A Voyager 2 voou por Urano (R) e Netuno (L) e revelou as propriedades, cores, atmosferas e sistemas de anéis dos dois mundos. Ambos têm anéis, muitas luas interessantes e fenômenos atmosféricos e de superfície que estamos apenas esperando para investigar. (NASA / VOYAGER 2)

Pergunte a Ethan: Podemos enviar uma missão semelhante a uma Cassini para Urano ou Netuno?

A sonda Cassini da NASA nos ensinou mais do que imaginávamos sobre Saturno. Poderíamos fazer algo semelhante para Urano e Netuno?

De onde estamos no Sistema Solar, olhar para o Universo distante com nossos poderosos observatórios terrestres e espaciais nos deu visões e conhecimentos que muitos de nós nunca pensamos em alcançar. Mas ainda não há substituto para realmente viajar para um local distante, como missões dedicadas a muitos dos planetas nos ensinaram. Apesar de todos os recursos que dedicamos à ciência planetária, enviamos apenas uma missão a Urano e Netuno: Voyager 2, que só voou por eles. Quais são as nossas perspectivas de uma missão orbital para esses mundos externos? É isso que o nosso torcedor do Patreon, Erik Jensen, quer saber, ao perguntar:

Há uma janela quando as naves espaciais podem ser enviadas para Urano ou Netuno usando Júpiter para um impulso gravitacional. Quais são as restrições de se usar isso, mas ser capaz de desacelerar o suficiente para entrar em órbita em torno dos "gigantes do gelo"?

Vamos dar uma olhada.

Enquanto uma inspeção visual mostra uma grande lacuna entre os mundos do tamanho da Terra e do Netuno, a realidade é que você só pode ser cerca de 25% maior que o da Terra e ainda ser rochoso. Qualquer coisa maior, e você é mais um gigante de gás. Enquanto Júpiter e Saturno têm enormes envelopes de gás, compreendendo aproximadamente 85% desses planetas, Netuno e Urano são muito diferentes e devem ter grandes oceanos líquidos sob suas atmosferas. (INSTITUTO LUNAR E PLANETÁRIO)

O Sistema Solar é um lugar complicado - mas felizmente, regular -. A melhor maneira de chegar ao Sistema Solar externo, ou seja, qualquer planeta além de Júpiter, é usar o próprio Júpiter para ajudá-lo a chegar lá. Na física, sempre que um objeto pequeno (como uma espaçonave) voa por um objeto maciço e estacionário (como uma estrela ou planeta), a força gravitacional pode mudar tremendamente sua velocidade, mas sua velocidade deve permanecer a mesma.

Mas se existe um terceiro objeto que é gravitacionalmente importante, essa história muda um pouco, e de uma maneira que é particularmente relevante para alcançar o Sistema Solar externo. Uma espaçonave que voa por, digamos, um planeta que está ligado ao Sol, pode ganhar ou perder velocidade, roubando ou desistindo da dinâmica do planeta / sistema solar. O enorme planeta não se importa, mas a sonda pode receber um impulso (ou uma desaceleração) dependendo de sua trajetória.

Um estilingue gravitacional, como mostrado aqui, é como uma espaçonave pode aumentar sua velocidade através de uma assistência por gravidade. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS ZEIMUSU)

Esse tipo de manobra é conhecido como auxílio à gravidade, e foi essencial para que o Voyager 1 e o Voyager 2 saíssem do Sistema Solar e, mais recentemente, para que a New Horizons voasse por Plutão. Mesmo que Urano e Netuno tenham períodos orbitais espetacularmente longos de 84 e 165 anos, respectivamente, as janelas da missão para alcançá-los ocorrem a cada 12 anos ou mais: toda vez que Júpiter completa uma órbita.

Uma espaçonave lançada da Terra normalmente voa por alguns planetas internos algumas vezes, em preparação para uma assistência por gravidade de Júpiter. Uma espaçonave que voa por um planeta pode sofrer um estilingue proverbial - estilingue gravitacional é a palavra para uma assistência por gravidade que a impulsiona - para maiores velocidades e energias. Se quiséssemos, os alinhamentos estão certos de que poderíamos lançar uma missão para Netuno hoje. Urano, por estar mais perto, é ainda mais fácil de chegar.

A trajetória de vôo da NASA para a sonda Messenger, que terminou em uma órbita bem-sucedida e estável em torno de Mercúrio, após várias assistências de gravidade. A história é semelhante se você quiser ir para o Sistema Solar externo, exceto que você usa a gravidade para aumentar sua velocidade heliocêntrica, em vez de subtraí-la. (NASA / JHUAPL)

Há uma década, a missão Argo foi proposta: ela voaria pelos objetos dos cinturões de Júpiter, Saturno, Netuno e Kuiper, com uma janela de lançamento que duraria de 2015 a 2019. Mas as missões de sobrevôo são fáceis, porque você não tem para desacelerar a espaçonave. Inseri-lo em órbita ao redor do mundo é mais difícil, mas também é muito mais gratificante.

