Tra poco più di un anno inizierà un nuovo decennio, e con esso si aprirà un flusso completamente nuovo di idee per le missioni della NASA, alcune più vicine, come Marte, altre più lontane. Alcuni molto distanti. Alcune persone si aspettano che l'era dei viaggi robotici verso mondi che non sono solo milioni, ma miliardi di chilometri da noi si aprirà per noi. Questi includono Urano e Nettuno (i pianeti che abbiamo visitato rispettivamente nel 1986 e nel 1989), così come centinaia di corpi di ghiaccio al di fuori della regione nota come cintura di Kuiper.
La fascia di Kuiper ospita Plutone e migliaia di altri mondi di varie dimensioni. La maggior parte dei corpi sono costituiti dagli elementi costitutivi del nostro sistema solare, molto tempo fa scortati in lontane regioni ghiacciate. Una visita alla fascia di Kuiper può fornirci indizi su come si sono formati il nostro pianeta e i suoi vicini, perché c'è così tanta acqua e altri misteri.
Ai confini del sistema solare
Anche Urano e Nettuno possiedono molti misteri da soli. Più apprendiamo sui sistemi planetari, più spesso vediamo che la maggior parte dei mondi non è grande come Giove e non è piccola come la Terra. Molti di loro tendono ad essere di dimensioni simili a Urano e Nettuno, "giganti di ghiaccio" che prendono il nome dallo stato esotico del ghiaccio d'acqua che giace in profondità sotto strati nuvolosi. Studiare Urano e Nettuno non solo ci aiuterà a capire i pianeti del nostro sistema solare, ma ci aiuterà a capire i pianeti che ruotano attorno ad altre stelle.
Molte di queste missioni dipendono dal tempo. L'imminente Decadal Survey - il "sondaggio decennale" della NASA su quando l'agenzia invia veicoli spaziali negli anni 2020 e 2030 - potrebbe creare o interrompere questi piani di vasta portata per esplorare il sistema solare esterno.
Indagine decennale: come progredirà l'indagine decennale
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A partire dal 2020, un gruppo della National Academy of Sciences (con la partecipazione di diversi stakeholder della comunità spaziale) si riunirà e redigerà un elenco di obiettivi di ricerca prioritari. Gli scienziati offriranno le loro opzioni sotto forma di raccomandazioni scritte note come "white paper" (leggi: white paper).
Da queste raccomandazioni emergerà un consenso generale su quali dovrebbero essere le priorità. Questi obiettivi servono come punti di riferimento per le offerte di missioni di medio raggio nella categoria New Frontiers (New Horizons e Juno erano in questa categoria). La NASA prima compila un elenco di missioni proposte, quindi le restringe gradualmente a uno o due finalisti. Una volta che un finalista ottiene il via libera, il team dietro di lui può iniziare a pianificare e progettare, e ci vogliono anni.
Tutto ciò può rendere difficile entrare in una finestra specifica attraverso la quale sarà possibile esplorare Urano o Nettuno, oltre che guardare un oggetto dalla fascia di Kuiper. Questo è il motivo per cui i grafici accurati sono rischiosi.
Visitando il gigante di ghiaccio
Uno dei gruppi, in particolare, ha considerato l'opzione di una missione per visitare contemporaneamente Urano e Nettuno. L'ultima iterazione include un sorvolo di Urano e un orbitale di Nettuno. Guidati da Mark Hofstadter e Amy Simon, gli scienziati hanno in programma di vedere un lato diverso di Urano rispetto alla Voyager 2 osservata nel 1986 e studiano Nettuno e la sua luna più grande, Tritone. Tritone ruota all'indietro, il che potrebbe essere dovuto al fatto che un tempo era l'oggetto più grande della fascia di Kuiper, prima che Nettuno tirasse Tritone verso se stesso, espellendo molti dei suoi satelliti originali.
Simon dice che queste missioni dovrebbero essere dispiegate in 15 anni, compresi i tempi di viaggio e di ricerca. Ciò è dovuto al tempo in cui singole parti del veicolo possono sopravvivere nello spazio con relativa certezza. Mentre un veicolo spaziale può vivere più a lungo, 15 anni è il minimo durante il quale si può essere certi che la missione adempirà al meglio i suoi compiti scientifici. Ma come assicurarsi che il viaggio non sprechi troppe risorse nella fase attuale della ricerca? Un modo per accelerare un veicolo spaziale è usare la forza gravitazionale del pianeta per accelerare.
"In genere, per arrivarci in meno di 12 anni, volano intorno a pianeti, tipicamente tra cui Terra e Venere", dice Simon. In tali scenari, ti immergi nella gravità del pianeta, sperando in un effetto fionda che acceleri la tua imbarcazione e risparmi il massimo del carburante. Giove è anche utilizzato dalla migliore delle opzioni, poiché è il più massiccio e può accelerare notevolmente la navicella.
New Horizons, ad esempio, ha utilizzato l'aiuto di Giove per raggiungere Plutone. Cassini ha utilizzato quattro sorvoli separati per accelerare con Saturno dopo il lancio dalla Terra, ricevendo due volte l'accelerazione da Venere, tornando sulla Terra e infine il salto finale da Giove.
