NASA har bett forskare att bedöma hur man designar och flyger robotrymdprober till Uranus och Neptunus, den sista av solsystemets klassiska planeter som ännu inte kretsas, vilket sannolikt säkerställer att de enorma isiga världarna ligger nära toppen av rymdbyråns att göra-lista under de kommande decennierna.
ledde Jet Propulsion Laboratory, studien kommer att titta på ideer för orbitrar som kan skickas Uranus och Neptun i slutet av 2020-talet eller början av 2030-talet och studera jätteplanets strukturer, sammansättning och omfattande månsystem.
ett fokus för studien kommer att utforma en gemensam rymdfarkostplattform som kan utvecklas i två exemplar och lanseras till Uranus och Neptun för cirka 2 miljarder dollar vardera, enligt Jim Green, chef för NASA: s planetary science division.
Men Green sa att forskare borde titta på avskalade koncept som kan utvecklas till mindre kostnad.
”vi vill identifiera potentiella koncept över ett spektrum av prispunkter”, sade Green måndag i ett möte med en NASA-sponsrad vetenskapsarbetsgrupp som ägnas åt forskning om yttre planeter. ”Ett av våra (hinder) för att få uppdrag att hända är den enorma prislappen som krävs för att kunna komma ut till det yttre solsystemet.”
studien är det första byråkratiska steget i ett flerårigt arbete med oberoende kostnads-och tekniska bedömningar, Vetenskaplig peer review och federal budgetering innan ett uppdrag till en av de isiga jätteplaneterna går från ritbordet till verkligheten, sade Green.
resultaten från studien kommer att presenteras för en panel av forskare som sitter av National Research Council i början av 2020-talet. NRC-Utskottet träffas en gång per decennium för att kartlägga de högsta prioriteringarna för de kommande 10-åren av planetvetenskaplig forskning, och producerar en rapport som rankar uppdragskoncept för övervägande av NASA-beslutsfattare.
rymdorganisationens policy är att följa decadal-undersökningens rekommendationer.
ett uppdrag till Uranus eller Neptun kommer sannolikt att vara ett multibillion dollar flaggskeppsklassuppdrag i formen av NASAs Cassini-orbiter som flyger runt Saturnus och en nyligen godkänd sond för att upprepade gånger flyga av Jupiters isiga måne Europa.
NASAs budget för planetvetenskap kan bara stödja utvecklingen av ett sådant kostsamt uppdrag i taget, så endast lågnivåarbete på ett uppföljningsflaggskeppsprojekt är överkomligt förrän Europa-uppdraget avgår jorden 2022.
” självklart kommer det inte att vara lätt att kunna, även efter att vi har Europa under vårt bälte, att faktiskt utföra på nästa stora uppdrag, men vi måste göra framsteg för att förstå våra vetenskapliga prioriteringar och titta på detta på ett sätt som kommer att förbereda oss för det kommande decenniet, men också utnyttja ny teknik och kapacitet som har kommit upp (sedan den senaste decadalundersökningen),” sade Green måndag.
den senaste decadalundersökningsrapporten som utfärdades 2011 fastställde NASAs främsta planetvetenskapliga mål som ett Mars-provreturuppdrag och en sond till Europa.
NASAs nästa Mars-rover som ska lanseras 2020 kommer att samla in och lagra bergprover för hämtning och återvända till jorden genom ett framtida uppdrag och uppfylla det första steget i en multi-mission odyssey för att ta tillbaka prover från den röda planetens yta. Och NASA godkände formellt Europa flyby-sonden tidigare i år för att bedöma den isiga månens livsmiljö.
en Uranus orbiter var tredje i raden i decadal-undersökningen 2011, men NASAs budget kommer att hålla uppdraget jordat fram till åtminstone slutet av 2020-talet. Det betyder att NASAs ultimata godkännande av uppdraget beror på att det går bra i nästa decadalbedömning av National Research Council.
det kommer sannolikt att vara upp mot starkt stöd för ett robotuppdrag tillägnad Saturnus måne Titan, som har hav och floder av flytande kolväten som metan, och ett annat flaggskeppsuppdrag till Mars för att plocka upp de prover som samlats in av 2020 rover.
en lander eller rover uppdrag till Venus kan också få stöd i nästa decadal rapport. Ytan på den svällande molnhöljda världen har inte utforskats sedan Sovjettiden lander uppdrag på 1980-talet.
NASA förväntas begära liknande konceptstudier på andra ledande utmanare för framtida flaggskeppsuppdrag som går in i nästa decadal-undersökning, men Uranus och Neptunus är först i partiet.
Orbiters för Uranus och Neptun kommer nästan säkert att förlita sig på kärnbatterier som drivs av plutonium, och USA: s Statliga finansiering av ytterligare produktion av rymdkvalitetsplutonium säkerställer att sådana projekt kommer att ha de kraftresurser de behöver, sade Green.
ingenjörer packar pellets av plutonium-238, isotopen skräddarsydd för el i rymden, i radioisotopgeneratorer. Det naturliga förfallet av plutonium – 238 producerar värme, som överförs genom termoelektriska par för att generera el.
