보이저 2 호는 천왕성과 넵튠 (L)이 모두 비행하여 두 세계의 특성, 색상, 분위기 및 고리 시스템을 공개했다. 둘 다 고리, 흥미로운 달, 대기 현상과 지표 현상을 가지고 있습니다. (NASA / 보이저 2)

Ethan에게 물어보십시오 : 천왕성 또는 해왕성에 Cassini와 같은 임무를 보낼 수 있습니까?

NASA의 Cassini 우주선은 토성에 대해 상상했던 것 이상을 가르쳐주었습니다. 천왕성과 해왕성을 위해 비슷한 것을 할 수 있을까요?

우리가 태양계에있는 곳에서부터 우리의 강력한 지상 기반 및 우주 기반 관측소로 먼 우주를 바라 보면서 우리 중 많은 사람들이 우리가 달성 할 것이라고 생각하지 않은 견해와 지식을 얻었습니다. 그러나 많은 행성들에 대한 헌신적 인 선교가 우리에게 가르쳤 기 때문에 실제로 먼 곳으로 여행하는 것에 대한 대체물은 여전히 ​​없습니다. 우리가 행성 과학에 전념 한 모든 자원에도 불구하고, 우리는 천왕성과 해왕성 : Voyager 2에게 단 하나의 임무를 보냈습니다. 외부 세계에 대한 궤도 선 임무에 대한 우리의 전망은 무엇입니까? Patreon의 지지자 Erik Jensen은 다음과 같이 묻습니다.

중력 향상을 위해 목성을 사용하여 우주선을 천왕성 또는 해왕성으로 보낼 수있는 창이옵니다. 이것을 사용하는 데 제약이 있지만“얼음 거인”주위의 궤도에 진입 할 때 충분히 느려질 수 있습니까?

한 번 보자.

육안 검사는 지구 크기와 해왕성 크기의 세계 사이에 큰 차이가 있지만 현실은 지구보다 약 25 % 더 크고 여전히 바위가 많다는 것입니다. 더 큰 것은 가스 거인에 가깝습니다. 목성과 토성은 그 행성의 약 85 %를 차지하는 거대한 가스 봉투를 가지고 있지만 해왕성과 천왕성은 매우 다르며 대기 아래에 큰 액체 바다가 있어야합니다. (루나 및 플래너 터리 인스티튜트)

태양계는 복잡하지만 고맙게도 규칙적인 장소입니다. 목성 너머의 행성 인 외계 태양계에 도달하는 가장 좋은 방법은 목성 자체를 사용하여 도착하는 것입니다. 물리학에서 우주선과 같은 작은 물체가 별이나 행성과 같은 거대한 고정 물체로 날아갈 때마다 중력은 속도를 크게 바꿀 수 있지만 속도는 동일해야합니다.

그러나 중력 적으로 중요한 세 번째 물체가 있다면, 그 이야기는 약간 바뀌고, 특히 외부 태양계에 도달하는 것과 관련이 있습니다. 예를 들어, 태양에 묶인 행성에 의해 비행하는 우주선은 행성 / 태양 시스템에 운동량을 훔치거나 줘서 속도를 얻거나 잃을 수 있습니다. 거대한 행성은 상관하지 않지만 우주선은 궤도에 따라 부스트 (또는 감속)를 얻을 수 있습니다.

여기에 표시된 것처럼 중력 새총은 우주선이 중력 지원을 통해 속도를 높일 수있는 방법입니다. (위키 미디어 공통 사용자 ZEIMUSU)

이 유형의 기동은 중력 보조 장치로 알려져 있으며 Voyager 1과 Voyager 2를 태양계 밖으로 나가는 데 더 중요했으며, 최근에는 명왕성으로 뉴 호라이즌을 비행하는 데 필수적이었습니다. 천왕성과 해왕성은 각각 84 년과 165 년의 궤도를 가지고 있지만, 목성이 궤도를 완성 할 때마다 12 년마다 반복됩니다.

