Se proponen algunas misiones espaciales audaces y de vanguardia para la próxima década, como queda claro en la Encuesta decadal planetaria para 2023-2032. Los ejemplos incluyen un Orbitador y sonda de Urano (UOP) que estudiaría el interior, la atmósfera, la magnetosfera y los anillos de Urano y satélites; y un orbitador Enceladus y un módulo de aterrizaje de superficie para estudiar las columnas activas que emanan de la región del polo sur en Enceladus. Para no quedarse atrás, China también está contemplando un Explorador de Neptuno de propulsión nuclear para explorar el planeta gigante de hielo, su luna más grande (Tritón) y sus otros satélites y anillos.
Los gigantes de hielo como Neptuno son un tesoro potencial de descubrimientos científicos. Además de su intrigante estructura interior (¡que incluye lluvia de diamantes!), se cree que Neptuno desempeñó un papel importante en la formación del Sistema Solar. En definitiva, su composición incluye grandes cantidades de gas que formaron parte de la nebulosa protoestelar a partir de la cual se formó nuestro sistema solar. Al mismo tiempo, su posición indica dónde se formaron los planetas (y desde entonces migraron a sus órbitas actuales).
También están los misterios en curso de Tritón, la luna más grande de Neptuno, que los astrónomos sospechan que es un planetoide arrojado desde el Sistema Solar exterior y capturado por la gravedad de Neptuno. También se cree que la llegada de este planetoide provocó una reorganización de los satélites naturales de Neptuno, lo que provocó que se rompieran y se fusionaran para formar nuevas lunas. También se teoriza que Tritón eventualmente se romperá y formará un halo alrededor de Neptuno o chocará con él. Básicamente, el estudio de Neptuno, sus satélites y su dinámica orbital podría proporcionar respuestas sobre cómo se formó, evolucionó y cómo comenzó la vida del Sistema Solar.
Desafortunadamente, debido a las dificultades de enviar misiones al espacio profundo (lo que incluye ventanas de lanzamiento, suministro de energía y comunicaciones), solo una misión ha visitado Neptuno. Esta fue la sonda Voyager 2 , que sobrevoló el sistema en 1989 y obtuvo la mayor parte de lo que sabemos ahora sobre este gigante de hielo y su sistema. Además, la naturaleza de los instrumentos científicos de la Voyager 2 impuso ciertas limitaciones en la cantidad de datos que podía adquirir. En los últimos años, la NASA ha propuesto enviar una misión para explorar Neptuno y Tritón (la nave espacial Trident).
Sin embargo, a esta misión no se le asignó prioridad por parte de la Encuesta decadal de ciencia planetaria y astrobiología 2023-2032 y se pasó por alto para un Uranus Orbiter and Probe (UOP). Pero dado el potencial y las inmensas mejoras que se han realizado en los instrumentos de las naves espaciales desde la última vez que se visitó Neptuno, Yu y sus colegas recomiendan que es hora de otra misión a Neptuno. (Nota: toda la información y citas traducidas del artículo original , escrito en mandarín).
Consideraciones de diseño
Por supuesto, los desafíos mencionados anteriormente permanecen, que se utilizaron para informar el diseño de la nave espacial y la arquitectura de su misión. En cuanto al problema del suministro de energía, Yu y sus colegas necesitaban una fuente que pudiera proporcionar electricidad de manera segura y confiable durante no menos de quince años. Determinaron que sería suficiente un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) con una capacidad de energía de 10 kilovatios (kWe). Esta batería nuclear, similar a la que usan los rovers Curiosity y Perseverance , convierte la energía térmica de la descomposición del material radiactivo en electricidad. Como afirman en su artículo:
Teniendo en cuenta la madurez técnica de la fuente de alimentación del reactor espacial de diferentes niveles de potencia, los requisitos de potencia de los detectores y la propulsión eléctrica, la capacidad de lanzamiento del vehículo de lanzamiento y la financiación, la potencia de salida de la fuente de alimentación del reactor espacial para la exploración de Neptuno la misión está determinada a ser de 10 kWe
Además, recomiendan que el sistema de suministro de energía se base en un esquema de uso de una tubería de calor, un conjunto de unidades de conversión termoeléctrica y un conjunto de disipadores de calor como una sola unidad de generación de energía. A continuación, se pueden conectar en paralelo varias unidades de generación de energía, en las que la energía térmica se convierte en energía eléctrica, para suministrar energía a la nave espacial. Este sistema, escriben, podrá suministrar a la misión “8 años de operación de potencia máxima de 10 kWe y 7 años de operación de potencia baja de 2 kWe, lo que puede garantizar de manera efectiva la confiabilidad y seguridad del sistema durante toda la misión”.
