Voyager 2 terbang oleh Uranus (R) dan Neptunus (L), dan mengungkapkan sifat, warna, atmosfer, dan sistem cincin dari kedua dunia. Keduanya memiliki cincin, banyak bulan menarik, dan fenomena atmosfer dan permukaan yang kami tunggu untuk diselidiki. (NASA / VOYAGER 2)

Tanyakan Ethan: Bisakah Kami Mengirim Misi Seperti Cassini Ke Uranus Atau Neptunus?

Pesawat ruang angkasa NASA Cassini mengajari kami lebih dari yang pernah kita bayangkan tentang Saturnus. Bisakah kita melakukan hal serupa untuk Uranus dan Neptunus?

Dari tempat kita berada di Tata Surya, melihat Alam Semesta yang jauh dengan observatorium berbasis darat dan luar angkasa yang kuat telah memberi kita pandangan dan pengetahuan yang banyak dari kita tidak pernah mengira akan tercapai. Tetapi masih belum ada pengganti untuk benar-benar bepergian ke lokasi yang jauh, sebagaimana misi khusus untuk banyak planet telah mengajari kita. Terlepas dari semua sumber daya yang kami curahkan untuk sains planet, kami hanya pernah mengirim satu misi ke Uranus dan Neptunus: Voyager 2, yang hanya terbang oleh mereka. Apa prospek kita untuk misi pengorbit ke dunia luar itu? Itulah yang ingin diketahui oleh pendukung Patreon kami, Erik Jensen, ketika ia bertanya:

Ada jendela yang muncul ketika pesawat ruang angkasa dapat dikirim ke Uranus atau Neptunus menggunakan Jupiter untuk dorongan gravitasi. Apa kendala menggunakan ini tetapi bisa melambat cukup untuk memasuki orbit di sekitar "raksasa es"?

Mari lihat.

Sementara inspeksi visual menunjukkan kesenjangan besar antara dunia seukuran Bumi dan dunia Neptunus, kenyataannya Anda hanya bisa sekitar 25% lebih besar dari Bumi dan masih berbatu. Apa pun yang lebih besar, dan Anda lebih seperti raksasa gas. Sementara Yupiter dan Saturnus memiliki amplop gas yang sangat besar, yang terdiri dari sekitar 85% dari planet-planet itu, Neptunus dan Uranus sangat berbeda, dan harus memiliki lautan besar yang cair di bawah atmosfernya. (LUNAR DAN INSTITUT PLANET)

Tata Surya adalah tempat yang rumit - tapi untungnya, teratur -. Cara terbaik untuk sampai ke Tata Surya bagian luar, yaitu planet manapun di luar Jupiter, adalah menggunakan Jupiter sendiri untuk membantu Anda sampai di sana. Dalam fisika, kapan pun Anda memiliki benda kecil (seperti pesawat ruang angkasa) terbang oleh benda besar yang diam (seperti bintang atau planet), gaya gravitasi dapat mengubah kecepatannya dengan sangat besar, tetapi kecepatannya harus tetap sama.

Tetapi jika ada objek ketiga yang secara gravitasi penting, cerita itu sedikit berubah, dan dengan cara yang sangat relevan untuk mencapai Tata Surya bagian luar. Sebuah pesawat ruang angkasa terbang, katakanlah, sebuah planet yang terikat dengan Matahari, dapat memperoleh atau kehilangan kecepatan dengan mencuri atau menyerah momentum ke planet / sistem Matahari. Planet besar tidak peduli, tetapi pesawat ruang angkasa bisa mendapatkan dorongan (atau perlambatan) tergantung pada lintasannya.

Katapel gravitasi, seperti yang ditunjukkan di sini, adalah bagaimana sebuah pesawat ruang angkasa dapat meningkatkan kecepatannya melalui bantuan gravitasi. (PENGGUNA UMUM WIKIMEDIA ZEIMUSU)

Jenis manuver ini dikenal sebagai bantuan gravitasi, dan sangat penting untuk membuat Voyager 1 dan Voyager 2 keluar dari Tata Surya, dan baru-baru ini, dalam membuat cakrawala baru terbang oleh Pluto. Meskipun Uranus dan Neptunus masing-masing memiliki periode orbit panjang yang spektakuler, masing-masing 84 dan 165 tahun, jendela misi untuk sampai ke sana berulang setiap 12 tahun atau lebih: setiap kali Jupiter menyelesaikan orbitnya.

