Die NASA hat Wissenschaftler gebeten, zu untersuchen, wie Roboter-Raumsonden zu Uranus und Neptun, den letzten klassischen Planeten des Sonnensystems, die noch umkreist werden müssen, entworfen und geflogen werden können, um sicherzustellen, dass die riesigen Eiswelten in den kommenden Jahrzehnten ganz oben auf der To-Do-Liste der Weltraumbehörde stehen.
Unter der Leitung des Jet Propulsion Laboratory wird die Studie Ideen für Orbiter untersuchen, die in den späten 2020er oder frühen 2030er Jahren Uranus und Neptun entsenden könnten, und die Strukturen, Zusammensetzung und ausgedehnten Mondsysteme des Riesenplaneten untersuchen.
Ein Schwerpunkt der Studie wird der Entwurf einer gemeinsamen Raumschiffplattform sein, die in zwei Exemplaren entwickelt und für jeweils etwa 2 Milliarden US-Dollar zu Uranus und Neptun gebracht werden könnte, so Jim Green, Leiter der NASA-Abteilung für Planetenwissenschaften.
Aber Green sagte, Wissenschaftler sollten sich verkleinerte Konzepte ansehen, die zu geringeren Kosten entwickelt werden könnten.
„Wir wollen potenzielle Konzepte in einem Spektrum von Preispunkten identifizieren“, sagte Green am Montag bei einem Treffen einer von der NASA gesponserten wissenschaftlichen Arbeitsgruppe, die sich der Erforschung äußerer Planeten widmet. „Eines unserer (Hindernisse), um Missionen zu ermöglichen, ist der enorme Preis, den es kostet, um in das äußere Sonnensystem zu gelangen.“
Die Studie ist der erste bürokratische Schritt in einer mehrjährigen Anstrengung, die unabhängige Kosten- und technische Bewertungen, wissenschaftliche Peer-Review und Bundeshaushalt umfasst, bevor eine Mission zu einem der eisigen Riesenplaneten vom Zeichenbrett zur Realität wird“, sagte Green.
Die Ergebnisse der Studie werden Anfang der 2020er Jahre einer Gruppe von Wissenschaftlern des National Research Council vorgestellt. Das NRC-Komitee trifft sich einmal pro Jahrzehnt, um die wichtigsten Prioritäten für die nächsten 10 Jahre der Planetenforschung festzulegen und einen Bericht zu erstellen, der die Missionskonzepte für die Entscheidungsträger der NASA bewertet.
Die Politik der Weltraumbehörde besteht darin, den Empfehlungen des Decadal Survey zu folgen.
Eine Mission zu Uranus oder Neptun wird wahrscheinlich eine Multimilliarden-Dollar-Flaggschiff-Mission in der Form des Cassini-Orbiters der NASA sein, der um Saturn fliegt, und einer kürzlich genehmigten Sonde, die wiederholt an Jupiters Eismond Europa vorbeifliegt.
Das Budget der NASA für Planetenforschung kann nur die Entwicklung einer solchen kostspieligen Mission gleichzeitig unterstützen, so dass nur Arbeiten auf niedriger Ebene an einem Folge-Flaggschiff-Projekt erschwinglich sind, bis die Europa-Mission die Erde im Jahr 2022 verlässt.
„Offensichtlich wird es nicht einfach sein, selbst nachdem wir Europa unter unseren Gürtel bekommen haben, die nächste große Mission tatsächlich auszuführen, aber wir müssen Fortschritte machen, um unsere wissenschaftlichen Prioritäten zu verstehen und dies auf eine Weise zu betrachten, die uns auf das nächste Jahrzehnt vorbereiten wird, aber auch neue Technologien und Fähigkeiten nutzen, die (seit der letzten dekadischen Umfrage) entstanden sind“, sagte Green am Montag.
Der letzte Decadal Survey Report, der 2011 veröffentlicht wurde, legte die wichtigsten planetenwissenschaftlichen Ziele der NASA als Mars Sample Return Mission und eine Sonde nach Europa fest.
