In etwas mehr als einem Jahr beginnt ein neues Jahrzehnt, und mit ihm wird sich ein völlig neuer Ideenstrom für NASA-Missionen öffnen, einige näher - wie der Mars, andere weiter entfernt. Einige sehr weit weg. Einige Menschen erwarten, dass sich die Ära des Roboterreisens in Welten, die nicht nur Millionen - Milliarden Kilometer von uns entfernt sind, für uns öffnen wird. Dazu gehören Uranus und Neptun (die Planeten, die wir 1986 bzw. 1989 besucht haben) sowie Hunderte von Eiskörpern außerhalb der als Kuipergürtel bekannten Region.
Der Kuipergürtel beherbergt Pluto und Tausende anderer Welten unterschiedlicher Größe. Die meisten Körper dort bestehen aus den Bausteinen unseres Sonnensystems, die vor langer Zeit in ferne Eisregionen eskortiert wurden. Ein Besuch im Kuipergürtel kann uns Hinweise auf Fragen geben, wie sich unser Planet und seine Nachbarn gebildet haben, warum es so viel Wasser und andere Geheimnisse gibt.
An den Grenzen des Sonnensystems
Uranus und Neptun haben auch viele Geheimnisse für sich. Je mehr wir über Planetensysteme lernen, desto öfter sehen wir, dass die meisten Welten nicht so groß wie Jupiter und nicht so klein wie die Erde sind. Viele von ihnen haben eine ähnliche Größe wie Uranus und Neptun, "Eisriesen", die nach dem exotischen Zustand des Wassereises benannt sind, das tief unter den Wolkenschichten liegt. Das Studium von Uranus und Neptun hilft uns nicht nur, die Planeten in unserem Sonnensystem zu verstehen, sondern auch, die Planeten zu verstehen, die sich um andere Sterne drehen.
Viele dieser Missionen sind zeitabhängig. Die bevorstehende Dekadische Umfrage - die "zehnjährige Umfrage" der NASA, wann die Agentur Raumfahrzeuge in den 2020er und 2030er Jahren sendet - könnte diese weitreichenden Pläne zur Erforschung des äußeren Sonnensystems erstellen oder zerstören.
Dekadische Umfrage: Wie die dekadische Umfrage fortschreitet
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Ab 2020 wird eine Gruppe der Nationalen Akademie der Wissenschaften (unter Beteiligung mehrerer Interessengruppen aus der Weltraumgemeinschaft) zusammenkommen und eine Liste vorrangiger Forschungsziele erstellen. Wissenschaftler werden ihre Optionen in Form von schriftlichen Empfehlungen anbieten, die als "White Papers" (sprich: White Paper) bekannt sind.
Aus diesen Empfehlungen wird ein allgemeiner Konsens darüber entstehen, welche Prioritäten gesetzt werden sollten. Diese Ziele dienen als Benchmark für die mittelgroßen Missionsangebote in der Kategorie New Frontiers (New Horizons und Juno waren in dieser Kategorie). Die NASA stellt zunächst eine Liste der vorgeschlagenen Missionen zusammen und schränkt sie dann schrittweise auf ein oder zwei Finalisten ein. Sobald ein Finalist grünes Licht erhält, kann das Team hinter ihm mit der Planung und Gestaltung beginnen - und das dauert Jahre.
All dies kann es schwierig machen, in ein bestimmtes Fenster zu gelangen, durch das Uranus oder Neptun erkundet und ein Objekt aus dem Kuipergürtel betrachtet werden kann. Aus diesem Grund sind genaue Diagramme riskant.
Besuch des Eisriesen
Insbesondere eine der Gruppen erwog die Möglichkeit einer Mission, Uranus und Neptun gleichzeitig zu besuchen. Die letzte Iteration beinhaltet einen Vorbeiflug von Uranus und eine Umlaufbahn von Neptun. Unter der Leitung von Mark Hofstadter und Amy Simon planen Wissenschaftler, eine andere Seite von Uranus als die 1986 beobachtete Voyager 2 zu sehen und Neptun und seinen größten Mond, Triton, zu untersuchen. Triton dreht sich rückwärts, was möglicherweise daran liegt, dass es einst das größte Objekt im Kuipergürtel war - bevor Neptun Triton zu sich zog und viele seiner ursprünglichen Satelliten auswarf.
