Китай изучает возможность запуска исследовательской миссии к Нептуну
На предстоящее десятилетие предлагается несколько смелых и передовых космических миссий НАСА. Примеры включают орбитальный аппарат и зонд Урана (UOP), который будет изучать внутреннюю часть Урана, атмосферу, магнитосферу, кольца и спутники; орбитальный аппарат Энцелада и спускаемый аппарат на поверхность для изучения активных шлейфов, исходящих из южной полярной области Энцелада. Чтобы не отставать, Китай также подумывает о миссии к Нептуну для исследования ледяной планеты-гиганта, ее крупнейшего спутника (Тритона) и других ее спутников и колец.
Эта миссия была предметом исследования, проведенного учеными из Китайского национального космического агентства (CNSA), Китайской академии наук (CAS), Управления по атомной энергии Китая, Китайской академии космических технологий и нескольких университетов. Статья, описывающая их результаты (опубликованная в журнале Scientia Sinica Technologica), была написана Гуо Бин Ю, исследователем из CNSA и его коллегами.
Ледяные гиганты, такие как Нептун, являются потенциальной сокровищницей научных данных, как описывают авторы в своей статье. В дополнение к своей интригующей внутренней структуре (включая алмазный дождь), считается, что Нептун сыграл значительную роль в формировании Солнечной системы. В его состав входят большие количества газа, входившего в состав протозвездной туманности, из которой образовалась наша система. В то же время его положение указывает, где планеты образовались (и с тех пор мигрировали на свои нынешние орбиты).
Есть также непрекращающиеся загадки самого большого спутника Нептуна Тритона, который, как подозревают астрономы, является планетоидом, выброшенным из внешней части Солнечной системы и захваченным гравитацией Нептуна.
Считается также, что прибытие этого планетоида вызвало катастрофическую встречу с естественными спутниками Нептуна, заставив их распасться и слиться, образуя новые луны. Также предполагается, что Тритон в конечном итоге распадется и сформирует ореол вокруг Нептуна или столкнется с ним. По сути, изучение Нептуна, его спутников и динамики его орбиты может дать ответы на вопросы о том, как формировалась Солнечная система, развивалась и как зародилась жизнь.
К сожалению, из-за сложности отправки миссий в дальний космос (включая стартовые окна, электроснабжение и связь) Нептун посетила только одна миссия. Это был зонд «Вояджер-2», который пролетел мимо планеты в 1989 году и получил большую часть той информации, которую мы сейчас знаем об этом ледяном гиганте и его системе.
Более того, природа научных инструментов «Вояджера-2» накладывала определенные ограничения на количество данных, которые он мог получить.
В последние годы специалистами НАСА рассматривалась концепция миссии орбитального аппарата Нептуна, «Neptune Odyssey», но по причинам логистики и стоимости предпочтение было отдано миссии к Урану (UOP).
Но, учитывая потенциал и огромные улучшения, которые были сделаны в инструментах космических аппаратов с тех пор, как Вояджер-2 посетил Нептун, Гуо Бин Ю и его коллеги утверждают, чтобы пришло время для новой миссии на Нептун.
Рекомендации по конструкции
Конечно, остаются упомянутые выше проблемы, которые были использованы при разработке космического корабля и архитектуры его миссии. Глядя на проблему энергоснабжения, Ю и его коллеги нуждались в источнике, который мог бы безопасно и надежно обеспечивать аппарат электроэнергией не менее пятнадцати лет. Они определили, что будет достаточно радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) мощностью 10 киловатт (кВт).
Эта ядерная батарея, аналогичная той, которую используют марсоходы Curiosity и Perseverance, преобразует тепловую энергию распада радиоактивного материала в электричество. Как они заявляют в своей статье:
«Учитывая техническую зрелость источников питания космического реактора различных уровней мощности, требования к мощности детекторов и электродвигателей, пусковые возможности ракеты-носителя и финансирование, выходная мощность источника питания космического реактора для исследования Нептуна определена как 10 кВт».
