Kina overvejer en atomdrevet mission til Neptun

Et kig på Planetary Decadal Survey for 2023-2032, og du vil se nogle dristige og banebrydende missionsforslag for det kommende årti. Eksempler inkluderer en Uranus orbiter og sonde (UOP), der ville studere Uranus' indre, atmosfære, magnetosfære, satellitter og ringe; og en Enceladus orbiter og overfladelander til at studere de aktive faner, der kommer fra Enceladus' sydlige polarområde. For ikke at blive overgået overvejer Kina også en atomdrevet Neptune Explorer for at udforske isgiganten, dens største måne (Triton) og dens andre satellitter og ringe.

Missionen var genstand for en undersøgelse udført af forskere fra China National Space Agency (CNSA), Chinese Academy of Sciences (CAS), China Atomic Energy Authority, China Academy of Space Technology og flere universiteter og institutter. Papiret, der beskriver deres resultater (publiceret i tidsskriftet SCIENTIA SINICA Technologica ) blev ledet af Guobin Yu, en forsker ved School of Astronautics ved Beihang University og Institut for Videnskab og Teknologi og Kvalitet ved CNSA.

Som de angiver i deres papir, er isgiganter som Neptun en potentiel skattekiste af videnskabelige opdagelser. Ud over sin fascinerende indre struktur (som inkluderer diamantregn!), menes Neptun at have spillet en vigtig rolle i dannelsen af ​​solsystemet. Kort sagt omfatter dens sammensætning store mængder gas, der var en del af den protostellare tåge, som vores system blev dannet af. Samtidig angiver dens position, hvor planeterne blev dannet (og siden migrerede til deres nuværende baner).

Der er også de vedvarende mysterier om Neptuns største måne Triton, som astronomer formoder er en planetoide slynget fra det ydre solsystem og fanget af Neptuns tyngdekraft. Ankomsten af ​​denne planetoid menes også at have forårsaget en rystelse med Neptuns naturlige satellitter, hvilket fik dem til at bryde op og smelte sammen og danne nye måner. Det er også teoretiseret, at Triton til sidst vil bryde op og danne en glorie omkring Neptun eller kollidere med den. Grundlæggende kunne undersøgelsen af ​​Neptun, dens satellitter og dens orbitale dynamik give svar på, hvordan solsystemet dannedes, udviklede sig, og hvordan livet begyndte.

På grund af vanskelighederne med at sende missioner til det dybe rum (som inkluderer opsendelsesvinduer, strømforsyning og kommunikation), har kun én mission besøgt Neptun. Dette var Voyager 2-sonden, som fløj forbi systemet i 1989 og opnåede det meste af det, vi nu ved om denne isgigant og dens system. Desuden pålagde karakteren af ​​Voyager 2's videnskabelige instrumenter visse begrænsninger for mængden af ​​data, den kunne erhverve. I de seneste år har NASA foreslået at sende en mission for at udforske Neptun og Triton (rumfartøjet Trident).

Denne mission blev dog ikke tildelt prioritet af Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 og blev forbigået for en Uranus Orbiter and Probe (UOP). Men i betragtning af det potentiale og de enorme forbedringer, der er blevet foretaget i rumfartøjsinstrumenter, siden Neptun sidst blev besøgt, anbefaler Yu og hans kolleger en anden mission til Neptun. (Bemærk:alle oplysninger og citater er oversat fra det originale papir, skrevet på mandarin).

Designovervejelser

Naturligvis forbliver de ovenfor nævnte udfordringer, som blev brugt til at informere om designet af rumfartøjet og dets missionsarkitektur. Når man ser på strømforsyningsproblemet, havde Yu og hans kolleger brug for en kilde, der sikkert og pålideligt kunne levere elektricitet i ikke mindre end femten år. De fastslog, at en radioisotop termoelektrisk generator (RTG) med en kapacitet på 10 kilowatt energi (kWe) ville være tilstrækkelig. Dette atombatteri, der ligner hvad Curiosity and Perseverance-roverne bruger, omdanner varmeenergi fra henfaldet af radioaktivt materiale til elektricitet. Som de skriver i deres papir:

"I betragtning af den tekniske modenhed af rumreaktorens strømforsyning af forskellige effektniveauer, strømkravene til detektorer og elektrisk fremdrift, løfteraktorens opsendelsesevne og finansieringen, udgangseffekten fra rumreaktorens strømforsyning til Neptun-udforskningen mission er bestemt til at være 10 kWe."