Simon sagt, diese Missionen sollten über 15 Jahre eingesetzt werden, einschließlich Reise- und Forschungszeit. Dies liegt daran, wie lange einzelne Teile des Fahrzeugs mit relativer Sicherheit im Weltraum überleben können. Während ein Raumschiff länger leben kann, sind mindestens 15 Jahre erforderlich, um sicher zu sein, dass die Mission ihre wissenschaftlichen Aufgaben in vollem Umfang erfüllt. Aber wie kann sichergestellt werden, dass die Reise in der aktuellen Forschungsphase nicht zu viele Ressourcen verschwendet? Eine Möglichkeit, ein Raumschiff zu beschleunigen, besteht darin, die Gravitationskraft des Planeten zum Beschleunigen zu nutzen.
"Um in weniger als 12 Jahren dorthin zu gelangen, fliegen sie normalerweise um Planeten, normalerweise einschließlich Erde und Venus", sagt Simon. In solchen Szenarien tauchen Sie in die Schwerkraft des Planeten ein und hoffen auf einen Schleudereffekt, der Ihr Fahrzeug beschleunigt und so viel Treibstoff wie möglich spart. Jupiter wird auch von den besten Optionen verwendet, da es am massereichsten ist und das Raumschiff erheblich beschleunigen kann.
New Horizons nutzte zum Beispiel Jupiters Hilfe, um Pluto zu erreichen. Cassini benutzte vier separate Überflüge, um nach dem Start von der Erde mit Saturn zu beschleunigen, zweimal von der Venus beschleunigt zu werden, zur Erde zurückzukehren und schließlich den letzten Sprung vom Jupiter.
Simon sagt, um nach einem engen Zeitplan nach Uranus zu gelangen, könnte ein Vorbeiflug an Saturn verwendet werden - zum Beispiel in einem Fenster zwischen 2024 und 2028, um den Gasriesen in seiner 29-jährigen Umlaufbahn an der richtigen Stelle zu fangen. Eine solche Mission erfordert ein schnelles Denken nach NASA-Standards - normalerweise werden Missionen zehn Jahre vor dem Start geplant, dann innerhalb von fünf Jahren geplant, entworfen und gestartet -, sodass Sie sich auf das nächste Fenster verlassen müssen, einen Jupiter-Vorbeiflug zwischen 2029 und 2032, gefolgt von einem Ausstieg zu Neptun. Die nächste Chance wird nicht früher als in zehn Jahren erscheinen.
Bei einer Mission in Uranus können herkömmliche Treibmittel und Motoren verwendet werden, um schneller zu den Beschleunigungspunkten zu gelangen - sei es eine Atlas V-Rakete oder eine Delta IV Heavy-Rakete. Aber weil Neptun so weit weg ist und die genaue Flugbahn nicht so perfekt ausgerichtet ist, wie wir es uns wünschen, wird die Mission auf diesem Planeten auf dem Space Launch System beruhen, den Raketen der nächsten Generation der NASA mit erhöhter Nutzlast (und es ist noch nicht einmal geflogen). Wenn es nicht rechtzeitig fertig ist, müssen wir uns auf eine andere Technologie der nächsten Generation verlassen: den solaren elektrischen Antrieb, der Sonnenenergie nutzt, um ionisiertes Gas zu entzünden und das Fahrzeug zu beschleunigen. Bisher wurde es nur auf dem Raumschiff Dawn bei Missionen nach West und Ceres und bei zwei Missionen bei kleinen Asteroiden eingesetzt.
„Selbst bei Solarstrom werden chemische Motoren benötigt, falls Solarenergie unwirksam wird und im Orbit gebremst werden kann“, sagt Simon.
Somit ist der Zeitplan ziemlich eng. Wenn wir uns jedoch aktiver bewegen, können beide Missionen einen anderen Zweck erfüllen: die unerforschten Welten des Kuipergürtels zu erreichen.
