چین قصد سفر هسته‌ای به سیاره نپتون را دارد

با یک نگاه به Planetary Decadal Survey (مطالعات و پرسش‌های دهه‌ای سیاره‌ها) برای سال‌های ۲۰۲۳ تا ۲۰۳۲، چند پیشنهاد جسورانه و پیشرفته برای دهه آینده را مشاهده خواهید کرد. به عنوان مثال می‌توان به مدارگرد و کاوشگر اورانوس (UOP) اشاره کرد که درون اورانوس، اتمسفر،‌ مگنتوسفر، ماهواره‌ها و حلقه‌های آن را مطالعه می‌کند. همچنین یک مدارگرد انسلادوس و فرودگر سطحی فرستاده می‌شوند تا ستون‌های فعالی را که از جنوب منطقه قطبی انسلادوس ظاهر می‌شود را بررسی کنند. برای اینکه چیزی نادیده گرفته نشود،‌ چین همچنین کاوشگر هسته‌ای برای سفر به نپتون را در نظر دارد تا پیکره‌های یخی و ماه بزرگش (تریتون) و همچنین ماهواره‌ها و حلقه‌های اطرافش را تحت نظارت قرار دهد.

این ماموریت موضوع مطالعه‌ای بود که توسط محققان آژانس فضایی ملی چین (CNSA)، آکادمی علوم چین (CAS)، سازمان انرژی اتمی چین، آکادمی فناوری فضایی چین و چندین دانشگاه و مؤسسه انجام شد. مقاله‌ای که یافته‌های آن‌ها را توصیف می‌کند (منتشر شده در مجله SCIENTIA SINICA Technologica) توسط گوبین یو، محققی از دانشکده فضانوردی در دانشگاه بی‌هانگ و گروه علم و فناوری و کیفیت در CNSA رهبری شد.

همانطور که در مقاله‌شان عنوان شد،‌ پیکره‌های یخی مانند نپتون، پتانسیل ارزشمندی برای یافته‌های علمی دارند. علاوه بر ساختار داخلی شاهکارش (ذرات باران مانندی از الماس)، نپتون نقش بزرگی در شکل‌گیری منظومه شمسی دارد. به‌طور خلاصه، ترکیب آن شامل مقادیر زیادی گاز می‌شود که بخشی از یک سحابی پیش ستاره‌ای بودند که منظومه ما از آن شکل گرفته است. در همان حال، موقعیت آن نشان می‌دهد که سیارات کجا شکل گرفته‌اند و از چه هنگام به مدارهای فعلی خود مهاجرت کرده‌اند.

همچنین مسائلی پنهان درباره ماه بزرگ نپتون (تریتون) وجود دارد. اغلب فضانوردان آن را سیاره‌ای پرت شده از منظورمه شمسی می‌دانند که نپتون به واسطه گرانشش آن را به خود نزدیک کرده است. همچنین تصور می‌شود که ورود این سیاره‌نما باعث ایجاد ارتباط با ماهواره‌های طبیعی نپتون و شکسته شدن و ادغام آنها برای تشکیل ماه‌های جدید شده است. نظریه‌ای هم وجود دارد که با شکستن تریتون، هاله‌ای اطراف نپتون تشکیل می‌شود‌ یا با آن برخود می‌کند. اساساً، مطالعه نپتون، ماهواره‌های آن و دینامیک مداری آن می‌تواند پاسخ‌هایی به چگونگی شکل‌گیری، تکامل و شروع حیات منظومه شمسی ارائه دهد.

متاسفانه، با دشواری‌های انجام ماموریت در اعماق فضا (که شامل دریچه‌های راه اندازی، منبع تغذیه و ارتباطات می‌شود)، تنها یک ماموریت در سیاره نپتون انجام شده است. این ماموریت هم به‌واسطه کاوشگر وویجر ۲ (Voyager 2) انجام شد که در سال ۱۹۸۹ به دورترین نقاط منظومه شمسی سفر کرد و بیشتر آنچه را که اکنون در مورد این پیکره یخی و سیستم آن می‌دانیم را به دست آورد. به علاوه، ماهیت ابزار علمی وویجر ۲، محدودیت‌هایی را در میزان اطلاعاتی که باید جمع‌آوری می‌کرد به‌وجود آورد. ناسا در سال‌های اخیر در تلاش بوده تا ماموریتی را برای شناخت بیشتر نپتون و تریتون انجام دهد.