Em vez de um único passe, um orbitador pode oferecer cobertura do mundo inteiro, várias vezes, por longos períodos de tempo. Você pode ver mudanças na atmosfera de um mundo e examiná-lo continuamente em uma ampla variedade de comprimentos de onda invisíveis ao olho humano. Você pode encontrar novas luas, novos anéis e novos fenômenos que você nunca esperava. Você pode até enviar uma sonda ou sonda ao planeta ou a uma de suas luas. Tudo isso e muito mais já aconteceu em torno de Saturno com a missão Cassini recentemente concluída.

Uma imagem de 2012 (E) e uma de 2016 (R) do Pólo Norte de Saturno, ambas tiradas com a câmera grande angular da Cassini. A diferença de cor é devida a mudanças na composição química da atmosfera de Saturno, induzidas por mudanças fotoquímicas diretas. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUTO DE CIÊNCIA ESPACIAL)

Cassini não apenas aprendeu sobre as propriedades físicas e atmosféricas de Saturno, embora tenha feito isso de maneira espetacular. Ele não apenas imaginou e aprendeu sobre os anéis, mas também o fez. O mais incrível é que observamos mudanças e eventos transitórios que nunca teríamos previsto. Saturno exibiu mudanças sazonais, que correspondiam a mudanças químicas e de cores em torno de seus pólos. Uma tempestade colossal se desenvolveu em Saturno, circundando o planeta e durando muitos meses. Os anéis de Saturno foram encontrados para ter estruturas verticais intensas e mudar ao longo do tempo; eles são dinâmicos e não estáticos, e fornecem um laboratório para nos ensinar sobre a formação do planeta e da lua. E, com seus dados, resolvemos velhos problemas e descobrimos novos mistérios sobre suas luas: Jápeto, Titã e Encélado, entre outros.

Durante um período de 8 meses, ocorreu a maior tempestade do Sistema Solar, envolvendo todo o mundo gigante de gás e capaz de acomodar de 10 a 12 Terras no interior. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUTO DE CIÊNCIA ESPACIAL)

Há poucas dúvidas de que gostaríamos de fazer o mesmo com Urano e Netuno. Muitas missões orbitais para Urano e Netuno foram propostas e chegaram muito longe no processo de envio da missão, mas nenhuma foi planejada para ser construída ou voar. A NASA, a ESA, o JPL e o Reino Unido propuseram orbitadores de Urano que ainda estão em andamento, mas ninguém sabe o que o futuro reserva.

Até agora, apenas estudamos esses mundos de longe. Mas há uma tremenda esperança para uma missão futura daqui a muitos anos, quando as janelas de lançamento para alcançar os dois mundos se alinharem ao mesmo tempo. Em 2034, a missão conceitual ODINUS enviaria orbitadores gêmeos para Urano e Netuno simultaneamente. A missão em si seria uma joint venture espetacular entre a NASA e a ESA.

Os dois últimos anéis (mais externos) de Urano, como descobertos pelo Hubble. Descobrimos tanta estrutura nos anéis internos de Urano a partir do sobrevôo da Voyager 2, mas um orbitador poderia nos mostrar ainda mais. (NASA, ESA e M. SHOWALTER (INSTITUTO SETI))

Uma das principais missões de primeira classe propostas para a pesquisa decadal de ciências planetárias da NASA em 2011 foi uma sonda e orbitador de Urano. Esta missão foi classificada como terceira prioridade, atrás do rover Mars 2020 e do orbital Europa Clipper. Uma sonda e orbitador de Urano poderia ser lançada durante a década de 2020 com uma janela de 21 dias por ano: quando a Terra, Júpiter e Urano alcançassem as posições ideais. O orbitador teria três instrumentos separados, projetados para imaginar e medir várias propriedades de Urano, seus anéis e luas. Urano e Netuno devem ter enormes oceanos líquidos sob suas atmosferas, e um orbitador deve ser capaz de descobri-lo com certeza. A sonda atmosférica mediria moléculas formadoras de nuvens, distribuição de calor e como a velocidade do vento mudava com a profundidade.

A missão ODINUS, proposta pela ESA como uma joint venture com a NASA, exploraria Netuno e Urano com um conjunto duplo de orbitadores. (EQUIPE ODINUS - MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

Propostos pelo programa Visão Cósmica da ESA, a missão Origens, Dinâmica e Interiores dos Sistemas Netuno e Urano (ODINUS) vai ainda mais longe: expandir esse conceito para dois orbitadores gêmeos, que enviariam um para Netuno e outro para Urano. Uma janela de lançamento em 2034, onde Terra, Júpiter, Urano e Netuno se alinham adequadamente, poderia enviar os dois simultaneamente.

