Eén blik op de Planetary Decadal Survey voor 2023-2032, en je zult enkele gewaagde en baanbrekende missievoorstellen voor het komende decennium zien. Voorbeelden zijn een Uranus-orbiter en sonde (UOP) die het interieur, de atmosfeer, de magnetosfeer, satellieten en ringen van Uranus zou bestuderen; en een Enceladus-orbiter en oppervlaktelander om de actieve pluimen te bestuderen die uit het zuidelijke poolgebied van Enceladus komen. Om niet achter te blijven, overweegt China ook een nucleair aangedreven Neptunus-verkenner om de ijsreus, zijn grootste maan (Triton) en zijn andere satellieten en ringen te verkennen.

De missie was het onderwerp van een studie uitgevoerd door onderzoekers van het China National Space Agency (CNSA), de Chinese Academy of Sciences (CAS), de China Atomic Energy Authority, de China Academy of Space Technology en meerdere universiteiten en instituten. Het artikel dat hun bevindingen beschrijft (gepubliceerd in het tijdschrift SCIENTIA SINICA Technologica ) werd geleid door Guobin Yu, een onderzoeker bij de School of Astronautics aan de Beihang University en het Department of Science and Technology and Quality aan de CNSA.

Zoals ze in hun paper aangeven, zijn ijsreuzen zoals Neptunus een potentiële schat aan wetenschappelijke ontdekkingen. Naast de fascinerende interne structuur (waaronder diamantenregen!), wordt aangenomen dat Neptunus een belangrijke rol heeft gespeeld bij de vorming van het zonnestelsel. Kortom, de samenstelling omvat grote hoeveelheden gas die deel uitmaakten van de protostellaire nevel waaruit ons systeem is ontstaan. Tegelijkertijd geeft de positie aan waar de planeten zijn gevormd (en sindsdien zijn gemigreerd naar hun huidige banen).

Er zijn ook de blijvende mysteries van Neptunus' grootste maan Triton, waarvan astronomen vermoeden dat het een planetoïde is die uit het buitenste zonnestelsel is geslingerd en is gevangen door de zwaartekracht van Neptunus. De komst van deze planetoïde zou ook een opschudding hebben veroorzaakt met de natuurlijke satellieten van Neptunus, waardoor ze uiteenvielen en samensmolten om nieuwe manen te vormen. Er wordt ook getheoretiseerd dat Triton uiteindelijk zal uiteenvallen en een halo rond Neptunus zal vormen of ermee in botsing zal komen. Kortom, de studie van Neptunus, zijn satellieten en zijn orbitale dynamiek zou antwoorden kunnen bieden op hoe het zonnestelsel is gevormd, geëvolueerd en hoe het leven begon.

Helaas heeft slechts één missie Neptunus bezocht vanwege de moeilijkheden bij het verzenden van missies naar de verre ruimte (inclusief lanceervensters, stroomvoorziening en communicatie). Dit was de Voyager 2-sonde, die in 1989 langs het systeem vloog en het meeste van wat we nu weten over deze ijsreus en zijn systeem heeft verkregen. Bovendien legde de aard van de wetenschappelijke instrumenten van Voyager 2 bepaalde beperkingen op aan de hoeveelheid gegevens die het kon verzamelen. In de afgelopen jaren heeft NASA voorgesteld een missie te sturen om Neptunus en Triton (het drietand-ruimtevaartuig) te verkennen.

Deze missie kreeg echter geen prioriteit toegewezen door de Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 en werd gepasseerd voor een Uranus Orbiter and Probe (UOP). Maar gezien het potentieel en de enorme verbeteringen die zijn aangebracht in de instrumenten van ruimtevaartuigen sinds Neptunus voor het laatst werd bezocht, bevelen Yu en zijn collega's een andere missie naar Neptunus aan. (Opmerking:alle informatie en citaten vertaald uit het originele papier, geschreven in het Mandarijn).

Ontwerpoverwegingen

Natuurlijk blijven de hierboven genoemde uitdagingen bestaan, die werden gebruikt om het ontwerp van het ruimtevaartuig en zijn missiearchitectuur te informeren. Als we kijken naar de stroomvoorziening, hadden Yu en zijn collega's een bron nodig die maar liefst vijftien jaar veilig en betrouwbaar elektriciteit kon leveren. Ze stelden vast dat een radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG) met een energiecapaciteit van 10 kilowatt (kWe) zou volstaan. Deze nucleaire batterij, vergelijkbaar met wat de rovers Curiosity en Perseverance gebruiken, zet warmte-energie van het verval van radioactief materiaal om in elektriciteit. Zoals ze in hun krant stellen:

"Gezien de technische volwassenheid van de stroomvoorziening van de ruimtereactor met verschillende vermogensniveaus, de stroomvereisten van detectoren en elektrische voortstuwing, het lanceervermogen van het lanceervoertuig en de financiering, het uitgangsvermogen van de stroomvoorziening van de ruimtereactor voor de verkenning van Neptunus missie is vastgesteld op 10 kWe."