Diagrama esquemático de un reactor rápido de tubería de calor de 10 kW y fuente de alimentación del reactor espacial de generación termoeléctrica. Crédito: SciEngine/Yu, Goubin et al. (2022)
El equipo también identificó varios procesos clave esenciales para la operación segura y confiable de este sistema. Entre ellos, el generador debe garantizar una generación de calor continua y controlable a partir de la fisión nuclear, una transferencia de calor fiable en el reactor, una conversión termoeléctrica eficiente y la eliminación del calor residual. Para lograr esto, el diseño de su reactor requiere varillas de uranio-235, aleaciones monolíticas de uranio-molibdeno y elementos cerámicos en forma de varilla que permiten una alta transferencia eficiente con un núcleo ligero y compacto.
La nave espacial también llevaría varios instrumentos para estudiar el planeta, su sistema y los objetos en el camino. Esto incluye una sonda atmosférica de Neptuno (NAP) para estudiar el interior del planeta y una sonda de penetración de Tritón (TPP) que examinaría la corteza lunar. También se desplegaría un complemento de satélites más pequeños (CubeSats o nanosatélites) en el camino para explorar un asteroide del Cinturón Principal y un asteroide Centauro.
Perfil de la misión
Para empezar, el equipo exploró varios métodos posibles para explorar Neptuno (detección remota, sobrevuelos, observación orbital, aterrizaje suave, etc.). La detección remota y los sobrevuelos se descartaron de inmediato porque no permitirían que la misión midiera de manera efectiva la composición profunda y la estructura interna de Neptuno. “Los requisitos son altos y la escala de tareas, la dificultad técnica y los requisitos de financiación son extremadamente grandes”, afirman. “Según los objetivos científicos, el nivel técnico y la escala de financiación, se determina que el método de detección es la detección en órbita polar”.
Otra consideración fue que dadas las distancias involucradas (un promedio de 30 UA del Sol) y la capacidad de carga de una misión al espacio profundo, la velocidad de vuelo de la sonda debería incrementarse tanto como sea posible durante la etapa inicial. Además, concluyeron que la mejor manera de hacer esto (y desacelerar para lograr una órbita alrededor de Neptuno) era realizar un lanzamiento alrededor de 2030, lo que permitiría una asistencia de gravedad con Júpiter y una fecha de llegada de 2036. Otras oportunidades de lanzamiento incluyen 2028, 2031 y 2034, pero cualquier vuelo debería llegar a Neptuno antes de 2040.
Después de completar algunas órbitas, la nave espacial lanzaría una serie de pequeños satélites y dos sondas para explorar la atmósfera de Neptuno y la superficie de Tritón (respectivamente).
La ruta de vuelo de un posible Explorador de Neptuno, basada en las ubicaciones de los planetas antes de 2040. Crédito: SciEngine/Yu, Guobin et al. (2022)
Objetivos científicos
Según Yu y sus colegas, hay cuatro objetivos científicos principales que un Explorador de Neptuno debería investigar. Estos incluyen la estructura y composición interna de Neptuno, su magnetosfera e ionosfera, sus lunas y anillos, y sus poblaciones de troyanos y centauros (pequeñas familias de asteroides que comparten su órbita). En términos de su estructura/composición, los astrónomos esperan arrojar luz sobre las extrañas propiedades térmicas de Neptuno , que se cree que son el resultado de sus “patrones climáticos”. Como escriben:
Las fuentes internas de calor de Neptuno (colapso de gravedad, fuerza de marea, calor de decaimiento de isótopos, etc.) se consideran una de las fuentes importantes para mantener la temperatura de la superficie de Neptuno. Hay una desviación entre el resultado de detección de infrarrojos calculado de 57 K y el resultado real de 47 K, por lo que la medición de la radiación infrarroja en una banda de frecuencia más amplia es útil para comprender el mecanismo de funcionamiento de la tasa de liberación de calor dentro de Neptuno
Examinar el interior de Neptuno también explicaría por qué el planeta es mucho más pequeño que Saturno pero tiene más del doble de la densidad de masa promedio. Saber más sobre la composición atmosférica de Neptuno también revelará en qué se diferencia de la atmósfera de Urano ( igualmente azul pero más clara ). Esta investigación también revelará nueva información sobre la composición de las nubes protoestelares a partir de las cuales se formó el gigante de hielo y la formación del Sistema Solar por extensión.
