La Voyager 2 pasó junto a Urano (R) y Neptuno (L) y reveló las propiedades, colores, atmósferas y sistemas de anillos de ambos mundos. Ambos tienen anillos, muchas lunas interesantes y fenómenos atmosféricos y de superficie que solo estamos esperando para investigar. (NASA / VOYAGER 2)

Pregúntele a Ethan: ¿podemos enviar una misión tipo Cassini a Urano o Neptuno?

La nave espacial Cassini de la NASA nos enseñó más de lo que imaginamos sobre Saturno. ¿Podríamos hacer algo similar para Urano y Neptuno?

Desde donde estamos en el Sistema Solar, mirar el Universo distante con nuestros poderosos observatorios terrestres y espaciales nos ha dado puntos de vista y conocimiento que muchos de nosotros nunca pensamos que podríamos lograr. Pero todavía no hay sustituto para viajar a un lugar distante, como nos han enseñado misiones dedicadas a muchos de los planetas. A pesar de todos los recursos que hemos dedicado a la ciencia planetaria, solo hemos enviado una misión a Urano y Neptuno: Voyager 2, que solo pasó volando. ¿Cuáles son nuestras perspectivas para una misión orbital en esos mundos exteriores? Eso es lo que nuestro partidario de Patreon, Erik Jensen, quiere saber, cuando pregunta:

Hay una ventana que se acerca cuando la nave espacial podría enviarse a Urano o Neptuno usando Júpiter para un impulso gravitacional. ¿Cuáles son las limitaciones para usar esto, pero poder reducir la velocidad lo suficiente para entrar en órbita alrededor de los "gigantes de hielo"?

Vamos a ver.

Si bien una inspección visual muestra una gran brecha entre los mundos del tamaño de la Tierra y del tamaño de Neptuno, la realidad es que solo puede ser un 25% más grande que la Tierra y aún ser rocoso. Algo más grande, y eres más un gigante gaseoso. Mientras que Júpiter y Saturno tienen enormes envolturas de gas, que comprenden aproximadamente el 85% de esos planetas, Neptuno y Urano son muy diferentes, y deberían tener grandes océanos líquidos debajo de sus atmósferas. (INSTITUTO LUNAR Y PLANETARIO)

El Sistema Solar es un lugar complicado, pero afortunadamente regular. La mejor manera de llegar al Sistema Solar exterior, es decir, cualquier planeta más allá de Júpiter, es usar Júpiter para ayudarlo a llegar allí. En física, siempre que tenga un objeto pequeño (como una nave espacial) volando por uno masivo y estacionario (como una estrella o un planeta), la fuerza gravitacional puede cambiar su velocidad tremendamente, pero su velocidad debe permanecer igual.

Pero si hay un tercer objeto que es gravitacionalmente importante, esa historia cambia ligeramente, y de una manera que es particularmente relevante para alcanzar el Sistema Solar exterior. Una nave espacial que vuela, por ejemplo, un planeta que está unido al Sol, puede ganar o perder velocidad al robar o ceder el impulso al sistema planeta / Sol. Al planeta masivo no le importa, pero la nave espacial puede recibir un impulso (o una desaceleración) dependiendo de su trayectoria.

Un tirachinas gravitacional, como se muestra aquí, es cómo una nave espacial puede aumentar su velocidad a través de una asistencia de gravedad. (WIKIMEDIA COMUNICA AL USUARIO ZEIMUSU)

Este tipo de maniobra se conoce como asistencia por gravedad, y fue esencial para que tanto la Voyager 1 como la Voyager 2 salieran del Sistema Solar y, más recientemente, para que Plutón volara con New Horizons. A pesar de que Urano y Neptuno tienen períodos orbitales espectacularmente largos de 84 y 165 años, respectivamente, las ventanas de misión para llegar a ellos se repiten cada 12 años más o menos: cada vez que Júpiter completa una órbita.

Una nave espacial lanzada desde la Tierra por lo general vuela por algunos de los planetas internos varias veces en preparación para la asistencia de gravedad de Júpiter. Una nave espacial que vuela por un planeta puede ser proverbialmente lanzada por la honda (la honda gravitacional es una palabra para una ayuda de gravedad que la impulsa) a mayores velocidades y energías. Si quisiéramos, las alineaciones son correctas para que podamos lanzar una misión a Neptuno hoy. Urano, al estar más cerca, es aún más fácil de alcanzar.

La ruta de vuelo de la NASA para la sonda Messenger, que terminó en una órbita estable y exitosa alrededor de Mercurio después de una serie de asistencias de gravedad. La historia es similar si quieres ir al Sistema Solar exterior, excepto que usas la gravedad para aumentar tu velocidad heliocéntrica, en lugar de restarla. (NASA / JHUAPL)

Hace una década, se propuso la misión Argo: sobrevolaría los objetos del cinturón de Júpiter, Saturno, Neptuno y Kuiper, con una ventana de lanzamiento que durará de 2015 a 2019. Pero las misiones de sobrevuelo son fáciles, porque no tienes para frenar la nave espacial. Insertarlo en órbita alrededor de un mundo es más difícil, pero también es mucho más gratificante.