اما این مأموریت توسط شورای مطالعات و پرسش‌های دهه‌ای ناسا برای ۱۰ سال آینده در اولویت قرار نگرفت و جای خود را به مدارگرد و کاوشگر اورانوس (UOP) واگذار کرد. اگرچه که آخرین ماموریت انجام شده در نپتون، پتانسیل‌ها و پیشرفت‌های بیشماری را به همراه داشت؛ اما یو و همکارانش ماموریتی دیگر به نپتون را پیشنهاد می‌کنند.

نکاتی برای طراحی

البته که چالش‌های پیش‌تر مطرح شده ضمن شناسایی ساختار فضاپیما و ماموریتش هنوز هم پا برجا است؛ اما با نگاهی به مسئله منبع تغذیه، یو و همکارانش به منبعی نیاز داشتند که بتواند به طور ایمن و مطمئن برق را برای حداقل پانزده سال تامین کند. آن‌ها مصمم هستند که یک ژنراتور ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTG) با ظرفیت ۱۰ کیلوات انرژی کافی است. این باتری هسته‌ای مشابه آنچه مریخ نوردهای Curiosity و Perseverance استفاده می‌کنند،‌ انرژی گرمایی حاصل از تجزیه مواد رادیواکتیوش را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. در مقاله‌شان عنوان شده:

«باتوجه به پیشرفت منبع تغذیه راکتور فضایی در سطوح مختلف انرژی، نیروی لازم برای ردیاب‌ها و محرکه الکتریکی، ظرفیت پرتاب وسیله پرتاب کننده و منابع مالی؛ راکتور فضایی به انرژی‌ای حدود ۱۰ کیلووات الکتریکی برای سفر به نپتون نیاز دارد.»

لی و همکارانش همچنین توصیه می‌کنند که سیستم منبع تغذیه بر اساس طرحی مبتنی بر استفاده از یک لوله حرارتی، یک مجموعه از واحدهای تبدیل ترموالکتریک و یک مجموعه از هیت سینک به عنوان یک واحد تولید برق باشد. برای اینکه نیروی گرمایشی به نیروی الکتریکی تبدیل شود، چندین نیروی برقی می‌توانند به‌گونه‌ای موازی برای تامین انرژی فضاپیما متصل شوند. به علاوه، این سیستم می‌تواند ماموریتی هشت ساله با ۱۰ کیلووات الکتریکی، ‌و ماموریتی هفت ساله با انرژی ۲ کیلووات الکتریکی کم مصرف داشته باشد. همین به خودی خود امنیت و اعتبار این سیستم را هنگام انجام ماموریت تامین می‌کند.

همچنین چندین فرایند مهم برای عملکرد درست سیستم توسط این گروه در نظر گرفته شده است. از جمله این فرایند‌ها این است که ژنراتور باید از تولید حرارت مداوم و قابل کنترل از شکافت هسته‌ای، انتقال حرارت قابل اعتماد در راکتور، تبدیل ترموالکتریک کارآمد و حذف گرمای اتلفی اطمینان حاصل کند.

سفینه فضایی باید چندین لوازم را برای مطالعه سیاره، سیستمش و چیزهایی که ممکن است هنگام انجام ماموریت به آنها بر بخورد را به همراه داشته باشد. این لوازم شامل کاوشگر اتمسفری نپتون (NAP) برای مطالعه داخل سیاره و یک کاوشگر نفوذ تریتون (TPP) که پوسته ماه را بررسی می‌کند، می‌شود. مکملی از ماهواره‌های کوچکتر (CubeSats یا نانوماهواره‌ها) نیز در طول مسیر برای کاوش یک سیارک کمربند اصلی و یک سیارک قنطورس مستقر خواهند شد.

مشخصات ماموریت

برای شروع، تیم چندین روش ممکن برای کاوش نپتون (سنجش از راه دور، پرواز، مشاهده مداری، فرود نرم و …) را بررسی کرد. سنجش از راه دور و پرواز با هواپیما منتفی شدند زیرا اینها به مأموریت اجازه نمی‌داد تا ترکیب عمیق و ساختار درونی نپتون را به طور مؤثر اندازه‌گیری کند. آنها می گویند: «به چیزهای زیادی احتیاچ داریم و مقیاس کار، دشواری فنی و نیازهای مالی بسیار زیاد است.» بر اساس اهداف علمی، سطح فنی و بودجه، روش تشخیص به عنوان تشخیص مداری قطبی تعیین شده است.