”det skulle vara efter 2023, när vi kommer in i nästa årtionde som vi skulle överväga att använda radioisotopkraft för dessa uppdrag, om de överlever decadalprocessen, vilket jag är säker på att de kommer”, Sa Green måndag.
kärnkraft krävs för sonder i solsystemets yttersta räckvidd, där solljuset är otillräckligt för solpaneler. NASA: s New Horizons-uppdrag till Pluto, Cassini-uppdraget vid Saturnus och nyfikenhetens rover på Mars förlitar sig för närvarande på plutoniumkraftkällor.
Uranus kretsar cirka 1,8 miljarder mil från solen, mer än tre gånger längre än Jupiter, och Neptunus är placerad 2,8 miljarder mil bort.
andra mål för JPL-studien inkluderar att bedöma hur Uranus-och Neptunforskningsprober kan dra nytta av avancerad sensorteknik, såsom kompakt instrumentering och högupplösta kameror. Green sa att studien också kommer att undersöka hur NASAs kraftfulla Rymdlanseringssystem, som övervägs för lanseringen av Europa-uppdraget 2022, kan möjliggöra större, mer kapabla och mindre riskabla uppdrag till Uranus och Neptunus som kan göra resan på en bråkdel av tiden möjlig om sonderna använde en mindre raket.
”det finns denna underjordiska känsla att vi behöver komma tillbaka till det yttre solsystemet, men det är bara så svårt”, säger Heidi Hammel, en planetarisk astronom som är vice vd för Association of Universities for Research in Astronomy. ”Vi arbetar med teknik för att göra det inte så svårt och så dyrt.”
NASA gav också JPL i uppdrag att identifiera hur internationella partners kunde delta i uppdragen och att inrätta ett vetenskapsdefinitionsteam för Uranus och Neptunus.
vissa forskare ser Uranus och Neptun som det logiska nästa steget i den strategiska utforskningen av solsystemet, och orbitrar till en eller båda av de stora planeterna kan komma fram ungefär ett halvt sekel efter deras första möten av NASAs Voyager 2-sond.
” planetary decadal sätter ett Uranus-uppdrag mycket högt”, sa Green till reportrar i Juli i en briefing under New Horizons flyby av Pluto. ”Även om det är jätteplaneter — Uranus och Neptun — har de många stora kompositionsskillnader från de stora gasjättarna — som främst är väte och helium — som är Saturnus och Jupiter. Vi kallar dem — Uranus och Neptun — isjättar eftersom de har mycket ammoniak och annat material.”
forskare tror att Uranus och Neptun består mestadels av sten och Is, med en tät, skiktad atmosfär. Forskare är inte säkra på var de fick så mycket Is, men vissa experter tror att Uranus och Neptun bombarderades med frusna primordiala föremål från Kuiperbältet, en ring av frigid proto-världar bortom Neptun som innehåller Pluto och dussintals fler nationstora dvärgplaneter.
överraskande upptäckter av New Horizons flyby av Pluto, som avslöjar den diminutiva isiga världen för att visa tecken på uppenbara glacialflöden och pågående geologisk aktivitet, har förnyat uppmärksamhet på solsystemets mest outforskade yttersta kanter, såsom Kuiperbältet.
” vår nya gräns är den yttre delen av solsystemet”, sa Green.
åtminstone några av de yttre jätteplanets månar, som Neptuns Triton, är sannolikt intakta rester från det gamla Kuiperbältet som fångades för miljarder år sedan.
” om vi vill gå tillbaka till ett Kuiper Belt-objekt (efter New Horizons), kanske vi inte behöver gå in i Kuiper Belt för att få det”, sa Green i Juli. ”Vi kanske vill åka till Neptun för att besöka Triton, som är närmare. Även om Neptun är ett avstånd, är det fortfarande inte så långt som några av Kuiper Belt-föremålen.”
”jag tror att vetenskapsfallet för ett framtida uppdrag till en eller båda isjättarna är starkt, och jag förväntar mig att de är väl placerade i nästa decadalundersökning”, säger Mark Hofstadter, en planetforskare som ledde studier för ett Uranus-uppdrag i slutet av 2000-talet.
”meddelandet igår från Jim Green betyder att nästa decadal kommer att vara bättre positionerat för att identifiera ett realistiskt och kapabelt uppdrag och dess kostnad”, berättade Hofstadter Spaceflight Now.
för William McKinnon, en planetgeolog vid Washington University i St. Louis, ett annat besök i Uranus eller Neptun skulle vara fascinerande, berättar han rymdflyg nu.
men McKinnon, som för närvarande analyserar nya data på Pluto från New Horizons, ger upphov till en ofta förbisedd oro bland forskare som arbetar med sonder till avlägsna destinationer: det tar årtionden att designa, bygga och flyga ett sådant uppdrag, följt av fler år av datakrossning.
” ett isjätteuppdrag, förmodligen en orbiter, är tyvärr över horisonten när det gäller min livslängd, så jag hälsar dem som kommer att leva för att se det!”
e-posta författaren.
följ Stephen Clark på Twitter: @ StephenClark1.