Großes Unbekanntes
Ein weiteres Papier, das von drei Mitgliedern des New Horizons-Teams verfasst wurde, untersucht die Möglichkeit, nach einem erfolgreichen Sondenspaziergang nach Pluto zum Kuipergürtel zurückzukehren. "Wir haben gesehen, wie interessant es war, und wollten wissen, was es sonst noch gibt", sagt Tiffany Finley, Chefingenieurin am Southwest Research Institute (SWRI) und Co-Autorin eines Artikels, der im Journal of Spacecraft and Rockets veröffentlicht wurde.
Der Kuipergürtel enthält Eisreste aus der Entstehung des Sonnensystems, und Objekte darin enthalten eine Vielzahl verschiedener Materialien. Pluto zum Beispiel ist etwas größer als Eris. Aber Pluto besteht aus Eis, hat also weniger Masse. Eris besteht größtenteils aus Steinen, ist also dichter. Einige Welten scheinen aus Methan zu bestehen, während andere viel Ammoniak enthalten. Irgendwo im Hinterhof unseres Sonnensystems gibt es viele Zwergplaneten und kleine Welten, die wichtige Punkte für unser Verständnis der Entstehung von Planeten enthalten - und ob andere Planetensysteme wie unsere sein könnten.
Die Wissenschaftler verwendeten enge Einschränkungen: Sie beschränkten die Mission auf 25 Jahre und betrachteten 45 der hellsten Objekte des Kuipergürtels und verglichen sie mit verschiedenen Szenarien des planetaren Vorbeiflugs. Überraschenderweise hat Jupiter die meisten Ziele auf der Liste entdeckt. Aber Jupiters Fenster öffnet sich alle 12 Jahre, was Jupiters Missionen zeitabhängig macht. Ein einfacher Vorbeiflug an Saturn bietet eine ziemlich gute Liste von Kuipergürtelzielen.
Aber wenn Sie diese Welten mit Uranus oder Neptun kombinieren, haben Sie die Möglichkeit, auf einen Schlag neue Fakten über unsere mysteriösen, am weitesten entfernten Planeten und sogar einige Zwergplaneten zu entdecken.
Der Schleudereffekt wird dazu beitragen, diese Welten zuerst vom Jupiter und dann von einem anderen Planeten aus zu erreichen. Jeder dieser Planeten richtet sich in den 2030er Jahren in einem engen Fenster nach Jupiter aus und passt genau in verschiedene Teile dieses Jahrzehnts. Um beispielsweise mit Neptun zur Liste der Welten auf dem Weg zu gelangen, müssen Sie Anfang der 2030er Jahre zum Jupiter gelangen, und um über Uranus zum Kuipergürtel zu gelangen, muss Mitte der 2030er Jahre gestartet werden. Jupiter und Saturn richten sich rechtzeitig für eine Schleuder in den Kuipergürtel Ende der 2030er Jahre aus.
Die Liste der Ziele bietet viele interessante Möglichkeiten. Varuna, eine längliche Welt, die aufgrund ihrer schnellen Rotationsrate diese Form angenommen hat, eignet sich perfekt zum Fliegen um Jupiter-Uranus. Neptun gibt, wie bereits erwähnt, einen Einblick in Eris. Die Mission durch Jupiter-Saturn ermöglicht die Beobachtung von Sedna, einem großen Zwergplaneten mit einer Umlaufbahn, die den Weg zu einem noch unentdeckten Planeten zehn weisen könnte. Mit Jupiter-Saturn können Sie auf einem der interessantesten Zwergplaneten Halt machen: Haumea.
Wie Varuna ist Haumea eiförmig, während die meisten großen Zwergplaneten im Kuipergürtel normalerweise rund sind. Aber Haumea bekam diese Form durch eine uralte Kollision, die ihr zwei Monde, ein Ringsystem und einen Schwanz aus Trümmern gab. Wenn Asteroiden eine ähnliche Zusammensetzung haben, werden sie als "Kollisionsfamilie" bezeichnet. Haumea produzierte die einzige bekannte Familie von Kollisionen im Kuipergürtel.
Was auch immer wir wählen, wir werden nicht viel Zeit haben. Wenn wir also die Ringe von Haumea oder sogar das rote, fremde Licht von Sedna sehen wollen, muss die Arbeit so schnell wie möglich beginnen. Diese Welten sind so klein, dass es nur einen Weg gibt, ihre Geheimnisse herauszufinden: zu ihnen zu gelangen.
Ilya Khel