지구에서 발사 된 우주선은 일반적으로 목성의 중력 지원을 준비하기 위해 몇몇 내부 행성에 의해 몇 차례 비행합니다. 행성에 의해 비행하는 우주선은 격렬하게 새총을 맞출 수 있습니다. 중력 새총은 중력 지원을위한 단어로, 속도와 에너지를 향상시킵니다. 원한다면 오늘 해왕성에 대한 임무를 시작할 수 있습니다. 천왕성은 가까이 다가 가기가 훨씬 쉽습니다.

메신저 프로브를위한 NASA의 비행 경로로, 수많은 중력 지원 후 수성 주변에서 성공적이고 안정적인 궤도에 부상했습니다. 이 이야기는 외부 태양계로 가고 싶을 때와 비슷하지만 중력을 사용하여 헬리오 중심 속도를 뺀 것이 아니라 빼는 것 외에는 비슷합니다. (NASA / JHUAPL)

10 년 전, Argo 임무는 2015 년부터 2019 년까지 지속되는 발사 창을 통해 목성, 토성, 해왕성 및 Kuiper 벨트 객체에 의해 비행 될 것이라고 제안되었습니다. 그러나 비행 임무는 쉽지 않습니다. 우주선 속도를 늦추기 위해 전 세계의 궤도에 삽입하는 것은 어렵지만 훨씬 더 가치가 있습니다.

궤도는 단일 패스 대신 오랜 시간에 걸쳐 전 세계에 걸쳐 여러 번 적용 할 수 있습니다. 세계의 분위기 변화를 볼 수 있으며 사람의 눈에는 보이지 않는 다양한 파장에서 지속적으로 검사 할 수 있습니다. 예상치 못한 새로운 달, 새로운 반지 및 새로운 현상을 찾을 수 있습니다. 당신은 행성이나 달 중 하나에 착륙선이나 탐사선을 보낼 수 있습니다. 최근에 완료된 Cassini 임무를 통해 토성 주변에서는 이미 그 이상이 일어났습니다.

Cassini 광각 카메라로 촬영 한 토성의 북극의 2012 (L) 및 2016 (R) 이미지. 색상의 차이는 직접적인 광 화학적 변화에 의해 유발 된 토성의 대기의 화학적 조성 변화에 기인합니다. (NASA / JPL-CALTECH / 우주 과학 연구소)

Cassini는 토성의 물리적 및 대 기적 특성에 대해 배우지 않았지만 훌륭하게 그랬습니다. 그것은 반지를 이미지화하고 배우는 것이 아니라 그렇게했습니다. 가장 놀라운 것은 우리가 예측할 수 없었던 변화와 과도 현상을 관찰했다는 것입니다. 토성은 계절 변화를 나타내며, 이는 극 주위의 화학적 및 색 변화에 해당합니다. 토성에서 거대한 폭풍이 발생하여 지구를 둘러싸고 여러 달 동안 지속되었습니다. 토성의 고리는 강렬한 수직 구조를 가지며 시간이 지남에 따라 변하는 것으로 밝혀졌다. 그것들은 역동적이고 정적이지 않으며, 행성과 달 형성에 관해 우리에게 가르쳐 줄 실험실을 제공합니다. 그리고 데이터를 통해 우리는 오래된 문제를 해결하고 위성 Iapetus, Titan 및 Enceladus에 대한 새로운 미스터리를 발견했습니다.

8 개월 동안 태양계에서 가장 큰 폭풍이 발생하여 거대한 가스 전 세계를 둘러싸고 있으며 10 ~ 12 개의 지구를 수용 할 수있었습니다. (NASA / JPL-CALTECH / 우주 과학 연구소)

천왕성과 해왕성에 대해서도 똑같은 일을하고 싶을 것입니다. 천왕성과 해왕성에 대한 많은 궤도 임무가 제안되어 임무 제출 과정에서 상당히 멀어졌지만 실제로 건설되거나 날아갈 계획은 없었습니다. NASA, ESA, JPL 및 영국은 여전히 ​​뛰고있는 천왕성 궤도 선을 제안했지만, 미래가 무엇인지는 아무도 모릅니다.