از دیگر مسائلی که به آن توجه شد، توجه به فواصل درگیر (به طور متوسط 30 واحد نجومی از خورشید) و ظرفیت حمل یک ماموریت به اعماق فضا است و سرعت پرواز کاوشگر باید تا حد امکان در مراحل اولیه افزایش یابد. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که بهترین راه برای انجام این کار و کاهش سرعت برای رسیدن به مدار نپتون انجام یک پرتاب در حدود سال ۲۰۳۰ است که امکان بهره‌برداری از گرانش مشتری را ممکن می‌کند. تاریخ رسیدن آن هم می‌تواند سال ۲۰۳۶ باشد. از دیگر فرصت‌های پرتاب  سال ۲۰۲۸ و یا ۲۰۳۱ و ۲۰۳۴ خواهد بود، اما هر پروازی باید قبل از سال ۲۰۴۰ به نپتون برسد.

پس از تکمیل چند مدار، فضاپیما قادر خواهد بود مجموعه‌ای از ماهواره‌های کوچک و دو کاوشگر را برای مطالعه اتمسفر نپتون و سطح تریتون رها کند.

اهداف علمی

با توجه به گفته‌های یو و همکارانش،‌ چند مسئله مهم علمی هست که باید توسط کاوشگر نپتون بررسی شود: ساختار و ترکیب درونی نپتون، مگنتوسفر و یونوسفر آن، ماه‌ها و حلقه‌های آن، و جمعیت تروجان‌ها (Trojan) و قنطورس‌ها (Centaurs) یا همان خانواده‌های کوچک سیارکی که در مدار آن مشترک هستند. از نظر ساختار و ترکیب، اخترشناسان امیدوارند که ویژگی‌های گرمایی عجیب نپتون را که به نظر می‌آید نتیجه الگوهای آب و هوایی آن است، روشن کنند. در مقاله‌ای که پیش‌تر عنوان کردیم نوشته‌اند:

«گرمای داخلی نپتون (فروپاشی جاذبه، نیروی جزر و مد، گرمای ایزوتوپ و …) به عنوان منبع اصلی سنجش دمای سطحی نپتون در نظر گرفته شده است. میان دمای ۵۷ کلوین محاسبه شده توسط مادون قرمز و اندازه واقعی آن، یعنی ۴۷ کلوین، تفاوت وجود دارد. بنابراین، برای درک عملکرد میزان انتشار گرما در داخل نپتون، اندازه‌گیری تابش مادون قرمز در یک باند فرکانسی وسیع‌تر می‌تواند مفید باشد.»

مطالعه بخش داخلی نپتون به ما همچنین این امکان را می‌دهد تا بفهمیم چرا با اینکه از مریخ کوچک‌تر است،‌ اما از آن جرم بیشتری دارد. هرچه بیشتر درباره اتمسفر نپتون اطلاعات کسب کنیم، تفاوت آن را نسبت به اتمسفر اورانوس که هردو آبی هستند اما اورانوس روشن‌تر است بهتر کشف خواهیم کرد. دلیل تفاوت رنگ اورانوس و نپتون را بخوانید. به علاوه تمام اینها، می‌توانیم اطلاعاتی جدید درباره ترکیب ابرهای پیش‌ستاره‌ای که پیکره یخی هم از آن شکل گرفت و منظومه شمسی گسترش یافت، بدست بیاوریم.

مطالعه مگنتوسفر و یونوسفر نپتون می‌تواند به حل معمای محور مغناطیسی در مقابل محور چرخشی نپتون کمک کند. مانند اورانوس، محور مغناطیسی نپتون به شدت نسبت به محور چرخشی خود (۴۷ درجه) کج شده و ۰.۵۵ شعاع (۱۳۵۰۰ کیلومتر؛ ۸۳۸۸.۵ مایل) از مرکز سیاره جابجا شده است. قبل از پرواز وویجر ۲، فرض می‌شد که این نتیجه چرخش جانبی نپتون است، اما اکنون تصور می‌شود که دلیلش وجود دینام در بخش داخلی است. از اهداف دیگرمان برای انجام این ماموریت می‌توان به یافتن علت طوفان‌های قدرتمند سیاره و دلیل تشکیل و وجود طولانی مدت لکه تاریک نپتون اشاره کرد.