Sebuah pesawat ruang angkasa yang diluncurkan dari Bumi biasanya terbang oleh beberapa planet bagian dalam beberapa kali dalam persiapan untuk bantuan gravitasi dari Jupiter. Sebuah pesawat ruang angkasa yang terbang oleh sebuah planet bisa terkena katapel secara proporsional - ketapel gravitasi adalah kata untuk bantuan gravitasi yang mendorongnya - ke kecepatan dan energi yang lebih besar. Jika kita mau, keberpihakannya tepat sehingga kita bisa meluncurkan misi ke Neptunus hari ini. Uranus, karena lebih dekat, bahkan lebih mudah dijangkau.

Jalur penerbangan NASA untuk penyelidikan Messenger, yang berakhir dengan sukses, orbit stabil di sekitar Merkurius setelah sejumlah gravitasi membantu. Ceritanya mirip jika Anda ingin pergi ke Tata Surya bagian luar, kecuali Anda menggunakan gravitasi untuk menambah kecepatan heliosentris Anda, daripada menguranginya. (NASA / JHUAPL)

Satu dekade lalu, misi Argo diusulkan: itu akan terbang oleh Jupiter, Saturnus, Neptunus, dan objek sabuk Kuiper, dengan jendela peluncuran yang berlangsung dari 2015 hingga 2019. Tetapi misi terbang-oleh itu mudah, karena Anda tidak memiliki untuk memperlambat pesawat ruang angkasa. Memasukkannya ke orbit di seluruh dunia lebih sulit, tetapi juga jauh lebih bermanfaat.

Alih-alih lulus tunggal, pengorbit bisa membuat Anda cakupan seluruh dunia, beberapa kali, selama periode waktu yang lama. Anda dapat melihat perubahan dalam atmosfer dunia, dan memeriksanya secara terus menerus dalam berbagai panjang gelombang yang tidak terlihat oleh mata manusia. Anda dapat menemukan bulan baru, cincin baru, dan fenomena baru yang tidak pernah Anda duga. Anda bahkan dapat mengirim pendarat atau penjelajahan ke planet ini atau salah satu bulannya. Semua itu dan lebih banyak terjadi di sekitar Saturnus dengan misi Cassini yang baru saja diselesaikan.

Gambar 2012 (L) dan 2016 (R) dari kutub utara Saturnus, keduanya diambil dengan kamera sudut lebar Cassini. Perbedaan warna ini disebabkan oleh perubahan komposisi kimia atmosfer Saturnus, yang disebabkan oleh perubahan fotokimia langsung. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUTE)

Cassini tidak hanya belajar tentang sifat-sifat fisik dan atmosfer Saturnus, meskipun ia melakukan itu secara spektakuler. Itu tidak hanya gambar dan belajar tentang cincin, meskipun itu juga. Yang paling luar biasa adalah kami mengamati perubahan dan peristiwa sementara yang tidak pernah kami prediksi sebelumnya. Saturnus menunjukkan perubahan musiman, yang berhubungan dengan perubahan kimia dan warna di sekitar kutubnya. Badai kolosal berkembang di Saturnus, mengelilingi planet ini dan berlangsung selama berbulan-bulan. Cincin Saturnus ditemukan memiliki struktur vertikal yang kuat dan berubah seiring waktu; mereka dinamis dan tidak statis, dan menyediakan laboratorium untuk mengajarkan kita tentang pembentukan planet-dan-bulan. Dan, dengan datanya, kami memecahkan masalah lama dan menemukan misteri baru tentang bulan-bulannya, Iapetus, Titan, dan Enceladus.

Selama 8 bulan, badai terbesar di Tata Surya mengamuk, melingkupi seluruh dunia raksasa gas dan mampu menyesuaikan sebanyak 10 hingga 12 Bumi di dalamnya. (NASA / JPL-CALTECH / SPACE SCIENCE INSTITUTE)

Ada sedikit keraguan kami ingin melakukan hal yang sama untuk Uranus dan Neptunus. Banyak misi yang mengorbit ke Uranus dan Neptunus telah diusulkan dan dibuat cukup jauh dalam proses pengiriman misi, tetapi tidak ada yang benar-benar dijadwalkan untuk dibangun atau terbang. NASA, ESA, JPL, dan Inggris semuanya mengusulkan pengorbit Uranus yang masih berjalan, tetapi tidak ada yang tahu apa yang akan terjadi di masa depan.