지금까지 우리는이 세계들을 멀리서 만 연구했습니다. 그러나 두 세계에 도달하는 발사 창이 한 번에 정렬 될 몇 년 후부터 미래의 임무에 대한 큰 희망이 있습니다. 2034 년에 개념적인 ODINUS 임무는 쌍둥이 궤도 선을 천왕성과 해왕성에 동시에 보낼 것이다. 미션 자체는 NASA와 ESA 사이의 화려한 합작 투자가 될 것입니다.

허블이 발견 한 천왕성의 마지막 두 개의 바깥 쪽 고리. 우리는 Voyager 2 fly-by에서 천왕성의 내부 고리에서 너무 많은 구조를 발견했지만 궤도 선은 우리에게 더 많은 것을 보여줄 수 있습니다. (NASA, ESA 및 M. SHOWALTER (SETI 연구소))

2011 년 NASA의 행성 과학 10 년 조사에 제안 된 주력 급 임무 중 하나는 천왕성 탐사선입니다. 이 임무는 화성 2020 로버와 유로파 클리퍼 궤도에 이어 3 위를 차지했습니다. 천왕성 탐사선은 지구, 목성, 천왕성이 최적의 위치에 도달했을 때 매년 21 일의 창으로 2020 년대에 발사 될 수있었습니다. 궤도는 천왕성, 고리, 달의 다양한 특성을 이미지화하고 측정하도록 설계된 3 개의 별도의 도구를 가지고있을 것입니다. 천왕성과 해왕성은 대기권 아래에 거대한 액체 바다를 가져야하며, 궤도 인은 그것을 확실히 발견 할 수 있어야합니다. 대기 탐침은 구름 형성 분자, 열 분포 및 풍속에 따른 깊이 변화를 측정합니다.

NASA와의 합작 투자로 ESA가 제안한 ODINUS 임무는 쌍둥이 궤도 선으로 해왕성과 천왕성을 탐험 할 것입니다. (ODINUS TEAM — 마트 /ODINUS.IAPS.INAF.IT)

ESA의 Cosmic Vision 프로그램에 의해 제안 된 Neptunian and Uranian Systems (ODINUS)의 기원, 역 동성 및 내부 미션은 훨씬 더 멀어졌습니다.이 개념을 쌍둥이 궤도 선 2 개로 확대하여 하나는 천왕성으로, 하나는 천왕성으로 보냅니다. 지구, 목성, 천왕성, 해왕성이 모두 올바르게 정렬 된 2034 년 발사 창은 동시에 발사 할 수있었습니다.

Flyby 미션은 세계를 가까이에서 보면서 많은 것을 배울 수 있기 때문에 첫 만남에 좋습니다. 그들은 또한 여러 표적에 도달 할 수 있기 때문에 훌륭합니다. 마지막으로 궤도를 달리는 사람은 화상을 입히고 속도를 늦추고 안정적인 궤도에 진입하기 위해 연료를 기내에 탑재해야하므로 임무 비용이 훨씬 높아집니다. 그러나 당신이 행성 주위에 장기적으로 남아있는 과학은 그것을 보완하는 것 이상이라고 주장합니다.

지구 궤도를 돌면 사방, 고리, 달, 시간 경과에 따른 동작을 볼 수 있습니다. 예를 들어 Cassini 덕분에 우리는 포획 된 소행성 Phoebe에서 유래 한 새로운 고리의 존재와 신비한 달 Iapetus의 절반을 어둡게하는 역할을 발견했습니다. (NASA / CASSINI 이미지에서 파생 된 스미스 항공 및 우주)

이와 같은 임무에 대한 현재의 한계는 기술적 인 성과에서 온 것이 아닙니다. 오늘날의 기술은 존재합니다. 어려움은 다음과 같습니다.