Der nächste Mars-Rover der NASA, der 2020 gestartet werden soll, wird Gesteinsproben sammeln und lagern, um sie wiederzufinden und von einer zukünftigen Mission zur Erde zurückzukehren. Und die NASA hat die Europa Flyby-Sonde Anfang dieses Jahres offiziell genehmigt, um die Bewohnbarkeit des Eismondes zu bewerten.
Ein Uranus-Orbiter war in der Decadal Survey 2011 an dritter Stelle, aber das Budget der NASA wird die Mission bis mindestens Ende der 2020er Jahre am Boden halten. Das bedeutet, dass die endgültige Genehmigung der Mission durch die NASA davon abhängt, dass sie in der nächsten dekadischen Bewertung durch den National Research Council gut abschneidet.
Es ist wahrscheinlich, dass eine Robotermission, die dem Saturnmond Titan gewidmet ist, der Meere und Flüsse von flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Methan hat, und eine weitere Flaggschiff-Mission zum Mars, um die vom Rover 2020 gesammelten Proben aufzunehmen, stark unterstützt wird.
Eine Lander- oder Rover-Mission zur Venus könnte auch im nächsten Dekadenbericht Unterstützung finden. Die Oberfläche der schwülen, wolkenverhangenen Welt wurde seit den Landermissionen der Sowjetzeit in den 1980er Jahren nicht mehr erforscht.
Es wird erwartet, dass die NASA ähnliche konzeptionelle Studien zu anderen führenden Anwärtern für zukünftige Flaggschiffmissionen auf dem Weg in die nächste Dekade anfordert, aber Uranus und Neptun stehen an erster Stelle.
Orbiter für Uranus und Neptun werden mit ziemlicher Sicherheit auf Kernbatterien angewiesen sein, die mit Plutonium betrieben werden, und die Finanzierung der zusätzlichen Produktion von Plutonium in Weltraumqualität durch die US-Regierung stellt sicher, dass solche Projekte über die benötigten Energieressourcen verfügen, sagte Green.
Ingenieure verpacken Pellets von Plutonium-238, dem Isotop, das für die Elektrizität im Weltraum maßgeschneidert ist, in Radioisotopengeneratoren. Der natürliche Zerfall von Plutonium-238 erzeugt Wärme, die durch thermoelektrische Paare zur Stromerzeugung übertragen wird.
„Es wäre nach 2023, wenn wir in das nächste Jahrzehnt kommen, dass wir in Betracht ziehen würden, Radioisotopenergie für diese Missionen zu verwenden, wenn sie den dekadischen Prozess überleben, von dem ich sicher bin, dass sie es tun werden“, sagte Green am Montag.
Kernenergie wird für Sonden in den Weiten des Sonnensystems benötigt, wo das Sonnenlicht für Solaranlagen nicht ausreicht. Die New Horizons-Mission der NASA zum Pluto, die Cassini-Mission zum Saturn und der Curiosity-Rover auf dem Mars sind derzeit auf Plutonium-Stromquellen angewiesen.
Uranus umkreist etwa 1,8 Milliarden Meilen von der Sonne entfernt, mehr als dreimal weiter als Jupiter, und Neptun ist 2,8 Milliarden Meilen entfernt.
Weitere Ziele der JPL-Studie sind die Bewertung, wie Uranus- und Neptun-Forschungssonden von fortschrittlichen Sensortechnologien wie kompakten Instrumenten und hochauflösenden Kameras profitieren könnten. Green sagte, die Studie werde auch untersuchen, wie das leistungsstarke Weltraumstartsystem der NASA, das für den Start der Europa-Mission im Jahr 2022 in Betracht gezogen wird, größere, leistungsfähigere und weniger riskante Missionen zu Uranus und Neptun ermöglichen könnte, die die Reise in einem Bruchteil der Zeit möglich machen könnten, wenn die Sonden eine kleinere Rakete verwendeten.
„Es gibt dieses unterirdische Gefühl, dass wir zum äußeren Sonnensystem zurückkehren müssen, aber es ist einfach so schwer“, sagte Heidi Hammel, eine Planetenastronomin, die Executive Vice President der Association of Universities for Research in Astronomy ist. „Wir arbeiten an der Technologie, um es nicht so schwer und so teuer zu machen.“
Die NASA beauftragte das JPL auch damit, Wege zu finden, wie internationale Partner an den Missionen teilnehmen könnten, und ein wissenschaftliches Definitionsteam für Uranus und Neptun einzurichten.
