Uma olhada na Pesquisa Decadal Planetária para 2023-2032, e você verá algumas propostas de missão ousadas e de ponta para a próxima década. Os exemplos incluem um orbitador e sonda de Urano (UOP) que estudaria o interior, a atmosfera, a magnetosfera, os satélites e os anéis de Urano; e um orbitador Enceladus e uma sonda de superfície para estudar as plumas ativas que emanam da região polar sul de Enceladus. Para não ficar atrás, a China também está considerando um Neptune Explorer movido a energia nuclear para explorar o gigante do gelo, sua maior lua (Triton) e seus outros satélites e anéis.
A missão foi objeto de um estudo realizado por pesquisadores da Agência Espacial Nacional da China (CNSA), da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Autoridade de Energia Atômica da China, da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial e de várias universidades e institutos. O artigo que descreve suas descobertas (publicado na revista SCIENTIA SINICA Technologica) foi liderado por Guobin Yu, pesquisador da Escola de Astronáutica da Universidade de Beihang e do Departamento de Ciência e Tecnologia e Qualidade do CNSA.
Como eles indicam em seu artigo, gigantes do gelo como Netuno são um tesouro potencial de descobertas científicas. Além de sua fascinante estrutura interior (que inclui chuva de diamantes!), acredita-se que Netuno tenha desempenhado um papel importante na formação do sistema solar. Em suma, sua composição inclui grandes quantidades de gás que faziam parte da nebulosa protoestelar da qual nosso sistema se formou. Ao mesmo tempo, sua posição indica onde os planetas se formaram (e desde então migraram para suas órbitas atuais).
Há também os mistérios duradouros da maior lua de Netuno, Tritão, que os astrônomos suspeitam ser um planetóide lançado do sistema solar externo e capturado pela gravidade de Netuno. Acredita-se também que a chegada deste planetóide tenha causado um abalo com os satélites naturais de Netuno, fazendo com que eles se quebrassem e se fundissem para formar novas luas. Também é teorizado que Tritão acabará por se separar e formar um halo em torno de Netuno ou colidir com ele. Basicamente, o estudo de Netuno, seus satélites e sua dinâmica orbital podem fornecer respostas sobre como o sistema solar se formou, evoluiu e como a vida começou.
Infelizmente, devido às dificuldades de enviar missões ao espaço profundo (que inclui janelas de lançamento, fonte de alimentação e comunicações), apenas uma missão visitou Netuno. Esta foi a sonda Voyager 2, que passou pelo sistema em 1989 e obteve a maior parte do que sabemos agora sobre esse gigante de gelo e seu sistema. Além disso, a natureza dos instrumentos científicos da Voyager 2 impôs certas limitações à quantidade de dados que ela poderia adquirir. Nos últimos anos, a NASA propôs enviar uma missão para explorar Netuno e Tritão (a espaçonave Trident).
No entanto, esta missão não foi atribuída prioridade pelo Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey 2023-2032 e foi preterida para um Uranus Orbiter and Probe (UOP). Mas, dado o potencial e as imensas melhorias que foram feitas nos instrumentos da espaçonave desde que Netuno foi visitado pela última vez, Yu e seus colegas recomendam outra missão a Netuno. (Nota: todas as informações e citações traduzidas do artigo original, escritas em mandarim).
Considerações de design
Obviamente, os desafios mencionados acima permanecem, que foram usados para informar o design da espaçonave e sua arquitetura de missão. Olhando para a questão do fornecimento de energia, Yu e seus colegas precisavam de uma fonte que pudesse fornecer eletricidade de forma segura e confiável por não menos de quinze anos. Eles determinaram que um gerador termoelétrico de radioisótopo (RTG) com capacidade de energia de 10 quilowatts (kWe) seria suficiente. Esta bateria nuclear, semelhante ao que os rovers Curiosity e Perseverance usam, converte energia térmica da decomposição de material radioativo em eletricidade. Como eles afirmam em seu papel:
“Considerando a maturidade técnica da fonte de alimentação do reator espacial de diferentes níveis de potência, os requisitos de energia dos detectores e propulsão elétrica, a capacidade de lançamento do veículo lançador e o financiamento, a potência de saída da fonte de alimentação do reator espacial para a exploração de Netuno missão é determinada em 10 kWe.”