Sejauh ini, kami hanya mempelajari dunia-dunia ini dari jauh. Tetapi ada harapan yang luar biasa untuk misi masa depan bertahun-tahun dari sekarang, ketika jendela peluncuran untuk mencapai kedua dunia akan bersatu sekaligus. Pada 2034, misi ODINUS konseptual akan mengirim pengorbit kembar ke Uranus dan Neptunus secara bersamaan. Misi itu sendiri akan menjadi usaha patungan yang spektakuler antara NASA dan ESA.

Dua cincin terakhir (terluar) dari Uranus, seperti yang ditemukan oleh Hubble. Kami menemukan begitu banyak struktur di cincin dalam Uranus dari Voyager 2, tetapi pengorbit bisa menunjukkan lebih banyak lagi kepada kami. (NASA, ESA, DAN M. SHOWALTER (SETI INSTITUTE))

Salah satu misi kelas unggulan utama yang diusulkan untuk survei dekadal sains planet NASA pada 2011 adalah penyelidikan dan pengorbit Uranus. Misi ini berada di peringkat ketiga prioritas, di belakang penjelajah Mars 2020 dan pengorbit Europa Clipper. Probe-and-orbiter Uranus dapat diluncurkan pada tahun 2020 dengan jendela 21 hari setiap tahun: ketika Bumi, Jupiter, dan Uranus mencapai posisi optimal. Pengorbit akan memiliki tiga instrumen terpisah yang dirancang untuk mencitrakan dan mengukur berbagai properti Uranus, cincinnya, dan bulan-bulannya. Uranus dan Neptunus harus memiliki lautan cair yang sangat besar di bawah atmosfernya, dan pengorbit harus dapat menemukannya dengan pasti. Probe atmosfer akan mengukur molekul pembentuk awan, distribusi panas, dan bagaimana kecepatan angin berubah dengan kedalaman.

Misi ODINUS, yang diusulkan oleh ESA sebagai perusahaan patungan dengan NASA, akan menjelajahi Neptunus dan Uranus dengan seperangkat pengorbit kembar. (TIM ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Diusulkan oleh program Visi Kosmis ESA, Origins, Dynamics, dan Interiors dari Neptunian dan Uranian Systems (ODINUS) misi berjalan lebih jauh: memperluas konsep ini ke dua pengorbit kembar, yang akan mengirim satu ke Neptunus dan satu ke Uranus. Sebuah jendela peluncuran di tahun 2034, di mana Bumi, Jupiter, Uranus, dan Neptunus bersatu dengan benar, dapat mengirim keduanya secara bersamaan.

Misi Flyby sangat bagus untuk pertemuan pertama, karena Anda dapat belajar banyak tentang dunia dengan melihatnya dari dekat. Mereka juga hebat karena mereka dapat mencapai beberapa target, sementara orbiter terjebak di dunia apa pun yang mereka pilih untuk mengorbit. Akhirnya, pengorbit harus membawa bahan bakar untuk melakukan pembakaran, memperlambat, dan memasuki orbit yang stabil, membuat misi jauh lebih mahal. Tetapi ilmu yang Anda dapatkan dari sisa jangka panjang di sekitar sebuah planet, menurut saya, lebih dari sekadar menebusnya.