Einige Wissenschaftler betrachten Uranus und Neptun als den logischen nächsten Schritt in der strategischen Erforschung des Sonnensystems, und Orbiter zu einem oder beiden der riesigen Planeten könnten etwa ein halbes Jahrhundert nach ihren ersten Begegnungen mit der Voyager 2-Sonde der NASA eintreffen.
„Die planetarische Dekadenz bringt eine Uranus-Mission sehr hoch“, sagte Green Reportern im Juli in einem Briefing während des New Horizons Flyby von Pluto. „Obwohl es sich um Riesenplaneten handelt – Uranus und Neptun — haben sie viele große Unterschiede in der Zusammensetzung zu den großen Gasriesen — das sind hauptsächlich Wasserstoff und Helium — Saturn und Jupiter. Wir nennen diese — Uranus und Neptun — Eisriesen, weil sie viel Ammoniak und anderes Material haben.“
Wissenschaftler glauben, dass Uranus und Neptun hauptsächlich aus Gestein und Eis mit einer dichten, geschichteten Atmosphäre bestehen. Die Forscher sind sich nicht sicher, woher sie so viel Eis haben, Aber einige Experten glauben, dass Uranus und Neptun mit gefrorenen Urobjekten aus dem Kuipergürtel bombardiert wurden, einem Ring eisiger Protowelten jenseits von Neptun, der Pluto und Dutzende weitere Zwergplaneten in Landesgröße enthält.
Überraschende Entdeckungen des Vorbeiflugs von New Horizons an Pluto, die zeigen, dass die winzige Eiswelt Anzeichen offensichtlicher Gletscherströme und anhaltender geologischer Aktivität aufweist, haben die Aufmerksamkeit auf die meist unerforschten äußersten Ränder des Sonnensystems wie den Kuipergürtel gelenkt.
„Unsere neue Grenze ist der äußere Teil des Sonnensystems“, sagte Green.
Zumindest einige der Monde der äußeren Riesenplaneten, wie Neptuns Triton, sind wahrscheinlich intakte Überreste aus dem alten Kuipergürtel, die vor Milliarden von Jahren eingefangen wurden.
„Wenn wir zu einem Kuipergürtel-Objekt zurückkehren wollen (nach New Horizons), müssen wir vielleicht nicht in den Kuipergürtel gehen, um es zu bekommen“, sagte Green im Juli. „Vielleicht möchten wir nach Neptun fahren, um Triton zu besuchen, das näher ist. Obwohl Neptun ziemlich weit entfernt ist, ist er immer noch nicht so weit wie einige der Objekte des Kuipergürtels.“
“ Ich denke, der wissenschaftliche Fall für eine zukünftige Mission zu einem — oder beiden — der Eisriesen ist stark, und ich erwarte, dass sie in der nächsten dekadischen Untersuchung gut platziert sind „, sagte Mark Hofstadter, ein Planetenwissenschaftler, der Ende der 2000er Jahre Studien für eine Uranus-Mission leitete.
„Die gestrige Ankündigung von Jim Green bedeutet, dass die nächste dekadische Mission besser positioniert sein wird, um eine realistische und fähige Mission und ihre Kosten zu identifizieren „, sagte Hofstadter gegenüber Spaceflight Now.
Für William McKinnon, einen Planetengeologen an der Washington University in St. Louis, ein weiterer Besuch bei Uranus oder Neptun wäre faszinierend, erzählt er Spaceflight Now.
Aber McKinnon, der derzeit frische Daten über Pluto von New Horizons analysiert, bringt ein oft übersehenes Problem unter Wissenschaftlern auf, die an Sonden zu weit entfernten Zielen arbeiten: Es dauert Jahrzehnte, um eine solche Mission zu entwerfen, zu bauen und zu fliegen, gefolgt von weiteren Jahren des Datenknirschens.
„Eine Eisriesenmission, vermutlich ein Orbiter, ist leider über dem Horizont, was meine Lebensdauer betrifft, also grüße ich diejenigen, die es noch erleben werden!“
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