Eles recomendam ainda que o sistema de fornecimento de energia seja baseado em um esquema de uso de um tubo de calor, um conjunto de unidades de conversão termoelétrica e um conjunto de dissipadores de calor como uma única unidade de geração de energia. Várias unidades de geração de energia, onde a energia térmica é convertida em energia elétrica, podem ser conectadas em paralelo para fornecer energia à espaçonave. Este sistema, eles escrevem, será capaz de fornecer à missão “8 anos de operação de potência total de 10 kWe e 7 anos de operação de baixa potência de 2 kWe, o que pode efetivamente garantir a confiabilidade e a segurança do sistema durante toda a missão”.
A equipe também identificou vários processos-chave essenciais para a operação segura e confiável deste sistema. Entre eles, o gerador deve garantir geração de calor contínua e controlável a partir da fissão nuclear, transferência confiável de calor no reator, conversão termoelétrica eficiente e remoção de calor residual. Para conseguir isso, o projeto de seu reator exige hastes de urânio-235, ligas monolíticas de urânio-molibdênio e elementos cerâmicos em forma de haste que permitem alta transferência eficiente com um núcleo leve e compacto.
A espaçonave também levaria vários instrumentos para estudar o planeta, seu sistema e objetos ao longo do caminho. Isso inclui uma sonda atmosférica de Netuno (NAP) para estudar o interior do planeta e uma sonda de penetração Triton (TPP) que examinaria a crosta da lua. Um complemento de satélites menores (CubeSats ou nanossatélites) também seria implantado ao longo do caminho para explorar um asteroide do Cinturão Principal e um asteroide Centauro.
Perfil da missão
Para começar, a equipe explorou vários métodos possíveis para explorar Netuno (detecção remota, sobrevoos, observação orbital, pouso suave, etc.). O sensoriamento remoto e os sobrevôos foram descartados imediatamente porque não permitiriam que a missão medisse efetivamente a composição profunda e a estrutura interna de Netuno. “Os requisitos são altos e a escala de tarefas, dificuldade técnica e requisitos de financiamento são extremamente grandes”, afirmam. “Com base nos objetivos científicos, nível técnico e escala de financiamento, o método de detecção é determinado como detecção de órbita polar.”
Outra consideração foi que, dadas as distâncias envolvidas (uma média de 30 UAs do Sol) e a capacidade de carga de uma missão ao espaço profundo, a velocidade de voo da sonda deveria ser aumentada o máximo possível durante o estágio inicial. Eles concluíram ainda que a melhor maneira de fazer isso (e desacelerar para alcançar uma órbita em torno de Netuno) era realizar um lançamento por volta de 2030, o que permitiria uma assistência gravitacional com Júpiter e uma data de chegada de 2036. Outras oportunidades de lançamento incluem 2028, 2031 e 2034, mas qualquer voo precisaria chegar a Netuno antes de 2040.
Depois de completar algumas órbitas, a espaçonave lançaria uma série de pequenos satélites e duas sondas para explorar a atmosfera de Netuno e a superfície de Tritão (respectivamente).
Objetivos científicos
De acordo com Yu e seus colegas, existem quatro grandes objetivos científicos que um Neptune Explorer deve investigar. Estes incluem a estrutura e composição interna de Netuno, sua magnetosfera e ionosfera, suas luas e anéis e suas populações de troianos e centauros (pequenas famílias de asteróides que compartilham sua órbita). Em termos de sua estrutura/composição, os astrônomos esperam lançar luz sobre as estranhas propriedades térmicas de Netuno, que se acredita serem o resultado de seus “padrões climáticos”. Como escrevem:
“As fontes internas de calor de Netuno (colapso gravitacional, força de maré, calor de decaimento de isótopos, etc.) são consideradas uma das fontes importantes para manter a temperatura da superfície de Netuno. o resultado real 47K, então a medição da radiação infravermelha em uma banda de frequência mais ampla é útil para entender o mecanismo de operação da taxa de liberação de calor dentro de Netuno.”