Ze bevelen verder aan dat het voedingssysteem gebaseerd is op een schema waarbij één warmtepijp, één set thermo-elektrische conversie-eenheden en één set koellichamen als een enkele stroomopwekkingseenheid worden gebruikt. Meerdere stroomopwekkingseenheden, waar de warmte-energie wordt omgezet in elektrische energie, kunnen vervolgens parallel worden aangesloten om het ruimtevaartuig van stroom te voorzien. Dit systeem, zo schrijven ze, zal de missie kunnen voorzien van "8 jaar 10 kWe vol vermogen en 7 jaar 2 kWe laag vermogen, wat de betrouwbaarheid en veiligheid van het systeem tijdens de hele missie effectief kan garanderen."

Het team identificeerde ook verschillende belangrijke processen die essentieel zijn voor de veilige en betrouwbare werking van dit systeem. Onder hen moet de generator zorgen voor een continue en regelbare warmteopwekking door kernsplijting, betrouwbare warmteoverdracht in de reactor, efficiënte thermo-elektrische conversie en afvoer van afvalwarmte. Om dit te bereiken, vereist het ontwerp van hun reactor uranium-235-staven, monolithische uranium-molybdeenlegeringen en staafvormige keramische elementen die een efficiënte hoge overdracht mogelijk maken met een lichtgewicht, compacte kern.

Het ruimtevaartuig zou ook verschillende instrumenten aan boord hebben om onderweg de planeet, het systeem en objecten te bestuderen. Dit omvat een atmosferische sonde van Neptunus (NAP) voor het bestuderen van het binnenste van de planeet en een Triton-penetratiesonde (TPP) die de korst van de maan zou onderzoeken. Een aanvulling van kleinere satellieten (CubeSats of nanosatellieten) zou onderweg ook worden ingezet om een ​​Main Belt-asteroïde en een Centaur-asteroïde te verkennen.

Missieprofiel

Om te beginnen heeft het team verschillende mogelijke methoden onderzocht om Neptunus te verkennen (remote sensing, flybys, orbitale observatie, zachte landing, enz.). Remote sensing en flybys werden onmiddellijk uitgesloten omdat deze de missie niet in staat zouden stellen om de diepe samenstelling en interne structuur van Neptunus effectief te meten. "De eisen zijn hoog en de taakomvang, technische moeilijkheidsgraad en financieringsvereisten zijn extreem groot", stellen ze. "Op basis van de wetenschappelijke doelstellingen, het technische niveau en de financieringsschaal wordt vastgesteld dat de detectiemethode polaire baandetectie is."

Een andere overweging was dat, gezien de afstanden (gemiddeld 30 AU's van de zon) en het draagvermogen van een missie naar de verre ruimte, de vliegsnelheid van de sonde in de vroege fase zoveel mogelijk moest worden verhoogd. Ze concludeerden verder dat de beste manier om dit te doen (en te vertragen om een ​​baan rond Neptunus te bereiken) was om rond 2030 een lancering uit te voeren, wat een zwaartekrachthulp met Jupiter en een aankomstdatum van 2036 mogelijk zou maken. Andere lanceringsmogelijkheden zijn 2028, 2031 en 2034, maar alle vluchten moeten vóór 2040 op Neptunus aankomen.

Na een paar banen te hebben voltooid, zou het ruimtevaartuig een reeks kleine satellieten en twee sondes vrijgeven om de atmosfeer van Neptunus en het oppervlak van Triton (respectievelijk) te verkennen.

Wetenschappelijke doelstellingen

Volgens Yu en zijn collega's zijn er vier belangrijke wetenschappelijke doelstellingen die een Neptune Explorer zou moeten onderzoeken. Deze omvatten de interne structuur en samenstelling van Neptunus, zijn magnetosfeer en ionosfeer, zijn manen en ringen, en zijn populaties van Trojaanse paarden en Centauren (kleine asteroïde families die zijn baan delen). In termen van structuur/samenstelling hopen astronomen licht te werpen op de vreemde thermische eigenschappen van Neptunus, waarvan wordt aangenomen dat ze het resultaat zijn van zijn 'weerpatronen'. Terwijl ze schrijven:

"De interne warmtebronnen van Neptunus (zwaartekrachtinstorting, getijdekracht, isotoopvervalwarmte, enz.) Worden beschouwd als een van de belangrijke bronnen om de oppervlaktetemperatuur van Neptunus te handhaven. Er is een afwijking tussen het berekende infrarooddetectieresultaat 57K en het werkelijke resultaat 47K, dus de meting van de infraroodstraling in een bredere frequentieband is nuttig om het werkingsmechanisme van de warmteafgiftesnelheid in Neptunus te begrijpen."

Het onderzoeken van het binnenste van Neptunus zou ook verklaren waarom de planeet veel kleiner is dan Saturnus, maar meer dan twee keer de gemiddelde massadichtheid heeft. Meer weten over de atmosferische samenstelling van Neptunus zal ook onthullen hoe deze verschilt van de atmosfeer van Uranus (eveneens blauw maar lichter). Dit onderzoek zal ook nieuwe informatie onthullen over de samenstelling van de protostellaire wolken waaruit de ijsreus is gevormd en de vorming van het zonnestelsel bij uitbreiding.