Simon dice che per arrivare a Urano con un programma serrato, potrebbe essere utilizzato un sorvolo di Saturno, ad esempio, in una finestra tra il 2024 e il 2028, per catturare il gigante gassoso nel posto giusto nella sua orbita di 29 anni. Una missione del genere richiederà una rapida riflessione secondo gli standard della NASA - di solito le missioni sono pianificate dieci anni prima del lancio, quindi pianificate, progettate e lanciate entro cinque anni - quindi dovrai fare affidamento sulla finestra successiva, un sorvolo di Giove tra il 2029 e il 2032, seguito da un'uscita. a Nettuno. La prossima possibilità apparirà non prima di dieci anni da adesso.
Una missione su Urano può utilizzare propellenti e motori tradizionali per raggiungere i punti di accelerazione più velocemente, che si tratti di un razzo Atlas V o di un razzo Delta IV Heavy. Ma poiché Nettuno è così lontano e la traiettoria esatta non si allinea perfettamente come vorremmo, la missione su questo pianeta si baserà sullo Space Launch System, i razzi di prossima generazione della NASA con un carico utile maggiore (e non è nemmeno ancora volato). Se non è pronto in tempo, dovremo fare affidamento su un'altra tecnologia di nuova generazione: la propulsione solare elettrica, che sfrutta l'energia solare per accendere il gas ionizzato per accelerare il veicolo. Fino ad ora, è stato utilizzato solo sulla navicella Dawn in missioni a Ovest e Cerere e in due missioni su piccoli asteroidi.
"Anche nel caso dell'elettricità solare, i motori chimici sono ancora necessari nel caso in cui l'energia solare diventi inefficace e per frenare in orbita", dice Simon.
Pertanto, il programma è piuttosto serrato. Ma se ci muoviamo più attivamente, entrambe queste missioni possono servire a uno scopo diverso: raggiungere i mondi inesplorati della fascia di Kuiper.
Grande sconosciuto
Un altro documento, scritto da tre membri del team di New Horizons, esamina la possibilità di tornare alla fascia di Kuiper dopo una sonda di successo a piedi su Plutone. "Abbiamo visto quanto fosse interessante e volevamo sapere cos'altro c'era là fuori", afferma Tiffany Finley, ingegnere capo presso il Southwest Research Institute (SWRI) e coautore di un articolo pubblicato sul Journal of Spacecraft and Rockets.
La fascia di Kuiper contiene resti di ghiaccio della formazione del sistema solare e gli oggetti al suo interno includono un'enorme varietà di materiali diversi. Plutone, ad esempio, è leggermente più grande di Eris. Ma Plutone è fatto di ghiaccio, quindi ha meno massa. Eris è composto per la maggior parte da rocce, quindi è più denso. Alcuni mondi sembrano essere composti da metano, mentre altri contengono molta ammoniaca. Da qualche parte nel cortile del nostro sistema solare, ci sono molti pianeti nani e piccoli mondi che contengono punti chiave per la nostra comprensione di come nascono i pianeti e se altri sistemi planetari potrebbero essere come i nostri.
Gli scienziati hanno utilizzato vincoli ristretti: hanno limitato la missione a 25 anni e hanno esaminato 45 degli oggetti più luminosi della fascia di Kuiper, confrontandoli rispetto a diversi scenari di sorvolo planetario. Giove, sorprendentemente, ha scoperto la maggior parte degli obiettivi della lista. Ma la finestra di Giove si apre una volta ogni 12 anni, rendendo le missioni di Giove dipendenti dal tempo. Un semplice sorvolo di Saturno fornisce una buona lista di bersagli della fascia di Kuiper.
Ma quando accoppi questi mondi con Urano o Nettuno, hai la possibilità di scoprire nuovi fatti sui nostri misteriosi e più lontani pianeti e persino su alcuni pianeti nani in un colpo solo.
L'effetto fionda aiuterà a raggiungere questi mondi, prima da Giove e poi da un altro pianeta. Ognuno di questi pianeti si allinea con Giove in una finestra stretta negli anni 2030 e si adatta perfettamente a parti diverse di quel decennio. Ad esempio, per accedere all'elenco dei mondi sul percorso con Nettuno, è necessario raggiungere Giove all'inizio degli anni 2030 e raggiungere la fascia di Kuiper tramite Urano richiederebbe un lancio a metà degli anni 2030. Giove e Saturno si allineano in tempo per una fionda nella fascia di Kuiper alla fine degli anni '30.
L'elenco degli obiettivi offre molte possibilità interessanti. Varuna, un mondo allungato che ha acquisito questa forma grazie alla sua velocità di rotazione veloce, è perfetto per volare intorno a Giove-Urano. Nettuno, come già accennato, offre uno scorcio di Eris. La missione attraverso Giove-Saturno consentirà l'osservazione di Sedna, un grande pianeta nano con un'orbita che potrebbe indicare la strada verso un pianeta dieci non ancora scoperto. Giove-Saturno ti permetterà di fermarti su uno dei pianeti nani più interessanti: Haumea.
Come Varuna, Haumea è a forma di uovo, mentre la maggior parte dei grandi pianeti nani nella fascia di Kuiper sono generalmente rotondi. Ma Haumea ha ottenuto questa forma da un'antica collisione che le ha dato due lune, un sistema di anelli e una coda fatta di detriti. Quando gli asteroidi hanno una composizione simile, vengono chiamati "famiglia di collisione". Haumea ha prodotto l'unica famiglia conosciuta di collisioni nella fascia di Kuiper.
Qualunque cosa scegliamo, non avremo molto tempo. Pertanto, se vogliamo vedere gli anelli di Haumea o anche la luce rossa e aliena di Sedna, il lavoro deve iniziare il prima possibile. Questi mondi sono così piccoli che c'è un solo modo per scoprire i loro segreti: raggiungerli.
Ilya Khel