Ketika Anda mengorbit sebuah dunia, Anda bisa melihatnya dari semua sisi, serta cincinnya, bulan-bulannya, dan bagaimana mereka berperilaku dari waktu ke waktu. Berkat Cassini, misalnya, kami menemukan keberadaan cincin baru yang berasal dari Phoebe asteroid yang ditangkap, dan perannya dalam menggelapkan hanya setengah dari bulan misterius Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVED DARI NASA / GAMBAR CASSINI)

Keterbatasan saat ini pada misi seperti ini tidak datang dari pencapaian teknis; teknologi ada untuk melakukannya hari ini. Kesulitannya adalah:

  • Politik: karena anggaran NASA terbatas dan terbatas, dan sumber dayanya harus melayani seluruh masyarakat,
  • Fisik: karena meskipun dengan kendaraan berat NASA yang baru, versi SLS yang tidak dimuliakan, kita hanya dapat mengirim massa dalam jumlah terbatas ke tata surya luar, dan
  • Praktis: karena pada jarak yang luar biasa dari Matahari, panel surya tidak akan berfungsi. Kita membutuhkan sumber radioaktif untuk memberi daya pada pesawat ruang angkasa sejauh ini, dan kita mungkin tidak punya cukup untuk melakukan pekerjaan itu.

Yang terakhir, bahkan jika segala sesuatunya sejajar, mungkin adalah pelanggar.

Pelet oksida Plutonium-238 bersinar dari panasnya sendiri. Juga diproduksi sebagai produk sampingan dari reaksi nuklir, Pu-238 adalah radionuklida yang digunakan untuk memberi tenaga pada kendaraan luar angkasa, dari Mars Curiosity Rover hingga pesawat ruang angkasa Voyager yang sangat jauh. (DEPARTEMEN ENERGI AS)

Plutonium-238 adalah isotop yang dibuat dalam pemrosesan bahan nuklir, dan sebagian besar simpanan kami berasal dari masa ketika kami secara aktif membuat dan menimbun senjata nuklir. Penggunaannya sebagai generator termoelektrik radioisotop (RTG) telah spektakuler untuk misi ke Bulan, Mars, Jupiter, Saturnus, Pluto, dan sejumlah wahana antariksa yang dalam, termasuk wahana antariksa Pioneer dan Voyager.

Tetapi kami berhenti memproduksinya pada tahun 1988, dan pilihan kami untuk membelinya dari Rusia telah berkurang karena mereka juga berhenti memproduksinya. Upaya baru-baru ini untuk membuat Pu-238 baru di Laboratorium Nasional Oak Ridge telah dimulai, menghasilkan sekitar 2 ons pada akhir 2015. Pengembangan yang berkelanjutan di sana, serta oleh Ontario Power Generation, dapat menciptakan cukup banyak untuk menjalankan misi pada tahun 2030-an. .

Sebuah jahitan bersama dari dua eksposur 591-s diperoleh melalui filter yang jelas dari kamera sudut lebar dari Voyager 2, menunjukkan sistem cincin penuh Neptunus dengan sensitivitas tertinggi. Uranus dan Neptunus memiliki banyak kesamaan, tetapi misi khusus dapat mendeteksi perbedaan yang belum pernah terjadi sebelumnya juga. (NASA / JPL)

Semakin cepat Anda bergerak saat menemukan sebuah planet, semakin banyak bahan bakar yang Anda perlu tambahkan ke pesawat ruang angkasa Anda untuk memperlambat dan memasukkan diri Anda ke orbit. Untuk misi ke Pluto, tidak ada peluang; Cakrawala Baru terlalu kecil dan kecepatannya terlalu besar, ditambah massa Pluto cukup rendah untuk mencoba dan melakukan penyisipan orbital. Tetapi untuk Neptunus dan Uranus, terutama jika kita memilih bantuan gravitasi yang tepat dari Jupiter dan mungkin Saturnus, ini bisa dilakukan. Jika kita ingin menggunakan hanya Uranus, kita bisa meluncurkan tahun apa saja selama tahun 2020-an. Tetapi jika kita ingin pergi untuk mereka berdua, yang kita lakukan, 2034 adalah tahun untuk pergi! Neptunus dan Uranus mungkin terlihat mirip dengan kita dalam hal massa, suhu, dan jarak, tetapi mereka mungkin benar-benar berbeda seperti Bumi dari Venus. Hanya ada satu cara untuk mengetahuinya. Dengan sedikit keberuntungan, dan banyak investasi dan kerja keras, kita mungkin bisa mencari tahu dalam hidup kita.

Kirim pertanyaan Ajukan Ethan Anda ke startwababang di gmail dot com!

(Catatan: Terima kasih kepada pendukung Patreon Erik Jensen untuk bertanya!)

Starts With A Bang sekarang ada di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.