En titt på Planetary Decadal Survey för 2023–2032, och du kommer att se några djärva och banbrytande uppdragsförslag för det kommande decenniet. Exempel inkluderar en Uranus orbiter och sond (UOP) som skulle studera Uranus inre, atmosfär, magnetosfär, satelliter och ringar; och en Enceladus orbiter och ytlandare för att studera de aktiva plymer som kommer från Enceladus södra polarområde. För att inte bli överträffad överväger Kina också en kärnkraftsdriven Neptune Explorer för att utforska isjätten, dess största måne (Triton) och dess andra satelliter och ringar.

Uppdraget var föremål för en studie utförd av forskare från China National Space Agency (CNSA), den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), China Atomic Energy Authority, China Academy of Space Technology och flera universitet och institut. Uppsatsen som beskriver deras resultat (publicerad i tidskriften SCIENTIA SINICA Technologica ) leddes av Guobin Yu, en forskare vid School of Astronautics vid Beihang University och Department of Science and Technology and Quality vid CNSA.

Som de anger i sin uppsats är isjättar som Neptunus en potentiell skattkammare av vetenskapliga upptäckter. Förutom sin fascinerande inre struktur (som inkluderar diamantregn!), tros Neptunus ha spelat en viktig roll i bildandet av solsystemet. Kort sagt inkluderar dess sammansättning stora mängder gas som var en del av den protostellära nebulosa från vilken vårt system bildades. Samtidigt indikerar dess position var planeterna bildades (och sedan migrerade till sina nuvarande banor).

Det finns också de bestående mysterierna med Neptunus största måne Triton, som astronomer misstänker är en planetoid som kastas från det yttre solsystemet och fångas av Neptunus gravitation. Ankomsten av denna planetoid tros också ha orsakat en skakning med Neptunus naturliga satelliter, vilket fick dem att bryta upp och sammansmälta för att bilda nya månar. Det är också teorier om att Triton så småningom kommer att bryta upp och bilda en gloria runt Neptunus eller kollidera med den. I grund och botten kan studiet av Neptunus, dess satelliter och dess omloppsdynamik ge svar på hur solsystemet bildades, utvecklades och hur livet började.

Tyvärr, på grund av svårigheterna med att skicka uppdrag till rymden (som inkluderar uppskjutningsfönster, strömförsörjning och kommunikation), har bara ett uppdrag besökt Neptunus. Detta var Voyager 2-sonden, som flög förbi systemet 1989 och fick det mesta vi nu vet om denna isjätte och dess system. Vad mer är, karaktären hos Voyager 2:s vetenskapliga instrument införde vissa begränsningar för mängden data som den kunde förvärva. Under de senaste åren har NASA föreslagit att skicka ett uppdrag för att utforska Neptunus och Triton (rymdfarkosten Trident).

Detta uppdrag tilldelades dock inte prioritet av Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023–2032 och passerades för en Uranus Orbiter and Probe (UOP). Men med tanke på den potential och de enorma förbättringar som har gjorts i rymdfarkostinstrument sedan Neptunus besöktes senast, rekommenderar Yu och hans kollegor ett annat uppdrag till Neptunus. (Obs:all information och citat är översatta från originalet, skrivet på mandarin).

Designöverväganden

Naturligtvis kvarstår de utmaningar som nämnts ovan, som användes för att informera utformningen av rymdfarkosten och dess uppdragsarkitektur. När vi tittade på strömförsörjningsfrågan behövde Yu och hans kollegor en källa som säkert och tillförlitligt kunde tillhandahålla el i inte mindre än femton år. De fastställde att en radioisotop termoelektrisk generator (RTG) med en kapacitet på 10 kilowatt energi (kWe) skulle räcka. Detta kärnbatteri, som liknar vad Curiosity and Perseverance-rovers använder, omvandlar värmeenergi från sönderfallet av radioaktivt material till elektricitet. Som de skriver i sin tidning:

"Med tanke på den tekniska mognaden hos rymdreaktorns strömförsörjning av olika effektnivåer, effektkraven för detektorer och elektrisk framdrivning, uppskjutningskapaciteten hos bärraketen och finansieringen, uteffekten från rymdreaktorns strömförsörjning för Neptunusutforskningen uppdraget är fastställt till 10 kWe."

