Over iets meer dan een jaar zal een nieuw decennium beginnen, en daarmee zal een geheel nieuwe stroom ideeën voor NASA-missies openen, sommige dichterbij - zoals Mars, andere verder weg. Sommige erg ver weg. Sommige mensen verwachten dat het tijdperk van robotreizen naar werelden die niet alleen miljoenen, maar miljarden kilometers van ons verwijderd zijn, voor ons zal opengaan. Deze omvatten Uranus en Neptunus (de planeten die we respectievelijk in 1986 en 1989 hebben bezocht), evenals honderden ijslichamen buiten het gebied dat bekend staat als de Kuipergordel.
De Kuipergordel herbergt Pluto en duizenden andere werelden van verschillende afmetingen. De meeste lichamen daar bestaan uit de bouwstenen van ons zonnestelsel, lang geleden geëscorteerd naar verre ijsgebieden. Een bezoek aan de Kuipergordel kan ons aanwijzingen geven voor vragen over hoe onze planeet en zijn buren zijn ontstaan, waarom er zoveel water en andere mysteries zijn.
Aan de grenzen van het zonnestelsel
Uranus en Neptunus hebben ook zelf veel mysteries. Hoe meer we leren over planetaire systemen, hoe vaker we zien dat de meeste werelden niet zo groot zijn als Jupiter en niet zo klein als de aarde. Velen van hen hebben de neiging om qua grootte vergelijkbaar te zijn met Uranus en Neptunus, "ijsreuzen" die genoemd zijn naar de exotische toestand van waterijs dat diep onder wolkenlagen ligt. Het bestuderen van Uranus en Neptunus zal ons niet alleen helpen de planeten in ons zonnestelsel te begrijpen, het zal ons ook helpen de planeten te begrijpen die rond andere sterren draaien.
Veel van deze missies zijn tijdsafhankelijk. De aanstaande Decadal Survey - NASA's "tienjarige enquête" van wanneer het bureau ruimtevaartuigen stuurt in de jaren 2020 en 2030 - zou deze verreikende plannen om het buitenste zonnestelsel te onderzoeken kunnen creëren of vernietigen.
Decadal Survey: hoe de Decadal Survey zal verlopen
Promotie video:
Vanaf 2020 komt een groep van de National Academy of Sciences (met deelname van verschillende belanghebbenden uit de ruimtevaartgemeenschap) samen om een lijst met prioritaire onderzoeksdoelen op te stellen. Wetenschappers bieden hun mogelijkheden aan in de vorm van schriftelijke aanbevelingen, bekend als "white papers" (lees: white paper).
Uit deze aanbevelingen zal een algemene consensus naar voren komen over wat de prioriteiten zouden moeten zijn. Deze doelen dienen als maatstaven voor het mid-range missieaanbod in de categorie New Frontiers (New Horizons en Juno waren in deze categorie). NASA stelt eerst een lijst met voorgestelde missies samen en beperkt ze vervolgens geleidelijk tot een of twee finalisten. Zodra een finalist groen licht krijgt, kan het team erachter beginnen met plannen en ontwerpen - en dat duurt jaren.
Dit alles kan het moeilijk maken om in een specifiek raam te komen waardoor het mogelijk zal zijn om Uranus of Neptunus te verkennen, en om naar een object uit de Kuipergordel te kijken. Daarom zijn nauwkeurige grafieken riskant.
Een bezoek aan de ijsreus
Een van de groepen in het bijzonder overwoog de mogelijkheid van een missie om Uranus en Neptunus tegelijkertijd te bezoeken. De laatste iteratie omvat een scheervlucht van Uranus en een orbitaal van Neptunus. Onder leiding van Mark Hofstadter en Amy Simon zijn wetenschappers van plan om een andere kant van Uranus te zien dan Voyager 2 die in 1986 werd waargenomen en om Neptunus en zijn grootste maan, Triton, te bestuderen. Triton draait achterwaarts, wat mogelijk te wijten is aan het feit dat het ooit het grootste object in de Kuipergordel was - voordat Neptunus Triton naar zich toe trok en veel van zijn oorspronkelijke satellieten uitwierp.