  • 정치 : NASA의 예산은 한정적이고 제한적이며 자원이 전체 커뮤니티에 제공되어야하기 때문에
  • 물리적 : NASA의 새로운 대형 리프트 차량 인 SLS의 고정되지 않은 버전을 사용하더라도 외부 태양계에 제한된 양의 질량 만 보낼 수 있으며
  • 실용적 : 태양과의 거리가 멀기 때문에 태양 전지판은 그렇지 않습니다. 우리는이 먼 우주선에 동력을 공급하기 위해 방사성 자원이 필요하며, 그 일을 수행하기에 충분하지 않을 수도 있습니다.

마지막 사항은 다른 모든 것이 정렬 되더라도 거래를 중단시킬 수 있습니다.

자체 열에서 빛나는 플루토늄 -238 산화물 펠릿. 핵 반응의 부산물로 생산 된 Pu-238은 화성 호기심 로버에서 초 거리 Voyager 우주선에 이르기까지 우주 항공 차량에 사용되는 방사성 핵종입니다. (미국 에너지학과)

플루토늄 -238은 핵 물질 가공 과정에서 생성 된 동위 원소이며, 대부분의 상점은 핵무기를 적극적으로 만들고 비축하는 시대에 생산됩니다. 방사성 동위 원소 열전 발전기 (RTG) 로의 사용은 달, 화성, 목성, 토성, 명왕성 및 개척자 및 보이저 우주선을 포함한 수많은 우주 탐사선에 대한 임무를 위해 훌륭했습니다.

그러나 우리는 1988 년에 생산을 중단했으며 러시아에서 구매를 중단하는 옵션도 줄어 들었습니다. Oak Ridge National Laboratory에서 새로운 Pu-238을 만들기위한 최근의 노력이 시작되어 2015 년 말까지 약 2 온스를 생산했습니다. 온타리오 발전뿐만 아니라 계속되는 개발로 2030 년대까지 임무를 수행 할 수있는 충분한 발전이있을 수 있습니다. .

Voyager 2의 광각 카메라의 투명 필터를 통해 얻은 두 개의 591-s 노출을 함께 스티칭하여 최고 감도의 Neptune의 풀 링 시스템을 보여줍니다. 천왕성과 해왕성은 많은 유사점을 가지고 있지만 헌신적 인 임무는 전례없는 차이를 감지 할 수 있습니다. (NASA / JPL)

행성을 만날 때 더 빨리 움직일수록 우주선에 속도를 더 넣어서 속도를 늦추고 궤도에 진입해야합니다. 명왕성에 대한 임무에는 기회가 없었습니다. 뉴 호라이즌은 너무 작고 속도가 너무 컸으며, 명왕성의 질량은 궤도 삽입을 시도하기에 상당히 낮습니다. 그러나 해왕성과 천왕성의 경우, 특히 목성과 아마도 토성의 올바른 중력 보조 장치를 선택하면 이것이 가능할 수 있습니다. 천왕성에 가고 싶다면 2020 년대 어느 해나 뛸 수 있습니다. 그러나 우리가 두 가지 모두를 위해 가고 싶다면 2034 년이 갈 것입니다! 해왕성과 천왕성은 질량, 온도 및 거리 측면에서 우리와 비슷하게 보일 수 있지만, 지구가 금성에서 온 것과 완전히 다를 수 있습니다. 알아낼 방법은 하나뿐입니다. 약간의 행운과 많은 투자와 노력으로 우리는 일생 동안 알게 될 것입니다.

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(참고 : Patreon의 지지자 Erik Jensen에게 문의 해 주셔서 감사합니다!)

Starts With A Bang은 현재 Forbes에 있으며 Patreon 지지자 덕분에 Medium에 다시 게시되었습니다. Ethan은 은하계 저서와 Treknology : Tricorders에서 Warp Drive에 이르기까지 Star Trek의 과학이라는 두 권의 책을 저술했습니다.