Sanatçının Neptün’ün en büyük ayı olan Triton’un yüzeyinin üstünden nasıl görünebileceğine dair izlenimi. Uzaktaki Güneş, sol üstte ve Neptün’ün mavi hilal merkezinin sağında görünür. ESO’nun Çok Büyük Teleskopu üzerindeki CRIRES aletini kullanan bir gökbilimciler ekibi, Triton’un güney yarım küresinde yazın tüm hızıyla geçtiğini görebildi. Kredi: ESO/L. Calçada

Çin, Neptün’e Nükleer Enerjili Bir Görev Düşünüyor

2023 – 2032 Gezegensel Decadal Araştırması tarafından açıkça belirtildiği üzere, önümüzdeki on yıl için bazı cesur ve modern uzay görevleri önerilmiştir.[{” attribute=””>Uranus Orbiter and Probe (UOP) that would study Uranus’ interior, atmosphere, magnetosphere, rings, and satellites; and an Enceladus orbiter and surface lander to study the active plumes emanating fromthe southern polar region on Enceladus. Not to be outdone, China is also contemplating a nuclear-powered Neptune Explorer to explore the ice giant planet, its largest moon (Triton), and its other satellites and rings.

In fact, this mission was the subject of a study conducted by researchers from the China National Space Agency (CNSA), the Chinese Academy of Sciences (CAS), the China Atomic Energy Authority, the China Academy of Space Technology, and multiple universities and institutes. The paper that describes their findings (published in the journal Scientia Sinica Technologica) was led by Guobin Yu, a researcher with the School of Astronautics at Beihang University and the Department of Science and Technology and Quality at the CNSA.

Ice giants like Neptune are a potential treasure trove of scientific discoveries, as the authors describe in their paper. In addition to its intriguing interior structure (which includes diamond rain!), Neptune is believed to have played an significant role in the formation of the Solar System. In short, its composition includes large amounts of gas that were part of the protostellar nebula from which our system formed. At the same time, its position indicates where the planets formed (and since migrated to their current orbits).

Ayrıca, gökbilimcilerin dış Güneş Sisteminden fırlatılan ve Neptün’ün yerçekimi tarafından yakalanan bir gezegen olduğundan şüphelendiği Neptün’ün en büyük ayı Triton’un devam eden gizemleri de var. Bu gezegenoidin gelişinin ayrıca Neptün’ün doğal uydularında bir sarsıntıya neden olduğu ve onların yeni aylar oluşturmak üzere parçalanmalarına ve birleşmelerine neden olduğu düşünülmektedir. Ayrıca Triton’un sonunda parçalanacağı ve Neptün’ün etrafında bir hale oluşturacağı veya onunla çarpışacağı teorileri var. Temel olarak, Neptün’ün, uydularının ve yörünge dinamiklerinin incelenmesi, Güneş Sistemi’nin nasıl oluştuğuna, evrimleştiğine ve yaşamın nasıl başladığına dair cevaplar sağlayabilir.

Ne yazık ki, derin uzaya misyon göndermenin zorlukları nedeniyle (fırlatma pencereleri, güç kaynağı ve iletişim dahil), sadece bir misyon Neptün’ü ziyaret etti. Bu yolcu 2 1989’da sistemi geçen ve bu buz devi ve sistemi hakkında şu anda bildiklerimizin çoğunu elde eden sonda. Dahası, Voyager 2’nin bilimsel araçlarının doğası, elde edebileceği veri miktarına belirli sınırlamalar getirdi. Son yıllarda,[{” attribute=””>NASA has proposed sending a mission to explore Neptune and Triton (the Trident spacecraft).

However, this mission was not assigned priority by the Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 and was passed over for a Uranus Orbiter and Probe (UOP). But given the potential and immense improvements that have been made in spacecraft instruments since Neptune was visited last, Yu and his colleagues recommend it’s time for another mission to Neptune. (Note: all information and quotations translated from the original paper, written in Mandarin).

Hubble Neptune 2021

The Hubble Space Telescope’s 2021 look at Neptune, found that a new, “dark spot,” storm discovered in 2018 has reversed direction and is moving north. Credit: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC), and M. H. Wong (UC Berkeley); Image Processing: A. Pagan (STScI)

Design Considerations

Of course, the challenges mentioned above remain, which were used to inform the design of the spacecraft and its mission architecture. Looking at the power supply issue, Yu and his colleagues needed a source that could safely and reliably provide electricity for no less than fifteen years. They determined that a Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG) with a 10-kilowatt energy (kWe) capacity would suffice. This nuclear battery, similar to what the Curiosity and Perseverance rovers use, converts heat energy from the decay of radioactive material into electricity. As they state in their paper:

“Considering the technical maturity of the space reactor power supply of different power levels, the power requirements of detectors and electric propulsion, the launch capability of the launch vehicle, and the funding, the output power of the space reactor power supply for the Neptune exploration mission is determined to be 10 kWe.”