Simon zegt dat deze missies gedurende 15 jaar moeten worden ingezet, inclusief reis- en onderzoekstijd. Dit komt door hoe lang afzonderlijke delen van het voertuig met relatieve zekerheid in de ruimte kunnen overleven. Hoewel een ruimtevaartuig langer kan leven, is 15 jaar het minimum waarin men er zeker van kan zijn dat de missie haar wetenschappelijke taken ten volle zal vervullen. Maar hoe zorg je ervoor dat de reis in de huidige fase van het onderzoek niet te veel middelen verspilt? Een manier om een ruimtevaartuig te versnellen, is door de zwaartekracht van de planeet te gebruiken om te versnellen.
"Om daar te komen in minder dan 12 jaar, vliegen ze meestal rond planeten, meestal inclusief de aarde en Venus", zegt Simon. In dergelijke scenario's duik je in de zwaartekrachtbron van de planeet, in de hoop op een katapulteffect dat je vaartuig zal versnellen en zoveel mogelijk brandstof zal besparen. Jupiter wordt ook gebruikt door de beste opties, omdat het de meest massieve is en het ruimtevaartuig enorm kan versnellen.
New Horizons gebruikte bijvoorbeeld de hulp van Jupiter om Pluto te bereiken. Cassini gebruikte vier afzonderlijke overvluchten om met Saturnus te versnellen nadat hij vanaf de aarde was gelanceerd, tweemaal versnelling van Venus ontving, terugkeerde naar de aarde en uiteindelijk de laatste sprong van Jupiter.
Simon zegt dat om volgens een strak schema naar Uranus te komen, een langsvlucht van Saturnus zou kunnen worden gebruikt - bijvoorbeeld door een raam tussen 2024 en 2028 om de gasreus op de juiste plaats in zijn 29-jarige baan te vangen. Zo'n missie vereist snel denken volgens de NASA-normen - meestal worden missies tien jaar voor de lancering gepland en vervolgens binnen vijf jaar gepland, ontworpen en gelanceerd - dus je zult moeten vertrouwen op het volgende venster, een Jupiter-flyby tussen 2029 en 2032, gevolgd door een exit naar Neptunus. De volgende kans zal niet eerder verschijnen dan over tien jaar.
Een missie naar Uranus kan traditionele drijfgassen en motoren gebruiken om sneller bij de versnellingspunten te komen - of het nu een Atlas V-raket of een Delta IV Heavy-raket is. Maar omdat Neptunus zo ver weg is en het exacte traject niet zo perfect aansluit als we zouden willen, zal de missie naar deze planeet steunen op het Space Launch System, NASA's volgende generatie raketten met een groter laadvermogen (en het heeft nog niet eens gevlogen). Als het niet op tijd klaar is, zullen we moeten vertrouwen op een andere technologie van de volgende generatie: zonne-elektrische voortstuwing, die zonne-energie gebruikt om geïoniseerd gas te ontsteken om het voertuig te versnellen. Tot nu toe is het alleen gebruikt op het Dawn-ruimtevaartuig tijdens missies naar West en Ceres en op twee missies naar kleine asteroïden.
"Zelfs in het geval van zonne-elektriciteit zijn er nog steeds chemische motoren nodig voor het geval zonne-energie ondoelmatig wordt en om in een baan om de aarde te remmen", zegt Simon.
Het schema is dus vrij krap. Maar als we actiever bewegen, kunnen beide missies een ander doel dienen: de onontgonnen werelden van de Kuipergordel bereiken.
