Uno sguardo al Planetary Decadal Survey per il 2023-2032 e vedrai alcune proposte di missione audaci e all'avanguardia per il prossimo decennio. Gli esempi includono un orbiter e una sonda di Urano (UOP) che studierebbe l'interno, l'atmosfera, la magnetosfera, i satelliti e gli anelli di Urano; e un orbiter Encelado e un lander di superficie per studiare i pennacchi attivi emanati dalla regione polare meridionale di Encelado. Per non essere da meno, la Cina sta anche considerando un esploratore di Nettuno a propulsione nucleare per esplorare il gigante di ghiaccio, la sua luna più grande (Tritone) e i suoi altri satelliti e anelli.

La missione è stata oggetto di uno studio condotto da ricercatori della China National Space Agency (CNSA), della Chinese Academy of Sciences (CAS), della China Atomic Energy Authority, della China Academy of Space Technology e di diverse università e istituti. L'articolo che descrive le loro scoperte (pubblicato sulla rivista SCIENTIA SINICA Technologica ) è stato guidato da Guobin Yu, ricercatore presso la Scuola di Astronautica dell'Università di Beihang e il Dipartimento di Scienza, Tecnologia e Qualità del CNSA.

Come indicano nel loro articolo, giganti di ghiaccio come Nettuno sono un potenziale tesoro di scoperte scientifiche. Oltre alla sua affascinante struttura interna (che include la pioggia di diamanti!), Si ritiene che Nettuno abbia svolto un ruolo importante nella formazione del sistema solare. In breve, la sua composizione comprende grandi quantità di gas che facevano parte della nebulosa protostellare da cui si è formato il nostro sistema. Allo stesso tempo, la sua posizione indica dove si sono formati i pianeti (e da allora sono migrati verso le loro orbite attuali).

Ci sono anche i misteri duraturi di Tritone, la luna più grande di Nettuno, che gli astronomi sospettano sia un planetoide lanciato dal sistema solare esterno e catturato dalla gravità di Nettuno. Si pensa anche che l'arrivo di questo planetoide abbia causato uno scossone con i satelliti naturali di Nettuno, provocandone la rottura e la fusione per formare nuove lune. È anche teorizzato che Tritone alla fine si romperà e formerà un alone attorno a Nettuno o si scontrerà con esso. Fondamentalmente, lo studio di Nettuno, dei suoi satelliti e della sua dinamica orbitale potrebbe fornire risposte su come si è formato, si è evoluto il sistema solare e come è iniziata la vita.

Sfortunatamente, a causa delle difficoltà di inviare missioni nello spazio profondo (che include finestre di lancio, alimentazione e comunicazioni), solo una missione ha visitato Nettuno. Questa era la sonda Voyager 2, che ha sorvolato il sistema nel 1989 e ha ottenuto la maggior parte di ciò che ora sappiamo su questo gigante di ghiaccio e il suo sistema. Inoltre, la natura degli strumenti scientifici di Voyager 2 imponeva alcune limitazioni alla quantità di dati che poteva acquisire. Negli ultimi anni, la NASA ha proposto di inviare una missione per esplorare Nettuno e Tritone (la navicella spaziale Trident).

Tuttavia, a questa missione non è stata assegnata la priorità dal Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 ed è stata ignorata per un Uranus Orbiter and Probe (UOP). Ma visti i potenziali e immensi miglioramenti che sono stati fatti negli strumenti dei veicoli spaziali dall'ultima visita di Nettuno, Yu e i suoi colleghi raccomandano un'altra missione su Nettuno. (Nota:tutte le informazioni e le citazioni tradotte dal documento originale, scritte in mandarino).

Considerazioni di progettazione

Naturalmente, rimangono le sfide sopra menzionate, che sono state utilizzate per informare la progettazione del veicolo spaziale e la sua architettura di missione. Analizzando il problema dell'alimentazione, Yu ei suoi colleghi avevano bisogno di una fonte che potesse fornire elettricità in modo sicuro e affidabile per non meno di quindici anni. Hanno determinato che sarebbe sufficiente un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) con una capacità di 10 kilowatt di energia (kWe). Questa batteria nucleare, simile a quella utilizzata dai rover Curiosity e Perseverance, converte l'energia termica dal decadimento del materiale radioattivo in elettricità. Come affermano nel loro documento:

"Considerando la maturità tecnica dell'alimentazione del reattore spaziale di diversi livelli di potenza, i requisiti di alimentazione dei rivelatori e della propulsione elettrica, la capacità di lancio del veicolo di lancio e il finanziamento, la potenza di uscita dell'alimentazione del reattore spaziale per l'esplorazione di Nettuno la missione è determinata in 10 kWe."

