Можем ли мы отправить станцию к Урану или Нептуну?

В том месте Солнечной системы, где находимся мы, изучение далекой Вселенной при помощи мощных наземных и космических обсерваторий обеспечило нас данными и знаниями, о которых мы и не мечтали. Но у нас по-прежнему нет никакой возможности самостоятельно отправиться куда-нибудь дальше Марса, об этом нам рассказали миссии на другие планеты. Несмотря на все ресурсы, которые мы отдали планетарной науке, мы отправили только одну миссию на Уран и Нептун: «Вояджер-2», который просто пролетел мимо планет. Каковы наши перспективы на орбитальные миссии в эти внешние миры?

Существует окно, в которое на Уран или Нептун можно отправить космический аппарат, используя Юпитер для гравитационного разгона. Что нужно сделать, чтобы аппарат достаточно замедлился после такого маневра и вышел на орбиту «ледяных гигантов»?

Уран и Нептун: как их исследовать?

Солнечная система — сложное, но, к счастью, привычное для нас место. Лучший способ добраться до внешней Солнечной системы — то есть до любой планеты за Юпитером — это использовать Юпитер в помощь. В физике, когда вы берете небольшой объект (например, космический аппарат), который пролетает рядом с массивным и неподвижным объектом (вроде звезды или планеты), гравитационная сила может существенно изменить его скорость.

Но если есть третий объект с гравитационной значимостью в этом уравнении, все немного меняется, и это особенно важно для достижения внешних пределов Солнечной системы. Космический аппарат, пролетающий рядом с планетой, привязанной к Солнцу, может набрать или потерять скорость за счет отъема импульса у системы планета-Солнце. Массивной планете все равно, но космический аппарат может получить разгон или замедление в зависимости от его траектории.

Такого рода маневр с гравитационной поддержкой был необходим для запуска «Вояджеров» за пределы Солнечной системы, а совсем недавно — для запуска «Новых горизонтов» к Плутону. Несмотря на то, что Уран и Нептун имеют поразительно длинные орбитальные периоды в 84 и 165 лет, соответственно, окна миссий для возвращения к ним повторяются каждые 12 лет или около того: каждый раз, когда Юпитер завершает орбиту.

Космический аппарат, запущенный с Земли, как правило, облетает несколько внутренних планет несколько раз в рамках подготовки к гравитационному маневру с Юпитером. Космический аппарат, облетающий планету, может использовать «гравитационную рогатку» — чтобы планета разогнала его. Если бы мы захотели запустить миссию на Нептун сегодня, выравнивание планет позволит нам это сделать. С Ураном, который ближе, это было бы еще проще сделать.

Десять лет назад была предложена миссия «Арго»: облететь Юпитер, Сатурн, Нептун и объекты пояса Койпера с окном запуска с 2015 по 2019 годы. Но миссии облета — это просто, потому что вам не нужно замедлять аппарат. Закинуть его на орбиту другого мира куда сложнее, но и интереснее.
 

Вместо одного прохода, орбитальный аппарат позволит вам многократно изучить мир в течение длительных периодов времени. Вы сможете наблюдать изменения в атмосфере мира своими глазами и постоянно исследовать его в широком диапазоне длин волн, невидимых для человеческого глаза. Вы можете найти новые луны, новые кольца и новые явления, которых не ожидали найти. Можете даже отправить посадочный модуль или зонд на планету или одну из ее лун. Все это и многое другое уже происходило вокруг Сатурна с недавно завершенной миссией «Кассини».

«Кассини» не только изучила физические и атмосферные свойства Сатурна, хотя эта часть работы была проделана с блеском. Она не только засняла и изучила кольца, хотя и с этим справилась. Что более любопытно, так это то, что мы наблюдали изменения и переходные события, которых никогда бы не предсказали. Сатурн показал смены времен года, которые соответствовали химическим и цветовым изменениям у его полюсов. Колоссальный шторм проявился на Сатурне, окружив планету и продержавшись много месяцев. Было обнаружено, что кольца Сатурна имеют ярко выраженные вертикальные структуры и меняются со временем; они динамические, а не статические — отличная лаборатория для исследований формирования планет и лун. Имея эти данные, мы решили старые проблемы и открыли новые загадки о спутниках планеты Япет, Титан, Энцелад и других.