En lugar de un solo pase, un orbitador puede brindarle cobertura en todo el mundo, varias veces, durante largos períodos de tiempo. Puede ver cambios en la atmósfera de un mundo y examinarlos continuamente en una amplia variedad de longitudes de onda invisibles para el ojo humano. Puedes encontrar nuevas lunas, nuevos anillos y nuevos fenómenos que nunca esperabas. Incluso puede enviar un módulo de aterrizaje o sonda al planeta o una de sus lunas. Todo eso y más ya sucedió alrededor de Saturno con la misión Cassini recientemente completada.

Una imagen de 2012 (L) y 2016 (R) del polo norte de Saturno, ambas tomadas con la cámara gran angular Cassini. La diferencia en el color se debe a los cambios en la composición química de la atmósfera de Saturno, como lo inducen los cambios fotoquímicos directos. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUTO DE CIENCIA ESPACIAL)

Cassini no solo aprendió sobre las propiedades físicas y atmosféricas de Saturno, aunque lo hizo espectacularmente. No solo imaginó y aprendió sobre los anillos, aunque también lo hizo. Lo más increíble es que observamos cambios y eventos transitorios que nunca hubiéramos predicho. Saturno exhibió cambios estacionales, que correspondieron a cambios químicos y de color alrededor de sus polos. Una tormenta colosal se desarrolló en Saturno, rodeando el planeta y durando muchos meses. Se descubrió que los anillos de Saturno tienen estructuras verticales intensas y cambian con el tiempo; son dinámicos y no estáticos, y proporcionan un laboratorio para enseñarnos sobre la formación de planetas y lunas. Y, con sus datos, resolvimos viejos problemas y descubrimos nuevos misterios sobre sus lunas Iapetus, Titán y Encelado, entre otros.

Durante un período de 8 meses, la tormenta más grande del Sistema Solar se desencadenó, rodeando todo el mundo gigante de gas y capaz de acomodar hasta 10 a 12 Tierras en el interior. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUTO DE CIENCIA ESPACIAL)

Hay pocas dudas de que queremos hacer lo mismo con Urano y Neptuno. Se han propuesto muchas misiones en órbita a Urano y Neptuno y han llegado bastante lejos en el proceso de envío de la misión, pero en realidad ninguna ha sido programada para ser construida o volar. La NASA, la ESA, el JPL y el Reino Unido han propuesto orbitadores de Urano que aún están en funcionamiento, pero nadie sabe lo que depara el futuro.

Hasta ahora, solo hemos estudiado estos mundos desde lejos. Pero hay una tremenda esperanza para una misión futura dentro de muchos años, cuando las ventanas de lanzamiento para alcanzar ambos mundos se alineen a la vez. En 2034, la misión conceptual ODINUS enviaría orbitadores gemelos a Urano y Neptuno simultáneamente. La misión en sí sería una empresa conjunta espectacular entre la NASA y la ESA.

Los dos últimos anillos (exteriores) de Urano, según lo descubierto por Hubble. Descubrimos tanta estructura en los anillos internos de Urano del vuelo del Voyager 2, pero un orbitador podría mostrarnos aún más. (NASA, ESA Y M. SHOWALTER (INSTITUTO SETI))

Una de las principales misiones de clase emblemática propuestas para el estudio de la década de la ciencia planetaria de la NASA en 2011 fue una sonda y orbitador de Urano. Esta misión fue clasificada como tercera prioridad, detrás del rover Mars 2020 y el orbitador Europa Clipper. Una sonda y orbitador de Urano podría lanzarse durante la década de 2020 con una ventana de 21 días cada año: cuando la Tierra, Júpiter y Urano alcanzaron las posiciones óptimas. El orbitador tendría tres instrumentos separados diseñados para representar y medir diversas propiedades de Urano, sus anillos y sus lunas. Urano y Neptuno deberían tener enormes océanos líquidos debajo de sus atmósferas, y un orbitador debería poder descubrirlo con seguridad. La sonda atmosférica mediría moléculas formadoras de nubes, distribución de calor y cómo la velocidad del viento cambia con la profundidad.

La misión ODINUS, propuesta por la ESA como una empresa conjunta con la NASA, exploraría tanto a Neptuno como a Urano con un conjunto gemelo de orbitadores. (EQUIPO ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Propuesto por el programa de Visión Cósmica de la ESA, los orígenes, la dinámica y los interiores de la misión de los Sistemas Neptuniano y Urano (ODINUS) va aún más lejos: expandir este concepto a dos orbitadores gemelos, lo que enviaría uno a Neptuno y otro a Urano. Una ventana de lanzamiento en 2034, donde la Tierra, Júpiter, Urano y Neptuno se alinean correctamente, podría enviarlos a ambos simultáneamente.

