komma till.

NASAs flygväg för Messenger-sonden, som avvecklades i en framgångsrik, stabil bana runt Merkurius efter ett antal tyngdkraftsassister. Berättelsen är liknande om du vill gå till det yttre solsystemet, förutom att du använder tyngdkraften för att öka din heliocentriska hastighet, snarare än att dra ifrån den. (NASA / JHUAPL)

För ett decennium sedan föreslogs Argo-uppdraget: det skulle fly-by Jupiter, Saturn, Neptune och Kuiper bälteobjekt, med ett lanseringsfönster som varar 2015 till 2019. Men fly-by-uppdrag är enkla, eftersom du inte har för att bromsa rymdskeppet. Att lägga in det i en bana runt en värld är svårare, men det är också mycket mer givande.

I stället för ett enda pass kan en orbiter ge dig hela världen täckning, flera gånger, över långa tidsperioder. Du kan se förändringar i en världs atmosfär och undersöka den kontinuerligt i en mängd olika våglängder som är osynliga för det mänskliga ögat. Du kan hitta nya månar, nya ringar och nya fenomen som du aldrig förväntat dig. Du kan till och med skicka ner en lander eller sond till planeten eller en av dess månar. Allt detta och mer hände redan runt Saturnus med det nyligen avslutade Cassini-uppdraget.

En 2012 (L) och en 2016 (R) -bild av Saturns nordpol, båda tagna med vidvinkelkameran Cassini. Skillnaden i färg beror på förändringar i den kemiska sammansättningen i Saturnus atmosfär, vilket framkallas av direkta fotokemiska förändringar. (NASA / JPL-CALTECH / RUMSVETENSINSTITUT)

Cassini lärde sig inte bara om de fysiska och atmosfäriska egenskaperna hos Saturnus, även om det gjorde det spektakulärt. Det gjorde inte bara bild och lära sig om ringarna, även om det gjorde det också. Det mest otroliga är att vi observerade förändringar och kortvariga händelser som vi aldrig skulle ha förutspått. Saturnus visade säsongsförändringar, vilket motsvarade kemiska och färgförändringar runt dess poler. En kolossal storm utvecklades på Saturnus, som omsluter planeten och varade i många månader. Saturnusringar visade sig ha intensiva vertikala strukturer och förändrades med tiden; de är dynamiska och inte statiska och tillhandahåller ett laboratorium för att lära oss om planet-och-mån-bildning. Och med dess data löste vi gamla problem och upptäckte nya mysterier om månarna Iapetus, Titan och Enceladus, bland andra.

Under en period av åtta månader raste den största stormen i solsystemet, som omsluter hela gasjättvärlden och kan passa så många som 10 till 12 jordar inuti. (NASA / JPL-CALTECH / RUMSVETENSINSTITUT)

Det råder liten tvekan om att vi skulle vilja göra samma sak för Uranus och Neptune. Många omloppsuppdrag till Uranus och Neptune har föreslagits och gjort det ganska långt i uppdragsprocessen, men ingen har faktiskt planerats att byggas eller flyga. NASA, ESA, JPL och Storbritannien har alla föreslagit Uranus-banor som fortfarande är i gång, men ingen vet vad framtiden har.

Hittills har vi bara studerat dessa världar på avstånd. Men det finns ett enormt hopp om ett framtida uppdrag många år från och med nu, när lanseringsfönstren för att nå båda världarna kommer att anpassas på en gång. År 2034 skulle det konceptuella ODINUS-uppdraget skicka tvillingbana till både Uranus och Neptune samtidigt. Uppdraget i sig skulle vara ett spektakulärt gemensamt företag mellan NASA och ESA.

De sista två (yttersta) ringarna av Uranus, som upptäcktes av Hubble. Vi upptäckte så mycket struktur i de inre ringarna i Uranus från Voyager 2 fly-by, men en orbiter kunde visa oss ännu mer. (NASA, ESA OCH M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Ett av de viktigaste, flaggskeppsuppdragen som föreslogs till NASA: s planeringsvetenskapliga dekadalundersökning 2011 var en Uranus-sond och omloppsbana. Detta uppdrag rankades som tredje prioritet, bakom Mars 2020-rover och Europa Clipper-banan. En Uranus-sond-och-orbiter kunde lanseras under 2020-talet med ett fönster på 21 dagar varje år: när Jorden, Jupiter och Uranus nådde de optimala positionerna. Omkringaren skulle ha tre separata instrument på sig utformade för att avbilda och mäta olika egenskaper hos Uranus, dess ringar och dess månar. Uranus och Neptune borde ha enorma flytande hav under sina atmosfärer, och en orbiter borde kunna upptäcka det med säkerhet. Den atmosfäriska sonden skulle mäta molnbildande molekyler, värmefördelning och hur vindhastigheten förändrades med djupet.