They further recommend that the power supply system be based on a scheme of using one heat pipe, one set of thermoelectric conversion units, and one set of heat sinks as a single power generation unit. Multiple power generation units, where the heat energy is converted into electrical energy, can then be connected in parallel to supply power to the spacecraft. This system, they write, will be able to supply the mission with “8 years of 10 kWe full power operation and 7 years of 2 kWe low power operation, which can effectively ensure the reliability and safety of the system during the entire mission.”

10 kW Heat Pipe Fast Reactor Schematic

Schematic diagram of 10 kW heat pipe fast reactor and power supply of thermoelectric generation space reactor. Credit: SciEngine/Yu, Goubin et al. (2022)

The team also identified several key processes essential for this system’s safe and reliable operation. Among them, the generator must ensure continuous and controllable heat generation from nuclear fission, reliable heat transfer in the reactor, efficient thermoelectric conversion, and waste heat removal. To achieve this, the design for their reactor calls for Uranium-235 rods, monolithic uranium-molybdenum alloys, and rod-shaped ceramic elements that allow for efficient high transfer with a lightweight, compact core.

The spacecraft would also carry several instruments to study the planet, its system, and objects along the way. This includes a Neptune Atmospheric Probe (NAP) for studying the planet’s interior and a Triton Penetration Probe (TPP) that would examine the moon’s crust. A complement of smaller satellites (CubeSats or nanosatellites) would also be deployed along the way to explore a Main Belt asteroid and a Centaur asteroid.

Mission Profile

To start, the team explored several possible methods for exploring Neptune (remote sensing, flybys, orbital observation, soft landing, etc.). Remote sensing and flybys were ruled out immediately because these would not allow the mission to effectively measure Neptune’s deep composition and internal structure. “The requirements are high, and the task scale, technical difficulty, and funding requirements are extremely large,” they state. “Based on the scientific objectives, technical level, and funding scale, the detection method is determined to be polar orbiting detection.”

Another consideration was that given the distances involved (an average of 30 AUs from the Sun) and the carrying capacity of a mission to deep space, the probe’s flight speed should be increased as much as possible during the early stage. They further concluded that the best way to do this (and decelerate to achieve an orbit around Neptune) was to conduct a launch around 2030, which would allow for a gravity assist with Jupiter and an arrival date of 2036. Other launch opportunities include 2028, 2031, and 2034, but any flights would need to arrive at Neptune before 2040.

After completing a few orbits, the spacecraft would release a series of small satellites and two probes to explore Neptune’s atmosphere and Triton’s surface (respectively).

Neptune Explorer Possible Flight Path

The flight path for a possible Neptune Explorer, based on the locations of the planets before 2040. Credit: SciEngine/Yu, Guobin et al. (2022)

Scientific Objectives

According to Yu and his colleagues, there are four major scientific objectives that a Neptune Explorer should investigate. These include Neptune’s internal structure and composition, its magnetosphere and ionosphere, its moons and rings, and its populations of Trojans and Centaurs (small asteroid families that share its orbit). In terms of its structure/composition, astronomers hope to shed light on Neptune’s strange thermal properties, which are believed to be the result of its “weather patterns.” As they write:

“The internal heat sources of Neptune (gravity collapse, tidal force, isotope decay heat, etc.) are considered to be one of the important sources to maintain the surface temperature of Neptune. There is a deviation between the calculated infrared detection result 57?K and the actual result 47?K, so the infrared radiation measurement in a wider frequency band is helpful to understand the operation mechanism of the heat release rate inside Neptune.”

Examining Neptune’s interior would also explain why the planet is much smaller than Saturn but has more than twice the average mass density. Knowing more about Neptune’s atmospheric composition will also reveal how it differs from Uranus’s atmosphere (similarly blue but lighter). This research will also reveal new information on the composition of the protostellar clouds from which the ice giant formed and the formation of the Solar System by extension.

The study of Neptune’s magnetosphere and ionosphere could help resolve the mystery of Neptune’s magnetic vs. rotational axis. Like Uranus, Neptune’s magnetic axis is strongly tilted relative to its rotational axis (47°) and offset by 0.55 radii (13,500 km; 8388.5 mi) from the planet’s center. Before Voyager 2’s flyby, this was hypothesized to be the result of Neptune’s sideways rotation but is now thought to be due to a dynamo effect in the interior. Other objectives include the cause of the planet’s powerful hurricanes and the reason for the formation and long-term presence of Neptune’s Great Dark Spot.