Raccomandano inoltre che il sistema di alimentazione sia basato su uno schema di utilizzo di un condotto termico, un insieme di unità di conversione termoelettrica e un insieme di dissipatori di calore come un'unica unità di generazione di energia. Più unità di generazione di energia, in cui l'energia termica viene convertita in energia elettrica, possono quindi essere collegate in parallelo per fornire energia al veicolo spaziale. Questo sistema, scrivono, sarà in grado di fornire alla missione "8 anni di funzionamento a piena potenza da 10 kWe e 7 anni di funzionamento a bassa potenza da 2 kWe, che possono garantire efficacemente l'affidabilità e la sicurezza del sistema durante l'intera missione".

Il team ha inoltre identificato diversi processi chiave essenziali per il funzionamento sicuro e affidabile di questo sistema. Tra questi, il generatore deve garantire una generazione di calore continua e controllabile dalla fissione nucleare, un trasferimento di calore affidabile nel reattore, un'efficiente conversione termoelettrica e la rimozione del calore di scarto. Per raggiungere questo obiettivo, il progetto del loro reattore prevede barre di uranio-235, leghe monolitiche di uranio-molibdeno ed elementi ceramici a forma di bastoncino che consentono un trasferimento elevato efficiente con un nucleo leggero e compatto.

Il veicolo spaziale trasporterebbe anche diversi strumenti per studiare il pianeta, il suo sistema e gli oggetti lungo il percorso. Ciò include una sonda atmosferica di Nettuno (NAP) per studiare l'interno del pianeta e una sonda di penetrazione del Tritone (TPP) che esaminerebbe la crosta lunare. Lungo il percorso verrebbe schierato anche un complemento di satelliti più piccoli (CubeSats o nanosatelliti) per esplorare un asteroide della cintura principale e un asteroide Centauro.

Profilo della missione

Per iniziare, il team ha esplorato diversi metodi possibili per esplorare Nettuno (rilevamento remoto, passaggi ravvicinati, osservazione orbitale, atterraggio morbido, ecc.). Il telerilevamento e i passaggi ravvicinati sono stati immediatamente esclusi perché non avrebbero consentito alla missione di misurare efficacemente la composizione profonda e la struttura interna di Nettuno. "I requisiti sono elevati e la scala delle attività, la difficoltà tecnica e i requisiti di finanziamento sono estremamente elevati", affermano. "In base agli obiettivi scientifici, al livello tecnico e alla scala di finanziamento, il metodo di rilevamento è determinato come il rilevamento in orbita polare."

Un'altra considerazione è stata che date le distanze coinvolte (una media di 30 UA dal sole) e la capacità di carico di una missione nello spazio profondo, la velocità di volo della sonda dovrebbe essere aumentata il più possibile durante la fase iniziale. Hanno inoltre concluso che il modo migliore per farlo (e decelerare per raggiungere un'orbita attorno a Nettuno) era condurre un lancio intorno al 2030, che consentirebbe un aiuto gravitazionale con Giove e una data di arrivo del 2036. Altre opportunità di lancio includono il 2028, 2031 e 2034, ma qualsiasi volo dovrebbe arrivare a Nettuno prima del 2040.

Dopo aver completato alcune orbite, il veicolo spaziale rilascerebbe una serie di piccoli satelliti e due sonde per esplorare l'atmosfera di Nettuno e la superficie di Tritone (rispettivamente).

Obiettivi scientifici

Secondo Yu e i suoi colleghi, ci sono quattro principali obiettivi scientifici che un esploratore di Nettuno dovrebbe indagare. Questi includono la struttura e la composizione interna di Nettuno, la sua magnetosfera e ionosfera, le sue lune e anelli e le sue popolazioni di Troiani e Centauri (piccole famiglie di asteroidi che condividono la sua orbita). In termini di struttura/composizione, gli astronomi sperano di far luce sulle strane proprietà termiche di Nettuno, che si ritiene siano il risultato dei suoi "modelli meteorologici". Mentre scrivono:

"Le fonti di calore interne di Nettuno (collasso gravitazionale, forza di marea, calore di decadimento isotopico, ecc.) sono considerate una delle fonti importanti per mantenere la temperatura superficiale di Nettuno. C'è una deviazione tra il risultato di rilevamento a infrarossi calcolato 57K e il risultato effettivo è 47K, quindi la misurazione della radiazione infrarossa in una banda di frequenza più ampia è utile per comprendere il meccanismo di funzionamento della velocità di rilascio del calore all'interno di Nettuno."