De anbefaler endvidere, at strømforsyningssystemet er baseret på et skema med brug af et varmerør, et sæt termoelektriske konverteringsenheder og et sæt køleplader som en enkelt strømproduktionsenhed. Flere strømgenereringsenheder, hvor varmeenergien omdannes til elektrisk energi, kan derefter tilsluttes parallelt for at levere strøm til rumfartøjet. Dette system, skriver de, vil være i stand til at forsyne missionen med "8 år med 10 kWe fuld effektdrift og 7 års 2 kWe laveffektdrift, som effektivt kan sikre systemets pålidelighed og sikkerhed under hele missionen."

Teamet identificerede også flere nøgleprocesser, der er afgørende for dette systems sikre og pålidelige drift. Blandt dem skal generatoren sikre kontinuerlig og kontrollerbar varmeproduktion fra nuklear fission, pålidelig varmeoverførsel i reaktoren, effektiv termoelektrisk konvertering og fjernelse af spildvarme. For at opnå dette kræver designet til deres reaktor uran-235-stænger, monolitiske uran-molybdæn-legeringer og stavformede keramiske elementer, der muliggør effektiv høj overførsel med en let, kompakt kerne.

Rumfartøjet ville også bære adskillige instrumenter til at studere planeten, dens system og objekter undervejs. Dette inkluderer en Neptun-atmosfærisk sonde (NAP) til at studere planetens indre og en Triton-penetrationssonde (TPP), der ville undersøge måneskorpen. Et supplement af mindre satellitter (CubeSats eller nanosatellitter) ville også blive indsat undervejs for at udforske en Main Belt-asteroide og en Centaur-asteroide.

Missionsprofil

Til at starte med udforskede holdet flere mulige metoder til at udforske Neptun (fjernmåling, forbiflyvninger, orbital observation, blød landing osv.). Fjernmåling og forbiflyvninger blev udelukket med det samme, fordi disse ikke ville give missionen mulighed for effektivt at måle Neptuns dybe sammensætning og indre struktur. "Kravene er høje, og opgavens omfang, tekniske sværhedsgrad og finansieringskrav er ekstremt store," fastslår de. "Baseret på de videnskabelige mål, det tekniske niveau og finansieringsskalaen er detektionsmetoden bestemt til at være polær kredsløbsdetektion."

En anden overvejelse var, at givet de involverede afstande (i gennemsnit 30 AU'er fra solen) og bæreevnen af ​​en mission til det dybe rum, bør sondens flyvehastighed øges så meget som muligt i den tidlige fase. De konkluderede endvidere, at den bedste måde at gøre dette på (og decelerere for at opnå et kredsløb omkring Neptun) var at udføre en opsendelse omkring 2030, hvilket ville give mulighed for en tyngdekraftsassistance med Jupiter og en ankomstdato til 2036. Andre opsendelsesmuligheder omfatter 2028, 2031 og 2034, men alle fly skal ankomme til Neptun før 2040.

Efter at have gennemført et par kredsløb ville rumfartøjet frigive en række små satellitter og to sonder for at udforske henholdsvis Neptuns atmosfære og Tritons overflade.

Videnskabelige mål

Ifølge Yu og hans kolleger er der fire store videnskabelige mål, som en Neptune Explorer bør undersøge. Disse omfatter Neptuns indre struktur og sammensætning, dens magnetosfære og ionosfære, dens måner og ringe og dens populationer af trojanske heste og kentaurer (små asteroidefamilier, der deler dens kredsløb). Med hensyn til dens struktur/sammensætning håber astronomer at kaste lys over Neptuns mærkelige termiske egenskaber, som menes at være resultatet af dens "vejrmønstre". Som de skriver:

"Neptuns interne varmekilder (tyngdekraftskollaps, tidevandskraft, isotophenfaldsvarme osv.) anses for at være en af ​​de vigtige kilder til at opretholde overfladetemperaturen på Neptun. Der er en afvigelse mellem det beregnede infrarøde detektionsresultat på 57K og det faktiske resultat 47K, så den infrarøde strålingsmåling i et bredere frekvensbånd er nyttig til at forstå driftsmekanismen for varmeafgivelseshastigheden inde i Neptun."

At undersøge Neptuns indre ville også forklare, hvorfor planeten er meget mindre end Saturn, men har mere end dobbelt så stor den gennemsnitlige massetæthed. At vide mere om Neptuns atmosfæriske sammensætning vil også afsløre, hvordan den adskiller sig fra Uranus atmosfære (tilsvarende blå, men lysere). Denne forskning vil også afsløre ny information om sammensætningen af ​​de protostellare skyer, hvorfra iskæmpen dannedes, og dannelsen af ​​solsystemet i forlængelse heraf.