Они также рекомендуют, чтобы система электроснабжения основывалась на схеме использования одной тепловой трубы, одного комплекта термоэлектрических преобразователей и одного комплекта радиаторов в качестве единого энергоблока. Затем несколько блоков выработки электроэнергии, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую, могут быть соединены параллельно для подачи энергии на космический аппарат. Они пишут, что эта система сможет обеспечить миссию «в течении 8 лет работы на полной мощности 10 кВт и еще 7 лет работы на малой мощности 2 кВт, что может эффективно обеспечить надежность и безопасность системы в течение всей миссии».
Группа также определила несколько ключевых процессов, необходимых для безопасной и надежной работы этой системы. Среди них генератор должен обеспечивать непрерывное и управляемое выделение тепла от ядерного деления, надежный теплообмен в реакторе, эффективное термоэлектрическое преобразование и отвод тепла. Для этого в конструкции их реактора используются стержни из урана-235, монолитные уран-молибденовые сплавы и керамические элементы в форме стержней, которые обеспечивают эффективную высокую передачу с легкой и компактной активной зоной.
Космический аппарат также будет нести несколько инструментов для изучения планеты, ее системы и объектов на пути. Сюда входят атмосферный зонд «Нептун» (NAP) для изучения недр планеты и зонд «Тритон» (TPP), который будет исследовать спутник Нептуна. По пути также будет развернуто несколько спутников меньшего размера (CubeSats или наноспутники) для исследования астероидов главного пояса.
Профиль миссии
Для начала команда изучила несколько возможных методов исследования Нептуна (дистанционное зондирование, облеты, орбитальное наблюдение, мягкая посадка и т. д.). Дистанционное зондирование и облеты были исключены, потому что они не позволили бы миссии эффективно измерить глубинный состав и внутреннюю структуру Нептуна.
«Требования высоки, а масштаб задач, техническая сложность и потребность в финансировании чрезвычайно велики», — заявляют ученые. «Исходя из научных целей, технического уровня и масштаба финансирования, метод обнаружения определяется как обнаружение на полярной орбите».
Еще одно соображение заключалось в том, что, учитывая задействованные расстояния (в среднем 30 а.е. от Солнца) и пропускную способность миссии в дальний космос, скорость полета зонда должна быть максимально увеличена на ранней стадии. Ученые также пришли к выводу, что лучший способ сделать это (и замедлить скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Нептуна) — это провести запуск около 2030 года, что позволит использовать гравитацию Юпитера и прибыть к Нептуну в 2036 году. Другие возможности запуска включают 2028 год, 2031 и 2034, но в любом случае миссия должна прибыть на Нептун до 2040 года.
Совершив несколько витков, космический аппарат выпустит серию небольших спутников и два зонда для исследования атмосферы Нептуна и поверхности Тритона (соответственно).
Научные цели
По словам Ю и его коллег, исследователь Нептуна должен иметь четыре основные научные задачи. К ним относятся изучение внутренней структуры и состава Нептуна, его магнитосферы и ионосферы, его спутников и колец, а также его популяции троянцев и кентавров (небольшие семейства астероидов, которые разделяют его орбиту). Что касается его структуры/состава, астрономы надеются пролить свет на странные тепловые свойства Нептуна, которые, как полагают, являются результатом его «погодных условий».
«Внутренние источники тепла Нептуна (гравитационный коллапс, приливная сила, теплота распада изотопов и т. д.) считаются одним из важных источников для поддержания температуры поверхности Нептуна. Существует отклонение между расчетным результатом инфракрасного обнаружения 57°K и фактическим результатом 47°K, поэтому измерение инфракрасного излучения в более широкой полосе частот полезно для понимания механизма действия скорости выделения тепла внутри Нептуна».
