Om drygt ett år kommer ett nytt decennium att börja, och med det kommer en helt ny ström av idéer för NASA-uppdrag att öppnas, några närmare - som Mars, några längre bort. Några väldigt avlägsna. Vissa människor förväntar sig att eraen med robotresor till världar som inte bara är miljoner - miljarder kilometer från oss kommer att öppna för oss. Dessa inkluderar Uranus och Neptune (planeterna vi besökte 1986 respektive 1989), samt hundratals iskroppar utanför regionen känd som Kuiper-bältet.
Kuiper Belt är hem för Pluto och tusentals andra världar av olika storlekar. De flesta kroppar där består av byggstenarna i vårt solsystem, för länge sedan eskorterade till avlägsna isiga regioner. Ett besök i Kuiper Belt kan ge oss ledtrådar till frågor om hur vår planet och dess grannar bildades, varför det finns så mycket vatten och andra mysterier.
På solsystemets gränser
Uranus och Neptune har också många mysterier på egen hand. Ju mer vi lär oss om planetsystem, desto oftare ser vi att de flesta världar inte är lika stora som Jupiter och inte så små som Jorden. Många av dem tenderar att likna storleken på Uranus och Neptune, "isjättar" som har fått sitt namn efter det exotiska tillståndet av vattenis som ligger djupt under molnskikten. Att studera Uranus och Neptune hjälper oss inte bara förstå planeterna i vårt solsystem - det kommer att hjälpa oss att förstå planeterna som kretsar kring andra stjärnor.
Många av dessa uppdrag är tidsberoende. Den kommande Decadal Survey - NASAs "tioåriga undersökning" om när byrån skickar rymdskepp på 2020- och 2030-talet - kan skapa eller förstöra dessa långtgående planer för att utforska det yttre solsystemet.
Decadal Survey: Hur Decadal Survey kommer att utvecklas
Kampanjvideo:
Från och med 2020 kommer en grupp från National Academy of Sciences (med deltagande av flera intressenter från rymdsamhället) att samlas och utarbeta en lista över prioriterade forskningsmål. Forskare kommer att erbjuda sina alternativ i form av skriftliga rekommendationer som kallas "vitböcker" (läs: vitbok).
Från dessa rekommendationer kommer en allmän konsensus att uppstå om vilka prioriteringar som ska vara. Dessa mål fungerar som riktmärken för mellanklassuppdragen i kategorin New Frontiers (New Horizons och Juno var i denna kategori). NASA sammanställer först en lista över föreslagna uppdrag, och sedan minskar dem gradvis till en eller två finalister. När en finalist får grönt ljus kan teamet bakom dem börja planera och designa - och det tar år.
Allt detta kan göra det svårt att komma in i ett specifikt fönster genom vilket det kommer att vara möjligt att utforska Uranus eller Neptune, samt titta på ett objekt från Kuiper-bältet. Det är därför exakta diagram är riskabla.
Besöker isjätten
En av grupperna övervägde i synnerhet möjligheten till ett uppdrag att besöka Uranus och Neptun samtidigt. Den sista iterationen inkluderar en flyby av Uranus och ett kretslopp av Neptunus. Under ledning av Mark Hofstadter och Amy Simon planerar forskare att se en annan sida av Uranus än Voyager 2 som observerades 1986 och studera Neptunus och dess största måne, Triton. Triton roterar bakåt, vilket kan bero på det faktum att det en gång var det största objektet i Kuiper-bältet - innan Neptune drog Triton mot sig själv och kastade ut många av sina ursprungliga satelliter.
Simon säger att dessa uppdrag bör distribueras under 15 år, inklusive resor och forskningstid. Detta beror på hur länge enskilda delar av fordonet kan överleva i rymden med relativ säkerhet. Medan ett rymdskepp kan leva längre är 15 år det minsta, under vilket man kan vara säker på att uppdraget kommer att fullgöra sina vetenskapliga uppgifter till fullo. Men hur kan man se till att resan inte slösar bort för många resurser i den nuvarande forskningsfasen? Ett sätt att påskynda ett rymdskepp är att använda planetens gravitationskraft för att accelerera.
"För att komma dit på mindre än 12 år flyger de vanligtvis runt planeter, inklusive jorden och Venus," säger Simon. I sådana scenarier kastar du dig ner i planetens tyngdkraftsbrunn och hoppas på en slangbotteneffekt som påskyndar ditt farkost och sparar så mycket bränsle som möjligt. Jupiter används också av de bästa alternativen, eftersom den är den mest massiva och kan påskynda rymdskeppet kraftigt.
New Horizons, till exempel, använde Jupiters hjälp för att nå Pluto. Cassini använde fyra separata överflygningar för att accelerera med Saturn efter lanseringen från jorden, få acceleration från Venus två gånger, återvända till jorden och slutligen det sista hoppet från Jupiter.
