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»?
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:
Политика. Поскольку бюджет NASA ограничен, ресурсов крайне не хватает.
Физика. Даже если взять самое большое судно NASA, беспилотную версию SLS, мы можем отправить лимитированную массу во внешнюю Солнечную систему.
Практика. Учитывая колоссальную удаленность от Солнца, солнечные панели не будут работать. Нужны радиоактивные источники, чтобы запитать аппарат так далеко, а это самая большая проблема.
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.