Examinar o interior de Netuno também explicaria por que o planeta é muito menor que Saturno, mas tem mais que o dobro da densidade de massa média. Saber mais sobre a composição atmosférica de Netuno também revelará como ela difere da atmosfera de Urano (semelhantemente azul, mas mais leve). Esta pesquisa também revelará novas informações sobre a composição das nuvens protoestelares a partir das quais o gigante de gelo se formou e a formação do sistema solar por extensão.
O estudo da magnetosfera e ionosfera de Netuno pode ajudar a resolver o mistério do eixo magnético vs. rotacional de Netuno. Como Urano, o eixo magnético de Netuno é fortemente inclinado em relação ao seu eixo rotacional (47°) e deslocado por 0,55 raios (13.500 km; 8388,5 milhas) do centro do planeta. Antes do sobrevoo da Voyager 2, a hipótese era que isso fosse o resultado da rotação lateral de Netuno, mas agora acredita-se que seja devido a um efeito de dínamo no interior. Outros objetivos incluem a causa dos poderosos furacões do planeta e o motivo da formação e presença de longo prazo da grande mancha escura de Netuno.
Quanto às luas e anéis de Netuno, o potencial para descobertas científicas inclui a órbita retrógrada, revolução e migração dinâmica de Tritão (a maior lua de Netuno). O fato de Tritão orbitar na direção oposta da rotação de Netuno é um dos principais argumentos de como Tritão poderia ser um planeta anão que se formou no Cinturão de Kuiper – o outro é sua composição, que é semelhante à de Plutão. De acordo com essa teoria, Tritão foi ejetado do Cinturão de Kuiper e capturado pela gravidade de Netuno, o que causou o rompimento dos satélites existentes de Netuno e a formação de novos satélites menores.
Em essência, estudar a dinâmica orbital de Tritão poderia lançar luz sobre a história do início do sistema solar, onde objetos e planetóides ejetados ainda estavam se estabelecendo em suas órbitas atuais. Isso poderia ser complementado por uma análise comparativa de 2014 MU69 (também conhecido como Arrakoth), o KBO que a sonda New Horizons estudou durante seu voo próximo em julho de 2015 e outros KBOs para aprender mais sobre a origem de Triton.
Há também a atividade criovulcânica de Tritão, resultante da flexão de maré em seu interior causada pela atração gravitacional de Netuno. No entanto, essa atividade aumenta quando Tritão está mais próximo do sol (periélio), resultando em maiores erupções do interior. Isso deixará maiores concentrações de nitrogênio e outros gases na tênue atmosfera da lua, que podem ser estudadas para aprender mais sobre sua composição e estrutura interior. Quanto aos anéis, a equipe observou vários objetivos:
“Estabeleça uma lista completa de anéis planetários e seus satélites Shepherd internos, estude as características, mecanismo de formação, troca de materiais e transporte de gás de anéis planetários de diferentes tipos orbitais, analise a origem de diferentes corpos celestes e detecte possível matéria orgânica … múltiplos anéis planetários de Netuno não são uniformemente distribuídos em longitude. Em vez disso, ele apresenta uma estrutura discreta em forma de bloco de arco. Por que essas estruturas de bloco de arco podem existir, e se elas existem de forma estável sem se espalhar, são problemas dinâmicos interessantes.”
A agência espacial da China fez alguns movimentos impressionantes nos últimos anos que ilustram como a nação se tornou uma grande potência no espaço. Estes incluem o desenvolvimento de foguetes de lançamento pesado como o Long March 9, a implantação de estações espaciais (o programa Tiangong) e seu sucesso com os programas Chang’e e Tianwen que enviaram exploradores robóticos para a Lua e Marte. Uma missão como essa, que voaria para o sistema solar externo e um dos corpos menos estudados, indica como a China espera expandir seu programa espacial nos próximos anos.
Também complementaria o plano da NASA de enviar uma sonda robótica para Urano, outro dos corpos menos estudados do sistema solar. Como o Neptune Explorer proposto, esta missão estudaria a atmosfera de Urano, estrutura interior e luas e anéis usando uma espaçonave em órbita e uma sonda implantável. Os dados resultantes manteriam os astrônomos e cientistas planetários ocupados por décadas e poderiam revelar algumas coisas verdadeiramente inovadoras sobre o sistema solar externo – inclusive sua história e como isso permitiu o surgimento da vida aqui na Terra.
Publicado em 17/07/2022 17h13
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