De studie van de magnetosfeer en ionosfeer van Neptunus zou kunnen helpen bij het oplossen van het mysterie van de magnetische vs. rotatieas van Neptunus. Net als Uranus is de magnetische as van Neptunus sterk gekanteld ten opzichte van zijn rotatie-as (47 °) en verschoven met 0,55 radii (13.500 km; 8388.5 mi) van het centrum van de planeet. Voordat de Voyager 2 voorbij vloog, werd aangenomen dat dit het resultaat was van de zijwaartse rotatie van Neptunus, maar nu wordt aangenomen dat dit het gevolg is van een dynamo-effect in het interieur. Andere doelstellingen zijn de oorzaak van de krachtige orkanen van de planeet en de reden voor de vorming en langdurige aanwezigheid van de grote donkere vlek van Neptunus.

Wat betreft de manen en ringen van Neptunus, het potentieel voor wetenschappelijke ontdekkingen omvat de retrograde baan, revolutie en dynamische migratie van Triton (de grootste maan van Neptunus). Het feit dat Triton in de tegenovergestelde richting van de rotatie van Neptunus draait, is een van de belangrijkste argumenten waarom Triton een dwergplaneet zou kunnen zijn die zich in de Kuipergordel heeft gevormd - de andere is zijn samenstelling, die vergelijkbaar is met die van Pluto. Volgens deze theorie werd Triton uit de Kuipergordel geworpen en gevangen door de zwaartekracht van Neptunus, wat het uiteenvallen van de bestaande satellieten van Neptunus en de vorming van nieuwe, kleinere veroorzaakte.

In wezen zou het bestuderen van de orbitale dynamiek van Triton licht kunnen werpen op de geschiedenis van het vroege zonnestelsel, waar uitgeworpen objecten en planetoïden zich nog steeds in hun huidige banen bevonden. Dit kan worden aangevuld met een vergelijkende analyse van MU69 uit 2014 (ook bekend als Arrakoth), de KBO die de New Horizons-sonde bestudeerde tijdens zijn korte vlucht in juli 2015 en andere KBO's om meer te weten te komen over de oorsprong van Triton.

Er is ook de cryovulkanische activiteit van Triton, als gevolg van getijdenbuigingen in het binnenste, veroorzaakt door de zwaartekracht van Neptunus. Deze activiteit neemt echter toe wanneer Triton zich het dichtst bij de zon bevindt (perihelium), wat resulteert in grotere uitbarstingen vanuit het binnenland. Hierdoor zullen er hogere concentraties stikstof en andere gassen in de ijle atmosfeer van de maan achterblijven, die kunnen worden bestudeerd om meer te weten te komen over de interne samenstelling en structuur. Wat de ringen betreft, merkte het team daar verschillende doelen op:

"Stel een volledige lijst op van planeetringen en hun innerlijke Shepherd-satellieten, bestudeer de kenmerken, het vormingsmechanisme, de materiaaluitwisseling en het gastransport van planetaire ringen van verschillende orbitale typen, analyseer de oorsprong van verschillende hemellichamen en detecteer mogelijk organisch materiaal... meerdere planetaire ringen van Neptunus zijn niet uniform verdeeld in lengtegraad. In plaats daarvan presenteert het een boogblokachtige discrete structuur. Waarom deze boogblokstructuren kunnen bestaan, en of ze stabiel bestaan ​​zonder uit te spreiden, zijn allemaal interessante dynamische problemen.

De Chinese ruimtevaartorganisatie heeft de afgelopen jaren nogal indrukwekkende stappen gezet die illustreren hoe de natie een grote macht in de ruimte is geworden. Deze omvatten de ontwikkeling van zware lanceringsraketten zoals de Long March 9, de inzet van ruimtestations (het Tiangong-programma) en hun succes met de Chang'e- en Tianwen-programma's die robotverkenners naar de maan en Mars hebben gestuurd. Een missie als deze, die naar het buitenste zonnestelsel en een van de minst bestudeerde lichamen zou vliegen, geeft aan hoe China zijn ruimteprogramma de komende jaren hoopt uit te breiden.

Het zou ook een aanvulling zijn op het plan van NASA om een ​​robotsonde naar Uranus te sturen, een van de minst bestudeerde lichamen van het zonnestelsel. Net als de voorgestelde Neptunus-verkenner, zou deze missie de atmosfeer, de interne structuur en de manen en ringen van Uranus bestuderen met behulp van een in een baan rond de aarde draaiend ruimtevaartuig en een inzetbare sonde. De resulterende gegevens zouden astronomen en planetaire wetenschappers tientallen jaren bezig houden en zouden een aantal werkelijk baanbrekende dingen over het buitenste zonnestelsel kunnen onthullen - niet in de laatste plaats de geschiedenis ervan en hoe dit het ontstaan ​​van leven hier op aarde mogelijk maakte. + Verder verkennen

De ringen van Uranus en Neptunus kunnen helpen hun interieur in kaart te brengen