Las misiones de sobrevuelo son excelentes para los primeros encuentros, ya que puedes aprender mucho sobre un mundo al verlo de cerca. También son excelentes porque pueden alcanzar múltiples objetivos, mientras que los orbitadores están atrapados en cualquier mundo que elijan orbitar. Finalmente, los orbitadores deben traer combustible a bordo para realizar quemaduras, reducir la velocidad e ingresar a una órbita estable, lo que hace que la misión sea mucho más costosa. Pero yo diría que la ciencia que obtienes de permanecer a largo plazo alrededor de un planeta lo compensa con creces.

Cuando orbitas un mundo, puedes verlo desde todos los lados, así como sus anillos, sus lunas y cómo se comportan con el tiempo. Gracias a Cassini, por ejemplo, descubrimos la existencia de un nuevo anillo que se origina en el asteroide capturado Phoebe, y su papel en oscurecer solo la mitad de la misteriosa luna Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVADO DE LAS IMÁGENES DE NASA / CASSINI)

Las limitaciones actuales en una misión como esta no provienen de logros técnicos; La tecnología existe para hacerlo hoy. Las dificultades son:

  • Política: porque el presupuesto de la NASA es limitado y limitado, y sus recursos deben servir a toda la comunidad,
  • Físico: porque incluso con el nuevo vehículo pesado de la NASA, la versión sin tripulación del SLS, solo podemos enviar una cantidad limitada de masa al sistema solar exterior, y
  • Práctico: porque a estas increíbles distancias del Sol, los paneles solares no funcionarán. Necesitamos fuentes radiactivas para alimentar una nave espacial tan distante, y es posible que no tengamos suficiente para hacer el trabajo.

Ese último, incluso si todo lo demás se alinea, podría ser el factor decisivo.

Una bolita de óxido de plutonio-238 brillando por su propio calor. También producido como un subproducto de las reacciones nucleares, Pu-238 es el radionúclido utilizado para impulsar vehículos del espacio profundo, desde el Mars Curiosity Rover hasta la nave espacial Voyager ultra distante. (DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE LOS ESTADOS UNIDOS)

El plutonio-238 es un isótopo creado en el procesamiento de material nuclear, y la mayoría de nuestras tiendas provienen de una época en la que estábamos creando y almacenando activamente armas nucleares. Su uso como generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) ha sido espectacular para misiones a la Luna, Marte, Júpiter, Saturno, Plutón y una serie de sondas espaciales profundas, incluidas las naves espaciales Pioneer y Voyager.

Pero dejamos de producirlo en 1988, y nuestras opciones para comprarlo en Rusia han disminuido ya que también han dejado de producirlo. Ha comenzado un esfuerzo reciente para fabricar el nuevo Pu-238 en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, produciendo alrededor de 2 onzas para fines de 2015. El desarrollo continuo allí, así como por Ontario Power Generation, podría crear lo suficiente para impulsar una misión en la década de 2030 .

Una unión de dos exposiciones de 591 s obtenidas a través del filtro transparente de la cámara gran angular de Voyager 2, que muestra el sistema de anillo completo de Neptuno con la mayor sensibilidad. Urano y Neptuno tienen muchas similitudes, pero una misión dedicada también podría detectar diferencias sin precedentes. (NASA / JPL)

Cuanto más rápido te muevas cuando te encuentres con un planeta, más combustible necesitas agregar a tu nave espacial para reducir la velocidad e insertarte en órbita. Para una misión a Plutón, no había posibilidad; New Horizons era demasiado pequeño y su velocidad era demasiado grande, además la masa de Plutón es bastante baja para intentar hacer una inserción orbital. Pero para Neptuno y Urano, particularmente si elegimos las ayudas de gravedad correctas de Júpiter y posiblemente Saturno, esto podría ser factible. Si queremos apostar solo por Urano, podríamos lanzar cualquier año durante la década de 2020. Pero si queremos ir por los dos, lo que hacemos, ¡2034 es el año que queda! Neptuno y Urano pueden parecerse a nosotros en términos de masa, temperatura y distancia, pero pueden ser realmente tan diferentes como la Tierra de Venus. Solo hay una forma de averiguarlo. Con un poco de suerte y mucha inversión y trabajo arduo, podremos averiguarlo dentro de nuestras vidas.

¡Envíe sus preguntas a Ask Ethan a beginwithabang en gmail dot com!

(Nota: ¡Gracias al partidario de Patreon, Erik Jensen, por preguntar!)

Starts With A Bang ahora está en Forbes y se volvió a publicar en Medium gracias a nuestros seguidores de Patreon. Ethan es autor de dos libros, Beyond The Galaxy, y Treknology: The Science of Star Trek desde Tricorders hasta Warp Drive.