As missões de sobrevôo são ótimas para os primeiros encontros, pois você pode aprender muito sobre um mundo vendo-o de perto. Eles também são ótimos porque podem atingir vários alvos, enquanto os orbitadores ficam presos em qualquer mundo que escolherem orbitar. Finalmente, os orbitadores precisam trazer combustível a bordo para realizar queimaduras, desacelerar e entrar em uma órbita estável, tornando a missão muito mais cara. Mas a ciência que você obtém ao permanecer a longo prazo em torno de um planeta, eu diria, mais do que compensa isso.

Quando você orbita um mundo, pode vê-lo de todos os lados, bem como de seus anéis, luas e como eles se comportam com o tempo. Graças a Cassini, por exemplo, descobrimos a existência de um novo anel originário do asteróide capturado Phoebe, e seu papel no escurecimento de apenas metade da misteriosa lua Iapetus. (SMITHSONIAN AIR & SPACE, DERIVED from NASA / CASSINI IMAGES)

As limitações atuais de uma missão como essa não vêm de realizações técnicas; a tecnologia existe para fazer isso hoje. As dificuldades são:

  • Político: como o orçamento da NASA é finito e limitado, e seus recursos devem servir a toda a comunidade,
  • Físico: porque, mesmo com o novo veículo pesado da NASA, a versão destrancada do SLS, podemos enviar apenas uma quantidade limitada de massa ao sistema solar externo e
  • Prático: porque nessas distâncias incríveis do Sol, os painéis solares não funcionam. Precisamos de fontes radioativas para alimentar uma espaçonave tão distante, e talvez não tenhamos o suficiente para fazer o trabalho.

Esse último, mesmo que todo o resto esteja alinhado, pode ser o destruidor de negócios.

Uma pastilha de óxido de plutônio-238 brilhando com o próprio calor. Também produzido como subproduto de reações nucleares, o Pu-238 é o radionuclídeo usado para alimentar veículos no espaço profundo, desde o Mars Curiosity Rover até a espaçonave Voyager, ultra-distante. (DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS EUA)

O plutônio-238 é um isótopo criado no processamento de material nuclear, e a maioria de nossas lojas vem de uma época em que estávamos ativamente criando e armazenando armas nucleares. Seu uso como um gerador termoelétrico de radioisótopos (RTG) tem sido espetacular para missões na Lua, Marte, Júpiter, Saturno, Plutão e uma série de sondas espaciais, incluindo as naves espaciais Pioneer e Voyager.

Mas paramos de produzi-lo em 1988, e nossas opções para comprá-lo da Rússia diminuíram, pois também pararam de produzi-lo. Iniciou-se um esforço recente para fabricar o novo Pu-238 no Laboratório Nacional de Oak Ridge, produzindo cerca de 8 onças até o final de 2015. O desenvolvimento contínuo lá, bem como pela Ontario Power Generation, poderia criar o suficiente para alimentar uma missão nos anos 2030. .

Uma união de duas exposições de 591 s obtidas através do filtro claro da câmera grande angular da Voyager 2, mostrando o sistema de anéis completo de Netuno com a maior sensibilidade. Urano e Netuno têm muitas semelhanças, mas uma missão dedicada também pode detectar diferenças sem precedentes. (NASA / JPL)

Quanto mais rápido você estiver se movendo ao encontrar um planeta, mais combustível precisará adicionar à sua espaçonave para diminuir a velocidade e se inserir em órbita. Para uma missão em Plutão, não havia chance; New Horizons era muito pequeno e sua velocidade era muito grande, além disso, a massa de Plutão é muito baixa para tentar fazer uma inserção orbital. Mas para Netuno e Urano, principalmente se escolhermos a gravidade certa de Júpiter e possivelmente de Saturno, isso pode ser possível. Se quisermos escolher apenas Urano, poderíamos lançar qualquer ano durante a década de 2020. Mas se queremos ir para os dois, o que fazemos, 2034 é o ano a seguir! Netuno e Urano podem parecer semelhantes a nós em termos de massa, temperatura e distância, mas podem ser realmente tão diferentes quanto a Terra de Vênus. Só há uma maneira de descobrir. Com um pouco de sorte e muito investimento e trabalho duro, podemos descobrir dentro de nossas vidas.

Envie suas perguntas ao Ethan para winswithabang e gmail dot com!

(Nota: Obrigado ao apoiante do Patreon, Erik Jensen, por perguntar!)

Começa com um estrondo agora está na Forbes e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon. Ethan é autor de dois livros, Beyond The Galaxy, e Treknology: The Science of Star Trek, de Tricorders a Warp Drive.