De rekommenderar vidare att strömförsörjningssystemet baseras på ett schema med användning av ett värmerör, en uppsättning termoelektriska omvandlingsenheter och en uppsättning kylflänsar som en enda kraftgenereringsenhet. Flera kraftgenereringsenheter, där värmeenergin omvandlas till elektrisk energi, kan sedan kopplas parallellt för att förse rymdfarkosten med ström. Detta system, skriver de, kommer att kunna förse uppdraget med "8 år med 10 kWe full effektdrift och 7 år av 2 kWe lågeffektdrift, vilket effektivt kan säkerställa systemets tillförlitlighet och säkerhet under hela uppdraget."

Teamet identifierade också flera nyckelprocesser som är nödvändiga för detta systems säkra och pålitliga drift. Bland dem måste generatorn säkerställa kontinuerlig och kontrollerbar värmegenerering från kärnklyvning, tillförlitlig värmeöverföring i reaktorn, effektiv termoelektrisk omvandling och borttagning av spillvärme. För att uppnå detta kräver konstruktionen av deras reaktor uran-235-stavar, monolitiska uran-molybdenlegeringar och stavformade keramiska element som möjliggör effektiv hög överföring med en lätt, kompakt kärna.

Rymdfarkosten skulle också bära flera instrument för att studera planeten, dess system och objekt längs vägen. Detta inkluderar en Neptunus-atmosfärisk sond (NAP) för att studera planetens inre och en Triton-penetrationssond (TPP) som skulle undersöka månskorpan. Ett komplement av mindre satelliter (CubeSats eller nanosatelliter) skulle också sättas in längs vägen för att utforska en Main Belt-asteroid och en Centaur-asteroid.

Uppdragsprofil

Till att börja med undersökte teamet flera möjliga metoder för att utforska Neptunus (fjärranalys, förbiflygningar, observation av omloppsbana, mjuklandning, etc.). Fjärranalys och förbiflygningar uteslöts omedelbart eftersom dessa inte skulle tillåta uppdraget att effektivt mäta Neptuns djupa sammansättning och inre struktur. "Kraven är höga och uppgiftens omfattning, tekniska svårighetsgrad och finansieringskrav är extremt stora", konstaterar de. "Baserat på de vetenskapliga målen, den tekniska nivån och finansieringsskalan fastställs det att detektionsmetoden är polär omloppsdetektion."

En annan övervägande var att med tanke på avstånden (i genomsnitt 30 AU från solen) och bärförmågan för ett uppdrag till djupa rymd, borde sondens flyghastighet ökas så mycket som möjligt under det tidiga skedet. De drog vidare slutsatsen att det bästa sättet att göra detta (och bromsa in för att uppnå en omloppsbana runt Neptunus) var att genomföra en uppskjutning runt 2030, vilket skulle möjliggöra en gravitationshjälp med Jupiter och ett ankomstdatum till 2036. Andra uppskjutningsmöjligheter inkluderar 2028, 2031 och 2034, men alla flyg skulle behöva anlända till Neptunus före 2040.

Efter att ha slutfört några omlopp, skulle rymdfarkosten släppa en serie små satelliter och två sonder för att utforska Neptunus atmosfär och Tritons yta (respektive).

Vetenskapliga mål

Enligt Yu och hans kollegor finns det fyra stora vetenskapliga mål som en Neptune Explorer bör undersöka. Dessa inkluderar Neptunus inre struktur och sammansättning, dess magnetosfär och jonosfär, dess månar och ringar och dess populationer av trojaner och kentaurer (små asteroidfamiljer som delar dess omloppsbana). När det gäller dess struktur/sammansättning hoppas astronomer kunna belysa Neptunus märkliga termiska egenskaper, som tros vara resultatet av dess "vädermönster". Som de skriver:

"Neptunus interna värmekällor (tyngdkraftskollaps, tidvattenkraft, isotopnedbrytningsvärme, etc.) anses vara en av de viktiga källorna för att upprätthålla Neptunus yttemperatur. Det finns en avvikelse mellan det beräknade infraröda detekteringsresultatet 57K och det faktiska resultatet 47K, så mätningen av infraröd strålning i ett bredare frekvensband är till hjälp för att förstå funktionsmekanismen för värmeavgivningshastigheten inuti Neptunus."

Att undersöka Neptunus inre skulle också förklara varför planeten är mycket mindre än Saturnus men har mer än två gånger den genomsnittliga massdensiteten. Att veta mer om Neptunus atmosfäriska sammansättning kommer också att avslöja hur den skiljer sig från Uranus atmosfär (på samma sätt blå men ljusare). Den här forskningen kommer också att avslöja ny information om sammansättningen av de protostellära moln från vilka isjätten bildades och bildandet av solsystemet i förlängningen.