El estudio de la magnetosfera y la ionosfera de Neptuno podría ayudar a resolver el misterio del eje magnético frente al rotacional de Neptuno. Al igual que Urano, el eje magnético de Neptuno está fuertemente inclinado en relación con su eje de rotación (47 °) y desplazado por 0,55 radios (13 500 km; 8388,5 mi) desde el centro del planeta . Antes del sobrevuelo de la Voyager 2, se planteó la hipótesis de que esto era el resultado de la rotación lateral de Neptuno, pero ahora se cree que se debe a un efecto dínamo en el interior. Otros objetivos incluyen la causa de los poderosos huracanes del planeta y la razón de la formación y presencia a largo plazo de la Gran Mancha oscura de Neptuno.
En cuanto a las lunas y los anillos de Neptuno, el potencial para los descubrimientos científicos incluye la órbita retrógrada, la revolución y la migración dinámica de Tritón (la luna más grande de Neptuno). El hecho de que Tritón orbite en dirección opuesta a la rotación de Neptuno es uno de los principales argumentos de por qué Tritón podría ser un planeta enano que se formó en el Cinturón de Kuiper; el otro es su composición, que es similar a la de Plutón . Según esta teoría, Tritón fue expulsado del Cinturón de Kuiper y capturado por la gravedad de Neptuno, lo que provocó la ruptura de los satélites existentes de Neptuno y la formación de otros nuevos y más pequeños.
En esencia, el estudio de la dinámica orbital de Tritón podría arrojar luz sobre la historia del sistema solar primitivo, donde los objetos expulsados y los planetoides todavía se estaban instalando en sus órbitas actuales. Esto podría complementarse con un análisis comparativo de 2014 MU69 (también conocido como Arrokoth ), el KBO que la sonda New Horizons estudió durante su sobrevuelo cercano en julio de 2015, y otros KBO para aprender más sobre el origen de Tritón.
También está la actividad criovolcánica de Tritón, resultante de la flexión de las mareas en su interior causada por la atracción gravitacional de Neptuno. Sin embargo, esta actividad aumenta cuando Tritón está más cerca del Sol (perihelio), lo que resulta en mayores erupciones desde el interior. Esto dejará concentraciones más altas de nitrógeno y otros gases en la tenue atmósfera de la luna, que podrían estudiarse para aprender más sobre su composición y estructura interior. En cuanto a los anillos, el equipo señaló varios objetivos allí:
Establecer una lista completa de anillos planetarios y sus satélites Shepherd internos, estudiar las características, mecanismo de formación, intercambio de materiales y transporte de gas de anillos planetarios de diferentes tipos de orbitales, analizar el origen de diferentes cuerpos celestes y detectar posible materia orgánica… El múltiples anillos planetarios de Neptuno no están uniformemente distribuidos en longitud. En cambio, presenta una estructura discreta similar a un bloque de arco. Por qué pueden existir estas estructuras de bloques de arco y si existen de manera estable sin expandirse, son todos problemas dinámicos interesantes.
Esta imagen compuesta del KBO 2014 MU69 (también conocido como Arrokoth) fue compilada a partir de los datos obtenidos por la nave espacial New Horizons de la NASA durante su sobrevuelo. Crédito: NASA/JHUAPL/SwRI/Roman Tkachenko
La agencia espacial de China ha realizado algunos movimientos bastante impresionantes en los últimos años que ilustran cómo la nación se ha convertido en una gran potencia en el espacio. Estos incluyen el desarrollo de cohetes de lanzamiento pesados como el Gran Marcha 9, el despliegue de estaciones espaciales (el programa Tiangong) y su éxito con los programas Chang’e y Tianwen que han enviado exploradores robóticos a la Luna y Marte . Una misión como esta, que volaría al Sistema Solar exterior y uno de los cuerpos menos estudiados, indica cómo China espera expandir su programa espacial en los próximos años.
También complementaría el plan de la NASA de enviar una sonda robótica a Urano, otro de los cuerpos menos estudiados del Sistema Solar. Al igual que el Neptune Explorer propuesto, esta misión estudiaría la atmósfera, la estructura interior, las lunas y los anillos de Urano utilizando una nave espacial en órbita y una sonda desplegable. Los datos resultantes mantendrían ocupados a los astrónomos y científicos planetarios durante décadas y podrían revelar algunas cosas verdaderamente innovadoras sobre el Sistema Solar exterior, entre las cuales se encuentra su historia y cómo esto permitió el surgimiento de la vida aquí en la Tierra.