Изучение внутренней части Нептуна также могло бы объяснить, почему планета намного меньше Сатурна, но имеет более чем в два раза большую среднюю плотность массы. Зная больше о составе атмосферы Нептуна, также можно понять, чем она отличается от атмосферы Урана. Исследование также раскроет новую информацию о составе протозвездных облаков, из которых образовался ледяной гигант, и о формировании Солнечной системы в результате расширения.
Изучение магнитосферы и ионосферы Нептуна может помочь разгадать тайну зависимости магнитного поля Нептуна от оси вращения. Как и у Урана, магнитная ось Нептуна сильно наклонена относительно оси вращения (47°) и смещена на 0,55 радиуса (13 500 км) от центра планеты. До пролета Вояджера-2 предполагалось, что это результат бокового вращения Нептуна, но теперь считается, что это связано с эффектом динамо внутри. Другие цели включают изучение причины мощных ураганов на планете и причины образования и длительного присутствия Большого темного пятна Нептуна.
Что касается спутников и колец Нептуна, потенциал для научных открытий включает ретроградную орбиту, вращение и динамическую миграцию Тритона (самого большого спутника Нептуна). Тот факт, что Тритон вращается в направлении, противоположном вращению Нептуна, является одним из основных аргументов в пользу того, что Тритон мог быть карликовой планетой, сформировавшейся в поясе Койпера, а другой — его состав аналогичен составу Плутона. Согласно этой теории, Тритон был выброшен из пояса Койпера и захвачен гравитацией Нептуна, что привело к распаду существующих спутников Нептуна и образованию новых, более мелких.
Изучение орбитальной динамики Тритона могло бы пролить свет на раннюю историю Солнечной системы, когда выброшенные объекты и планетоиды все еще оседали на своих нынешних орбитах. Это может быть дополнено сравнительным анализом MU69 2014 (также известного как Аррокот), который зонд New Horizons изучал во время близкого пролета в июле 2015 года, и других объектов пояса Койпера, чтобы узнать больше о происхождении Тритона.
Существует также криовулканическая активность Тритона, возникающая в результате приливных изгибов в его недрах, вызванных гравитационным притяжением Нептуна. Однако эта активность увеличивается, когда Тритон находится ближе всего к Солнцу (перигелий), что приводит к более сильным извержениям изнутри. Это оставляет более высокие концентрации азота и других газов в разреженной атмосфере Тритона, которую можно изучить, чтобы узнать больше о ее составе и структуре. Что касается колец, то там команда отметила несколько целей:
«Установить полный список планетарных колец и их внутренних спутников-пастухов, изучить характеристики, механизм образования, обмен веществ планетных колец различных типов орбит, проанализировать происхождение различных небесных тел и обнаружить возможную органику… несколько планетарных колец Нептуна неравномерно распределены по долготе. Вместо этого они представляет собой дискретную структуру, подобную дуговому блоку. Почему эти дугообразные структуры могут существовать, и существуют ли они стабильно, не расширяясь, — все это интересные динамические проблемы».
Космическое агентство Китая в последние годы предприняло довольно впечатляющие шаги, которые иллюстрируют, что страна стала крупной космической державой.
К ним относятся разработка тяжелых ракет-носителей, таких как «Чанчжэн-9», развертывание космических станций (программа «Тяньгун») и их успех в программах «Чанъэ» и «Тяньвэнь», в рамках которых были отправлены роботы-исследователи на Луну и Марс. Подобная миссия, которая может отправится к внешней части Солнечной системы и к одному из наименее изученных тел, показывает, что Китай надеется расширить свою космическую программу в ближайшие годы.
Она также дополнит план НАСА по отправке роботизированного зонда к Урану, еще одному из наименее изученных тел Солнечной системы. Как и предполагаемый исследователь Нептуна, эта миссия будет изучать атмосферу Урана, внутреннюю структуру, спутники и кольца с помощью орбитального космического аппарата и развертываемого зонда. Полученные данные помогут раскрыть некоторые поистине новаторские сведения о внешней части Солнечной системы, не последним из которых будет ее история и то, как она позволила зародиться жизни на Земле.