Studiet av Neptunus magnetosfär och jonosfär kan hjälpa till att lösa mysteriet med Neptunus magnetiska vs rotationsaxel. Liksom Uranus är Neptunus magnetiska axel kraftigt lutad i förhållande till sin rotationsaxel (47°) och förskjuten med 0,55 radier (13 500 km; 8388,5 mi) från planetens centrum. Innan Voyager 2:s förbiflygning antogs detta vara resultatet av Neptunus rotation i sidled men tros nu bero på en dynamoeffekt i inredningen. Andra mål inkluderar orsaken till planetens kraftfulla orkaner och orsaken till bildandet och den långsiktiga närvaron av Neptunus stora mörka fläck.

När det gäller Neptunus månar och ringar inkluderar potentialen för vetenskapliga upptäckter den retrograda omloppsbanan, revolutionen och den dynamiska migrationen av Triton (Neptunus största måne). Det faktum att Triton kretsar i motsatt riktning av Neptunus rotation är ett av huvudargumenten för hur Triton kunde vara en dvärgplanet som bildades i Kuiperbältet – det andra är dess sammansättning, som liknar Plutos. Enligt denna teori kastades Triton ut från Kuiperbältet och fångades av Neptunus gravitation, vilket ledde till att Neptunus befintliga satelliter gick sönder och nya, mindre satelliter bildades.

I huvudsak kan studier av Tritons omloppsdynamik kasta ljus över det tidiga solsystemets historia, där utstötta föremål och planetoider fortfarande satte sig i sina nuvarande banor. Detta skulle kunna kompletteras med en jämförande analys av 2014 MU69 (aka. Arrakoth), KBO som New Horizons-sonden studerade under sin närflygning i juli 2015, och andra KBO:er för att lära sig mer om Tritons ursprung.

Det finns också Tritons kryovulkaniska aktivitet, som är ett resultat av tidvattenböjning i dess inre orsakad av Neptunus gravitationskraft. Denna aktivitet ökar dock när Triton är närmast solen (perihelion), vilket resulterar i större utbrott från det inre. Detta kommer att lämna högre koncentrationer av kväve och andra gaser i månens tunna atmosfär, vilket skulle kunna studeras för att lära dig mer om dess inre sammansättning och struktur. När det gäller ringarna noterade teamet flera mål där:

"Skapa en komplett lista över planetringar och deras inre Shepherd-satelliter, studera egenskaperna, bildningsmekanismen, materialutbytet och gastransporten hos planetringar av olika orbitaltyper, analysera ursprunget för olika himlakroppar och upptäck eventuellt organiskt material... flera planetringar av Neptunus är inte jämnt fördelade i longitud. Istället presenterar den en bågblockliknande diskret struktur. Varför dessa bågblockstrukturer kan existera, och om de existerar stabilt utan att spridas ut, är alla intressanta dynamiska problem."

Kinas rymdorganisation har gjort några ganska imponerande drag de senaste åren som illustrerar hur nationen har blivit en stormakt i rymden. Dessa inkluderar utvecklingen av tunga raketer som Long March 9, utplaceringen av rymdstationer (Tiangong-programmet) och deras framgångar med Chang'e- och Tianwen-programmen som har skickat robotutforskare till månen och Mars. Ett uppdrag som detta, som skulle flyga till det yttre solsystemet och en av de minst studerade kropparna, visar hur Kina hoppas kunna utöka sitt rymdprogram under de kommande åren.

Det skulle också komplettera NASA:s plan att skicka en robotsond till Uranus, en annan av solsystemets minst studerade kroppar. Liksom den föreslagna Neptune Explorer, skulle detta uppdrag studera Uranus atmosfär, inre struktur och månar och ringar med hjälp av en kretsande rymdfarkost och en utplacerbar sond. De resulterande uppgifterna skulle hålla astronomer och planetforskare sysselsatta i årtionden och skulle kunna avslöja några verkligt banbrytande saker om det yttre solsystemet - inte minst av dessa skulle vara dess historia och hur detta möjliggjorde uppkomsten av liv här på jorden. + Utforska vidare

Uranus och Neptunus ringar kan hjälpa till att kartlägga deras inre