Neptün’ün uyduları ve halkalarına gelince, bilimsel keşif potansiyeli, Triton’un (Neptün’ün en büyük ayı) geriye dönük yörüngesini, devrimini ve dinamik göçünü içerir. Triton’un Neptün’ün dönüşünün ters yönünde yörüngede dönmesi, Triton’un Kuiper Kuşağı’nda oluşmuş bir cüce gezegen olabileceğine dair ana argümanlardan biridir – diğeri, onun kompozisyonuna benzer olan bileşimidir. Plüton. Bu teoriye göre, Triton Kuiper Kuşağı’ndan atıldı ve Neptün’ün yerçekimi tarafından yakalandı, bu da Neptün’ün mevcut uydularının parçalanmasına ve yeni, daha küçük uyduların oluşmasına neden oldu.

Özünde, Triton’un yörünge dinamiklerini incelemek, fırlatılan nesnelerin ve gezegenlerin hala mevcut yörüngelerine yerleştiği erken güneş sisteminin tarihine ışık tutabilir. Bu, 2014 MU69’un (Arrokoth olarak da bilinir), Yeni Ufuklar sondasının Temmuz 2015’teki yakın uçuşu sırasında incelediği KBO’nun ve Triton’un kökeni hakkında daha fazla bilgi edinmek için diğer KBO’ların karşılaştırmalı bir analiziyle desteklenebilir.

Ayrıca, Neptün’ün yerçekimi kuvvetinin neden olduğu iç kısmındaki gelgit esnemesinden kaynaklanan Triton’un kriyovolkanik aktivitesi de var. Bununla birlikte, bu aktivite, Triton’un Güneş’e en yakın olduğu (günberi) zaman artar ve iç kısımdan daha büyük püskürmelere neden olur. Bu, ayın zayıf atmosferinde, iç bileşimi ve yapısı hakkında daha fazla bilgi edinmek için çalışılabilecek daha yüksek konsantrasyonlarda nitrojen ve diğer gazlar bırakacaktır. Yüzüklere gelince, ekip orada birkaç hedef kaydetti:

“Gezegen halkalarının ve onların iç Shepherd uydularının tam bir listesini oluşturun, farklı yörünge tiplerindeki gezegen halkalarının özelliklerini, oluşum mekanizmasını, malzeme alışverişini ve gaz taşınımını inceleyin, farklı gök cisimlerinin kökenini analiz edin ve olası organik maddeleri tespit edin… Neptün’ün çoklu gezegen halkaları boylamda eşit olarak dağılmamıştır. Bunun yerine, yay bloğu benzeri ayrık bir yapı sunar. Bu yay bloğu yapılarının neden var olabileceği ve yayılmadan istikrarlı bir şekilde var olup olmadıkları ilginç dinamik problemlerdir.”

Arrokoth

KBO 2014 MU69’un (aka. Arrokoth) bu birleşik görüntüsü, NASA’nın Yeni Ufuklar uzay aracı tarafından uçuş sırasında elde edilen verilerden derlenmiştir. Kredi: NASA/JHUAPL/SwRI/Roman Tkachenko

Çin’in uzay ajansı, son yıllarda ulusun uzayda nasıl büyük bir güç haline geldiğini gösteren oldukça etkileyici hamleler yaptı. Bunlar arasında Long March 9 gibi ağır fırlatma roketlerinin geliştirilmesi, uzay istasyonlarının konuşlandırılması (Tiangong programı) ve bunların Ay’a robotik kaşifler gönderen Chang’e ve Tianwen programlarındaki başarıları ve Mars. Dış Güneş Sistemi’ne uçacak ve en az çalışılan cisimlerden biri olacak böyle bir görev, Çin’in uzay programını önümüzdeki yıllarda nasıl genişletmeyi umduğunu gösteriyor.

Ayrıca, NASA’nın Güneş Sistemi’nin en az çalışılan cisimlerinden biri olan Uranüs’e robotik bir sonda gönderme planını da tamamlayacak. Önerilen Neptün Gezgini gibi, bu görev de Uranüs’ün atmosferini, iç yapısını ve uydularını ve halkalarını yörüngede dönen bir uzay aracı ve konuşlandırılabilir bir sonda kullanarak inceleyecekti. Ortaya çıkan veriler, astronomları ve gezegen bilimcilerini on yıllarca meşgul edecek ve dış Güneş Sistemi hakkında gerçekten çığır açan bazı şeyleri ortaya çıkarabilir – en azından tarihi ve bunun burada Dünya’da yaşamın ortaya çıkmasına nasıl izin verdiği değil.

Orijinal olarak yayınlandı Evren Bugün.



uzay-2