و در بخش حلقه‌ها و ماه‌‌های نپتون ما توانمند به کشف مدار رتروگراد، چرخش و حرکت تریتون (بزرگترین ماه نپتون) خواهیم بود. حرکت تریتون در جهت مخالف نپتون، از مهم‌ترین مسائلی است که ماهیتش را به عنوان سیاره‌ای کوتوله در کمربند کویپر، غیر قابل درک می‌کند. مسئله دیگر ترکیبش است که مشابه پلوتون است. بر اساس یک نظریه، تریتون از کمبرند کویپر جدا می‌شود و اتمسفر نپتون آن را به سمت خود می‌کشاند؛ همین سبب جدایی ماهواره‌های نپتون و شکل‌گیری ماهواره‌هایی کوچک و جدیدتر شده است.

در واقع، مطالعه دینامیک مداری تریتون می‌تواند تاریخ اولیه منظومه شمسی را روشن کند؛ یعنی جایی که اجرام پرتاب شده و سیاره نماها تازه داشتند در مدارهای فعلی خود مستقر می‌شدند. این را می‌توان با تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای MU69 2014 که کاوشگر New Horizons در طول پرواز خود در جولای ۲۰۱۵، برای شناخت بهتر تریتون‌ها انجام داد،‌ مشاهده کرد.

تریتون همچنین فعالیت‌های یخ‌فشانانه‌ای دارد که ناشی از جزر و مدهای داخلی به دلیل کشش گرانشی نپتون است. نزدیک‌تر شدن تریتون به خورشید این فعالیت را افزایش می‌دهد و مسبب می‌شود که غلظت‌های بیشتری از نیتروژن و سایر گازها در جو نازک این ماه باقی بماند. این مسئله می‌تواند برای مطالعات ما درباره ترکیبات و ساختار داخلی تریتون مناسب باشد. درباره مطالعه حلقه‌ها هم، یو و گروهش نوشته‌اند:

«فهرست کاملی از حقله‌های سیاره‌ای و ماهواره‌های Shepherd داخلی آنها، مطالعه ویژگی‌ها، شیوه‌ تشکیل‌شان، چگونگی تبادل مواد و انتقال گاز حلقه‌های سیاره‌ای با انواع مدارهای مختلف، تجزیه و تحلیل منشأ اجرام آسمانی و شناسایی مواد آلی احتمالی تهیه کنید. حلقه‌های سیاره‌ای نپتون در طول جغرافیایی به طور یکسان توزیع نشده‌اند. اما در عوض، ساختاری هلال گونه دارند. دلیل وجود اینگونه ساختارها و اینکه گسترش پیدا خواهند کرد یا نه، مسائل جالبی‌اند که در پی حل‌شان هستیم.»

آژانس فضایی چین در سال‌های اخیر اقدامات نسبتاً چشمگیری انجام داده است که نشان می‌دهد چگونه این کشور به یک قدرت بزرگ در مطالعات فضایی تبدیل شده است. از جمله دستاوردهایشان، توسعه موشک‌های پرتاب سنگین مانند Long March 9، استقرار ایستگاه‌های فضایی (برنامه Tiangong) و موفقیت آنها با برنامه‌های Chang’e و Tianwen است که کاشفان رباتیک را به ماه و مریخ فرستاده‌اند. انجام چنین ماموریتی که در آن به منظومه شمسی بیرونی و اجرام کمتر مطالعه شده سفر می‌کنند، نشان می‌دهد که چین نسبت به گسترش برنامه فضایی خود امیدوار است.

تلاش‌های چین می‌تواند کمکی به طرح ناسا برای فرستادن یک کاوشگر روباتیک به اورانوس (از دیگر سیاره‌های کمتر مطالعه شده) باشد. همانند کاوشگری که چین برای سفر به نپتون پیشنهاد داد، این ماموریت اتمسفر، ساختار داخلی و ماه‌ها و حلقه‌های اورانوس را با استفاده از یک فضاپیمای در حال گردش و یک کاوشگر قابل استقرار بررسی می‌کند. داده‌هایی که پس از این ماموریت‌ها به دست خواهد آمد، ستاره شناسان و دانشمندان سیاره‌شناسی را برای دهه‌ها مشغول نگه می‌‌دارد و نتایجی شگفت‌انگیز را به ارمغان خواهد آورد. از جمله مهم‌ترین آنها، تاریخ این سیارات و چگونگی وجود حیات در زمین است.