Studiet af Neptuns magnetosfære og ionosfære kunne hjælpe med at løse mysteriet om Neptuns magnetiske vs. rotationsakse. Ligesom Uranus er Neptuns magnetiske akse kraftigt skråtstillet i forhold til dens rotationsakse (47°) og forskudt med 0,55 radier (13.500 km; 8388,5 mi) fra planetens centrum. Før Voyager 2's forbiflyvning, blev dette antaget at være resultatet af Neptuns sidelæns rotation, men menes nu at skyldes en dynamo-effekt i det indre. Andre mål omfatter årsagen til planetens kraftige orkaner og årsagen til dannelsen og den langsigtede tilstedeværelse af Neptuns store mørke plet.

Hvad angår Neptuns måner og ringe, omfatter potentialet for videnskabelige opdagelser den retrograde kredsløb, revolution og dynamiske migration af Triton (Neptuns største måne). Det faktum, at Triton kredser i den modsatte retning af Neptuns rotation, er et af hovedargumenterne for, hvordan Triton kunne være en dværgplanet, der blev dannet i Kuiperbæltet – det andet er dens sammensætning, som ligner Pluto. Ifølge denne teori blev Triton slynget ud af Kuiperbæltet og fanget af Neptuns tyngdekraft, hvilket forårsagede opløsningen af ​​Neptuns eksisterende satellitter og dannelsen af ​​nye, mindre.

I det væsentlige kunne studier af Tritons orbitale dynamik kaste lys over det tidlige solsystems historie, hvor udstødte objekter og planetoider stadig satte sig ned i deres nuværende baner. Dette kunne suppleres med en sammenlignende analyse af 2014 MU69 (alias Arrakoth), den KBO, som New Horizons-sonden undersøgte under sin tætte forbiflyvning i juli 2015, og andre KBO'er for at lære mere om Tritons oprindelse.

Der er også Tritons kryovulkaniske aktivitet, som er et resultat af tidevandsbøjning i dets indre forårsaget af Neptuns tyngdekraft. Denne aktivitet øges dog, når Triton er tættest på solen (perihelium), hvilket resulterer i større udbrud fra det indre. Dette vil efterlade højere koncentrationer af nitrogen og andre gasser i månens spinkle atmosfære, som kunne studeres for at lære mere om dens indre sammensætning og struktur. Hvad angår ringene, noterede holdet flere mål der:

"Opret en komplet liste over planetringe og deres indre Shepherd-satellitter, undersøg karakteristika, dannelsesmekanisme, materialeudveksling og gastransport af planetringe af forskellige kredsløbstyper, analyser oprindelsen af ​​forskellige himmellegemer og påvis eventuelt organisk stof... flere planetringe af Neptun er ikke ensartet fordelt i længdegrad. I stedet præsenterer den en buebloklignende diskret struktur. Hvorfor disse bueblokstrukturer kan eksistere, og om de eksisterer stabilt uden at sprede sig ud, er alle interessante dynamiske problemer."

Kinas rumagentur har foretaget nogle ret imponerende tiltag i de seneste år, der illustrerer, hvordan nationen er blevet en stormagt i rummet. Disse omfatter udviklingen af ​​tunge opsendelsesraketter som Long March 9, indsættelsen af ​​rumstationer (Tiangong-programmet) og deres succes med Chang'e- og Tianwen-programmerne, der har sendt robotudforskere til månen og Mars. En mission som denne, der ville flyve til det ydre solsystem og en af ​​de mindst undersøgte kroppe, viser, hvordan Kina håber at udvide sit rumprogram i de kommende år.

Det ville også supplere NASAs plan om at sende en robotsonde til Uranus, en anden af ​​solsystemets mindst undersøgte kroppe. Ligesom den foreslåede Neptune Explorer ville denne mission studere Uranus' atmosfære, indre struktur og måner og ringe ved hjælp af et kredsende rumfartøj og en deployerbar sonde. De resulterende data ville holde astronomer og planetforskere beskæftiget i årtier og kunne afsløre nogle virkelig banebrydende ting om det ydre solsystem - ikke mindst dets historie, og hvordan dette muliggjorde fremkomsten af ​​liv her på Jorden. + Udforsk yderligere

Ringene fra Uranus og Neptun kunne hjælpe med at kortlægge deres indre