Нет никаких сомнений в том, что мы захотим проделать то же самое с Ураном и Нептуном. По Урану и Нептуну предлагалось много миссий, из которых многие прошли процесс заявки, но ни одну из них так и не начали планировать. NASA, ESA, JPL и Великобритания предлагали орбитальные устройства по Урану, из которых все в разработке, но никто не знает, что с ними будет в будущем.

До сих пор мы изучали эти миры издалека. Но есть огромная надежда на то, что будущая миссия спустя много лет все-таки состоится, когда окно запуска для достижения обоих миров будет открыто. В 2034 году концептуальная миссия ODINUS должна будет отправить аппараты-близнецы на Уран и Нептун одновременно. Сама миссия станет интересным совместным предприятием NASA и ESA.

Одной из основных флагманских миссий, предложенных планетологам NASA в 2011 году, были зонд и орбитальный аппарат на Уране. Эта миссия получила третий приоритет после миссии Mars 2020 и Europa Clipper. Эти сдвоенные аппараты должны были бы отправляться в 2020-х годах в окно в 21 день, которое есть каждый год: когда Земля, Юпитер и Уран занимают оптимальные позиции. Орбитальный аппарат взял бы три отдельных инструмента, предназначенных для визуализации и измерения различных свойств Урана, его колец и спутников. Уран и Нептун должны обладать огромными жидкими океанами под атмосферой, и орбитальный аппарат должен бы наверняка это обнаружить. Атмосферный зонд будет измерять облачные молекулы, распределение тепла и изменение скорости ветра с глубиной.

Предложенная Европейским космическим агентством программа ODINUS идет еще дальше: расширяет эту концепцию на два двойных орбитальных устройства, которые отправятся на Нептун и Уран. Окно запуска в 2034 году, когда Земля, Юпитер, Уран и Нептун выровняются соответственным образом, позволит запустить их одновременно.

Миссии облета отлично подходят для первых встреч, потому что вы можете многое узнать о мире, изучив его с близкого расстояния. Также они отлично достигают нескольких целей, в то время как орбитальные аппараты застревают в любом мире, орбиту которого выбирают. Наконец, орбитальные аппараты должны иметь на борту топливо для выполнения маневров, замедления и выхода на стабильную орбиту, что делает миссию намного дороже. Но наука, которую вы получаете от долговременного пребывания на планете, более чем компенсирует это.

Существующие ограничения такой миссии не связаны с техническими достижениями; технологии, чтобы осуществить ее сегодня, уже существуют. Сложности вот в чем:

Дело в том, что радиоактивные источники для зондов дальнего следования (вроде «Вояджера») питаются плутонием-238 — изотопом, который создается при обработке ядерных материалов. Большая часть плутония-238 была создана во времена активной ядерной гонки. Он нужен для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), которые используются в космических зондах.

Однако с 1988 года производство плутония-238 прекратилось, а запасы исчерпались.

Чем быстрее вы двигаетесь при встрече с планетой, тем больше топлива нужно сжечь аппарату, чтобы замедлиться и остаться на орбите тела. В случае с Плутоном, шансов не было: «Новые горизонты» был слишком маленьким аппаратом и обладал слишком большой скоростью, плюс масса Плутона была слишком низкой, чтобы можно было за нее зацепиться. Но в случае с Нептуном и Ураном, если мы выберем удачный путь разгона от Юпитера и, возможно, Сатурна, это может быть осуществимо. Если мы хотим отправиться только на Уран, можно вылетать в любой год в 2020-х. Если же мы хотим посетить об планеты, наш год — 2034. Уран и Нептун могут быть похожи издалека, но вблизи они могут оказаться такими же разными, как Земля и Венера. Есть только один способ узнать.