Groot onbekend
Een ander artikel, geschreven door drie leden van het New Horizons-team, onderzoekt de mogelijkheid om terug te keren naar de Kuipergordel na een geslaagde sondewandeling naar Pluto. "We zagen hoe interessant het was en wilden weten wat er nog meer was", zegt Tiffany Finley, hoofdingenieur bij het Southwest Research Institute (SWRI) en co-auteur van een artikel gepubliceerd in de Journal of Spacecraft and Rockets.
De Kuipergordel bevat ijsresten van de vorming van het zonnestelsel, en objecten erin bevatten een grote verscheidenheid aan verschillende materialen. Pluto is bijvoorbeeld iets groter dan Eris. Maar Pluto is gemaakt van ijs, dus het heeft minder massa. Eris bestaat voor het grootste deel uit rotsen, dus het is dichter. Sommige werelden lijken uit methaan te bestaan, terwijl andere veel ammoniak bevatten. Ergens in de achtertuin van ons zonnestelsel zijn er veel dwergplaneten en kleine werelden die belangrijke punten bevatten voor ons begrip van hoe planeten ontstaan - en of andere planetaire systemen zoals de onze zouden kunnen zijn.
Wetenschappers hanteerden nauwe beperkingen: ze beperkten de missie tot 25 jaar en keken naar 45 van de helderste objecten in de Kuipergordel, en vergeleken ze met betrekking tot verschillende scenario's van planetaire flyby. Jupiter heeft verrassend genoeg de meeste doelen op de lijst ontdekt. Maar het venster van Jupiter gaat eens in de 12 jaar open, waardoor de missies van Jupiter tijdsafhankelijk zijn. Een simpele flyby van Saturnus biedt een redelijk goede lijst met Kuipergordel-doelen.
Maar wanneer je deze werelden combineert met Uranus of Neptunus, krijg je de kans om in één klap nieuwe feiten te ontdekken over onze mysterieuze, meest verre planeten en zelfs enkele dwergplaneten.
Het katapulteffect zal helpen om deze werelden te bereiken, eerst vanaf Jupiter en daarna vanaf een andere planeet. Elk van deze planeten is uitgelijnd met Jupiter in een smal venster in de jaren 2030, en past netjes in verschillende delen van dat decennium. Om bijvoorbeeld bij de lijst met werelden op het pad met Neptunus te komen, moet je begin jaren 2030 naar Jupiter gaan, en om via Uranus naar de Kuipergordel te gaan, zou je halverwege de jaren 2030 moeten worden gelanceerd. Jupiter en Saturnus zijn op tijd uitgelijnd voor een katapult in de Kuipergordel eind jaren 2030.
De lijst met doelen biedt veel interessante mogelijkheden. Varuna, een langwerpige wereld die deze vorm heeft gekregen vanwege zijn hoge rotatiesnelheid, is perfect om rond Jupiter-Uranus te vliegen. Neptunus geeft, zoals reeds vermeld, een glimp van Eris. De missie door Jupiter-Saturnus zal het mogelijk maken om Sedna te observeren, een grote dwergplaneet met een baan die de weg zou kunnen wijzen naar een nog niet ontdekte planeet tien. Met Jupiter-Saturnus kun je stoppen bij een van de meest interessante dwergplaneten: Haumea.
Net als Varuna is Haumea eivormig, terwijl de meeste grote dwergplaneten in de Kuipergordel meestal rond zijn. Maar Haumea kreeg deze vorm door een oude botsing die haar twee manen gaf, een ringsysteem en een staart gemaakt van puin. Wanneer asteroïden een vergelijkbare samenstelling hebben, worden ze de "botsingsfamilie" genoemd. Haumea produceerde de enige bekende familie van aanrijdingen in de Kuipergordel.
Wat we ook kiezen, we hebben niet veel tijd. Daarom, als we de ringen van Haumea of zelfs het rode, buitenaardse licht van Sedna willen zien, moet het werk zo snel mogelijk beginnen. Deze werelden zijn zo klein dat er maar één manier is om hun geheimen te achterhalen: ze te bereiken.
Ilya Khel