ODINUS-uppdraget, som föreslogs av ESA som ett joint venture med NASA, skulle utforska både Neptunus och Uranus med en tvillinguppsättning av banor. (ODINUS TEAM - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Föreslagen av ESA: s Cosmic Vision-program, Origins, Dynamics and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems (ODINUS) -uppdraget går ännu längre: att utöka detta koncept till två tvillingbanor, som skulle skicka en till Neptunus och en till Uranus. Ett lanseringsfönster år 2034, där Jorden, Jupiter, Uranus och Neptune alla anpassar sig ordentligt, kunde skicka dem båda samtidigt.

Flybyuppdrag är bra för första möten, eftersom du kan lära dig så mycket om en värld genom att se den på nära håll. De är också bra eftersom de kan nå flera mål, medan banbrytare sitter fast i vilken värld de än väljer att kretsa. Slutligen måste banor ta med bränsle ombord för att utföra brännskador, sakta ner och gå in i en stabil bana, vilket gör ett uppdrag mycket dyrare. Men vetenskapen du får från att återstå långsiktigt runt en planet, skulle jag hävda, mer än kompenserar för det.

När du kretsar runt en värld kan du se den från alla sidor, såväl som dess ringar, dess månar och hur de beter sig över tid. Tack vare till exempel Cassini, upptäckte vi förekomsten av en ny ring som härstammar från den fångade asteroiden Phoebe, och dess roll i att mörka bara hälften av den mystiska månen Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & RYMT, DERIVERAD FRA NASA / CASSINI BILDER)

De nuvarande begränsningarna på ett uppdrag som detta kommer inte från tekniska prestationer; tekniken finns för att göra det idag. Svårigheterna är:

  • Politisk: eftersom NASA: s budget är begränsad och dess resurser måste betjäna hela samhället,
  • Fysiskt: för även med NASA: s nya tunga lyftfordon, den skruvade versionen av SLS, kan vi bara skicka en begränsad mängd massa till det yttre solsystemet, och
  • Praktiskt: eftersom på dessa otroliga avstånd från solen kommer solpaneler inte att göra. Vi behöver radioaktiva källor för att driva ett rymdskepp så långt bort, och vi kanske inte har tillräckligt för att göra jobbet.

Den sista, även om allt annat överensstämmer, kan vara dealbreakeren.

En plutonium-238 oxidpellets som glödar från sin egen värme. Också producerad som en biprodukt av kärnreaktioner, är Pu-238 radionukliden som används för att driva djupa rymdfarkoster, från Mars Curiosity Rover till det extremt avlägsna Voyager-rymdskeppet. (USA: s avdelning för energi)

Plutonium-238 är en isotop skapad vid bearbetning av kärnmaterial, och de flesta av våra butiker av det kommer från en tid då vi aktivt skapade och lagrade kärnvapen. Dess användning som radioisotop termoelektrisk generator (RTG) har varit spektakulär för uppdrag till månen, Mars, Jupiter, Saturn, Pluto och en massa djupa rymdsonder, inklusive Pioneer och Voyager rymdfarkoster.

Men vi slutade producera det 1988 och våra alternativ att köpa det från Ryssland har minskat eftersom de också slutat producera det. En nyligen försökt att göra ny Pu-238 på Oak Ridge National Laboratory har börjat och producerat cirka 2 uns i slutet av 2015. Fortsatt utveckling där, liksom av Ontario Power Generation, kan skapa tillräckligt för att driva ett uppdrag vid 2030-talet .

En sammanfogning av två 591-s exponeringar erhållna genom det klara filtret för vidvinkskameran från Voyager 2, som visar hela ringsystemet i Neptune med högsta känslighet. Uranus och Neptune har många likheter, men ett dedikerat uppdrag kunde också upptäcka oöverträffade skillnader. (NASA / JPL)

Ju snabbare du rör dig när du stöter på en planet, desto mer bränsle behöver du lägga till ditt rymdskepp för att bromsa ner och sätta dig in i bana. För ett uppdrag till Pluto fanns det ingen chans; New Horizons var för liten och hastigheten var alldeles för stor, plus Plutos massa är ganska låg för att försöka göra en orbital insättning. Men för Neptunus och Uranus, särskilt om vi väljer rätt gravitationstjänster från Jupiter och eventuellt Saturnus, kan detta vara genomförbart. Om vi ​​vill gå för bara Uranus, kan vi lansera valfritt år under 2020-talet. Men om vi vill gå för dem båda, vilket vi gör, är 2034 året att gå! Neptunus och Uranus kan se ut som oss i termer av massa, temperatur och avstånd, men de kan verkligen vara lika olika som Jorden är från Venus. Det finns bara ett sätt att ta reda på. Med lite tur och mycket investering och hårt arbete kan vi komma att ta reda på det i våra liv.

Skicka in dina frågor från Ethan till startswithabang på gmail dot com!

(Obs: Tack till Patreon-supportern Erik Jensen för att fråga!)

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.