Esaminare l'interno di Nettuno spiegherebbe anche perché il pianeta è molto più piccolo di Saturno ma ha più del doppio della densità di massa media. Sapere di più sulla composizione atmosferica di Nettuno rivelerà anche come differisce dall'atmosfera di Urano (similmente blu ma più chiara). Questa ricerca rivelerà anche nuove informazioni sulla composizione delle nubi protostellari da cui si è formato il gigante di ghiaccio e sulla formazione del sistema solare per estensione.

Lo studio della magnetosfera e della ionosfera di Nettuno potrebbe aiutare a risolvere il mistero dell'asse magnetico e di rotazione di Nettuno. Come Urano, l'asse magnetico di Nettuno è fortemente inclinato rispetto al suo asse di rotazione (47°) e spostato di 0,55 raggi (13.500 km; 8388,5 mi) dal centro del pianeta. Prima del sorvolo di Voyager 2, si ipotizzava che questo fosse il risultato della rotazione laterale di Nettuno, ma ora si pensa che sia dovuto a un effetto dinamo all'interno. Altri obiettivi includono la causa dei potenti uragani del pianeta e il motivo della formazione e della presenza a lungo termine del grande punto oscuro di Nettuno.

Per quanto riguarda le lune e gli anelli di Nettuno, il potenziale per le scoperte scientifiche include l'orbita retrograda, la rivoluzione e la migrazione dinamica di Tritone (la luna più grande di Nettuno). Il fatto che Tritone orbita nella direzione opposta alla rotazione di Nettuno è uno degli argomenti principali su come Tritone potrebbe essere un pianeta nano che si è formato nella fascia di Kuiper, l'altro è la sua composizione, che è simile a quella di Plutone. Secondo questa teoria, Tritone è stato espulso dalla cintura di Kuiper e catturato dalla gravità di Nettuno, che ha causato la rottura dei satelliti esistenti di Nettuno e la formazione di nuovi satelliti più piccoli.

In sostanza, lo studio della dinamica orbitale di Tritone potrebbe far luce sulla storia del primo sistema solare, dove gli oggetti espulsi e i planetoidi si stavano ancora stabilendo nelle loro orbite attuali. Ciò potrebbe essere integrato da un'analisi comparativa di MU69 del 2014 (aka Arrakoth), il KBO che la sonda New Horizons ha studiato durante il suo passaggio ravvicinato nel luglio 2015 e altri KBO per saperne di più sull'origine di Triton.

C'è anche l'attività criovulcanica di Tritone, risultante dalla flessione della marea al suo interno causata dall'attrazione gravitazionale di Nettuno. Tuttavia, questa attività aumenta quando Tritone è più vicino al sole (perielio), provocando maggiori eruzioni dall'interno. Ciò lascerà concentrazioni più elevate di azoto e altri gas nella tenue atmosfera della luna, che potrebbero essere studiate per saperne di più sulla sua composizione e struttura interna. Per quanto riguarda gli anelli, la squadra ha notato diversi obiettivi lì:

"Stabilire un elenco completo degli anelli planetari e dei loro satelliti interni Shepherd, studiare le caratteristiche, il meccanismo di formazione, lo scambio di materiale e il trasporto di gas di anelli planetari di diversi tipi orbitali, analizzare l'origine di diversi corpi celesti e rilevare la possibile materia organica... più anelli planetari di Nettuno non sono distribuiti uniformemente in longitudine. Invece, presenta una struttura discreta simile a un blocco d'arco. Perché queste strutture di blocco d'arco possono esistere e se esistono stabilmente senza diffondersi, sono tutti problemi dinamici interessanti. "

L'agenzia spaziale cinese ha fatto alcune mosse piuttosto impressionanti negli ultimi anni che illustrano come la nazione sia diventata una grande potenza nello spazio. Questi includono lo sviluppo di razzi a lancio pesante come il Long March 9, il dispiegamento di stazioni spaziali (il programma Tiangong) e il loro successo con i programmi Chang'e e Tianwen che hanno inviato esploratori robotici sulla luna e su Marte. Una missione come questa, che volerebbe verso il sistema solare esterno e uno dei corpi meno studiati, indica come la Cina spera di espandere il suo programma spaziale nei prossimi anni.

Integrerebbe anche il piano della NASA di inviare una sonda robotica su Urano, un altro dei corpi meno studiati del sistema solare. Come il proposto Neptune Explorer, questa missione studierebbe l'atmosfera, la struttura interna, le lune e gli anelli di Urano utilizzando un veicolo spaziale orbitante e una sonda dispiegabile. I dati risultanti terrebbero impegnati gli astronomi e gli scienziati planetari per decenni e potrebbero rivelare alcune cose davvero rivoluzionarie sul sistema solare esterno, non ultima la sua storia e il modo in cui ciò ha permesso l'emergere della vita qui sulla Terra. + Esplora ulteriormente

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