Simon säger att för att komma till Uranus på ett snävt schema kan en flyby av Saturn användas - till exempel genom ett fönster mellan 2024 och 2028, för att fånga gasjätten på rätt plats i sin 29-åriga bana. Ett sådant uppdrag kommer att kräva snabbtänkande enligt NASA-standarder - vanligtvis planeras uppdrag tio år före lansering, sedan planeras, designas och lanseras inom fem år - så du måste lita på nästa fönster, en Jupiter-flyby mellan 2029 och 2032, följt av en utgång till Neptune. Nästa chans kommer att dyka upp tidigare än tio år.
Ett uppdrag till Uranus kan använda traditionella drivmedel och motorer för att komma till accelerationspunkterna snabbare - vare sig det är en Atlas V-raket eller en Delta IV Heavy raket. Men eftersom Neptune är så långt borta och den exakta banan inte stämmer så perfekt som vi skulle vilja, kommer uppdraget till denna planet att förlita sig på rymdstartsystemet, NASA: s nästa generations raketer med ökad nyttolast (och den har inte ens flytt ännu). Om den inte är klar i tid måste vi förlita oss på en annan nästa generations teknik: solenergi framdrivning, som utnyttjar solenergi för att antända joniserad gas för att påskynda fordonet. Fram till nu har den endast använts på rymdskeppet Dawn på uppdrag till West och Ceres och på två uppdrag till små asteroider.
"Även när det gäller solenergi behövs fortfarande kemiska motorer i fall solenergi blir ineffektiv och för bromsning i omloppsbana," säger Simon.
Således är schemat ganska tätt. Men om vi rör oss mer aktivt, kan båda dessa uppdrag tjäna ett annat syfte: att nå Kuiper-bältets outforskade världar.
Stor okänd
Ett annat papper, skrivet av tre medlemmar av New Horizons-teamet, undersöker möjligheten att återvända till Kuiper-bältet efter en framgångsrik sondapresa till Pluto. "Vi såg hur intressant det var och ville veta vad mer som fanns där ute," säger Tiffany Finley, chefsingenjör vid Southwest Research Institute (SWRI) och medförfattare till en artikel publicerad i Journal of Spacecraft and Rockets.
Kuiper Belt innehåller isrester från bildandet av solsystemet, och föremål i det inkluderar en enorm mängd olika material. Pluto är till exempel något större än Eris. Men Pluto är gjord av is, så den har mindre massa. Eris består av stenar för det mesta, så det är mer tätt. Vissa världar verkar vara sammansatta av metan, medan andra innehåller mycket ammoniak. Någonstans i trädgården i vårt solsystem finns det många dvärgplaneter och små världar som innehar nyckelpunkter för vår förståelse för hur planeter skapas - och om andra planetariska system kan vara som våra.
Forskare använde smala begränsningar: de begränsade uppdraget till 25 år och tittade på 45 av de ljusaste Kuiper-bälteobjekten och jämför dem med hänsyn till olika scenarier av planetarisk flyby. Jupiter har förvånansvärt upptäckt de flesta av målen på listan. Men Jupiters fönster öppnas en gång vart tolv år, vilket gör Jupiters uppdrag tidsberoende. En enkel flyby av Saturnus ger en ganska bra lista över Kuiper-bälten.
Men när du kopplar ihop dessa världar med Uranus eller Neptune, får du chansen att upptäcka nya fakta om våra mystiska, mest avlägsna planeter och till och med några dvärgplaneter i ett fall.
Effekten på slangbotten hjälper till att nå dessa världar, först från Jupiter och sedan från en annan planet. Var och en av dessa planeter är i linje med Jupiter i ett smalt fönster på 2030-talet och passar fint i olika delar av det decenniet. Till exempel, för att komma till listan över världar på vägen med Neptune, måste du komma till Jupiter i början av 2030-talet, och att komma till Kuiper-bältet via Uranus kräver en lansering i mitten av 2030-talet. Jupiter och Saturn anpassar sig i tid för en slangbult i Kuiper-bältet i slutet av 2030-talet.
Listan över mål erbjuder många intressanta möjligheter. Varuna, en långsträckt värld som har fått denna form på grund av sin snabba rotationshastighet, är perfekt för att flyga runt Jupiter-Uranus. Som redan nämnts ger Neptune ett glimt av Eris. Uppdraget genom Jupiter-Saturnus kommer att möjliggöra observation av Sedna, en stor dvärgplanet med en bana som kan peka vägen till en ännu oupptäckt planet tio. Jupiter-Saturnus låter dig stanna vid en av de mest intressanta dvärgplaneterna: Haumea.
Liksom Varuna är Haumea äggformat, medan de flesta av de stora dvärgplaneterna i Kuiper-bältet vanligtvis är runda. Men Haumea fick denna form från en gammal kollision som gav henne två månar, ett ringsystem och en svans av skräp. När asteroider har en liknande sammansättning kallas de "kollisionsfamiljen." Haumea producerade den enda kända familjen kollisioner i Kuiper-bältet.
Vad vi än väljer kommer vi inte ha mycket tid. Därför, om vi vill se ringarna i Haumea eller till och med det röda, främmande ljuset från Sedna, måste arbetet börja så snart som möjligt. Dessa världar är så små att det bara finns ett sätt att ta reda på deras hemligheter: att komma till dem.
Ilya Khel
