Em pouco mais de um ano, uma nova década começará, e com ela um fluxo completamente novo de ideias para as missões da NASA se abrirá, algumas mais próximas - como Marte, algumas mais distantes. Alguns muito distantes. Algumas pessoas esperam que a era da viagem robótica a mundos que não estão apenas a milhões - bilhões de quilômetros de nós se abra para nós. Isso inclui Urano e Netuno (os planetas que visitamos em 1986 e 1989, respectivamente), bem como centenas de corpos de gelo fora da região conhecida como cinturão de Kuiper.
O Cinturão Kuiper é o lar de Plutão e milhares de outros mundos de tamanhos variados. A maioria dos corpos lá são feitos de blocos de construção de nosso sistema solar, há muito tempo escoltados para regiões geladas distantes. Uma visita ao Cinturão de Kuiper pode nos fornecer pistas para perguntas sobre como nosso planeta e seus vizinhos se formaram, por que existe tanta água e outros mistérios.
Nas fronteiras do sistema solar
Urano e Netuno também guardam muitos mistérios por conta própria. Quanto mais aprendemos sobre os sistemas planetários, mais frequentemente vemos que a maioria dos mundos não é tão grande quanto Júpiter e não é tão pequena quanto a Terra. Muitos deles tendem a ser semelhantes em tamanho a Urano e Netuno, "gigantes de gelo" que são nomeados devido ao estado exótico do gelo de água que fica nas profundezas de camadas nebulosas. O estudo de Urano e Netuno não só nos ajudará a entender os planetas em nosso sistema solar, como também nos ajudará a entender os planetas que giram em torno de outras estrelas.
Muitas dessas missões dependem do tempo. A próxima Pesquisa Decadal - a "pesquisa de dez anos" da NASA sobre quando a agência enviará espaçonaves nas décadas de 2020 e 2030 - pode criar ou interromper esses planos de longo alcance para explorar o sistema solar externo.
Pesquisa decadal: como a pesquisa decadal irá progredir
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A partir de 2020, um grupo da Academia Nacional de Ciências (com a participação de vários stakeholders da comunidade espacial) irá se reunir e traçar uma lista de alvos prioritários de pesquisa. Os cientistas oferecerão suas opções na forma de recomendações escritas conhecidas como "white papers" (leia-se: white paper).
A partir dessas recomendações, surgirá um consenso geral sobre quais devem ser as prioridades. Esses objetivos servem como referência para as ofertas de missão de médio alcance na categoria Novas Fronteiras (New Horizons e Juno estavam nesta categoria). A NASA primeiro compila uma lista de missões propostas e, em seguida, reduz gradualmente para um ou dois finalistas. Depois que um finalista recebe luz verde, a equipe por trás dele pode começar a planejar e projetar - e isso leva anos.
Tudo isso pode dificultar o acesso a uma janela específica através da qual será possível explorar Urano ou Netuno, bem como olhar um objeto do cinturão de Kuiper. É por isso que gráficos precisos são arriscados.
Visitando o gigante do gelo
Um dos grupos, em particular, considerou a opção de uma missão para visitar Urano e Netuno ao mesmo tempo. A última iteração inclui um sobrevôo de Urano e um orbital de Netuno. Liderados por Mark Hofstadter e Amy Simon, os cientistas planejam ver um lado de Urano diferente do observado pela Voyager 2 em 1986 e estudar Netuno e sua maior lua, Tritão. Tritão gira para trás, o que pode ser devido ao fato de que já foi o maior objeto no cinturão de Kuiper - antes de Netuno puxar Tritão em sua direção, ejetando muitos de seus satélites originais.
Simon diz que essas missões devem ser realizadas ao longo de 15 anos, incluindo viagens e tempo de pesquisa. Isso se deve ao tempo que as partes individuais do veículo podem sobreviver no espaço com relativa certeza. Embora uma espaçonave possa viver mais, 15 anos é o mínimo, durante os quais se pode ter certeza de que a missão cumprirá plenamente suas tarefas científicas, mas como garantir que a viagem não desperdice muitos recursos na atual fase de pesquisas? Uma forma de acelerar uma espaçonave é usar a força gravitacional do planeta para acelerar.
“Normalmente, para chegar lá em menos de 12 anos, eles voam ao redor de planetas, incluindo a Terra e Vênus”, diz Simon. Em tais cenários, você mergulha no poço gravitacional do planeta, na esperança de um efeito de estilingue que acelere sua nave e economize o máximo de combustível possível. Júpiter também é usado pela melhor das opções, pois é o mais massivo e pode acelerar bastante a espaçonave.
A New Horizons, por exemplo, usou a ajuda de Júpiter para chegar a Plutão. A Cassini usou quatro sobrevoos separados para acelerar com Saturno após o lançamento da Terra, recebendo aceleração de Vênus duas vezes, retornando à Terra e, finalmente, o salto final de Júpiter.
Simon diz que, para chegar a Urano em um cronograma apertado, um sobrevôo de Saturno poderia ser usado - por exemplo, em uma janela entre 2024 e 2028, para pegar o gigante gasoso no lugar certo em sua órbita de 29 anos. Tal missão exigirá raciocínio rápido pelos padrões da NASA - geralmente as missões são planejadas dez anos antes do lançamento, então planejadas, projetadas e lançadas dentro de cinco anos - então você terá que contar com a próxima janela, um sobrevôo de Júpiter entre 2029 e 2032, seguido por uma saída para Neptuno. A próxima chance não aparecerá antes de dez anos a partir de agora.
Uma missão para Urano pode usar propelentes e motores tradicionais para chegar aos pontos de aceleração mais rapidamente - seja um foguete Atlas V ou um foguete Delta IV Heavy. Mas, como Netuno está tão longe e a trajetória exata não se alinha tão perfeitamente como gostaríamos, a missão neste planeta dependerá do Sistema de Lançamento Espacial, os foguetes de próxima geração da NASA com carga útil aumentada (e ainda nem voou). Se não estiver pronto a tempo, teremos que contar com outra tecnologia de última geração: a propulsão elétrica solar, que usa a energia solar para acionar o gás ionizado e acelerar o veículo. Até agora, ele só foi usado na espaçonave Dawn em missões para o Oeste e Ceres e em duas missões para pequenos asteróides.
“Mesmo no caso da eletricidade solar, os motores químicos ainda são necessários caso a energia solar se torne ineficaz e também para frear em órbita”, diz Simon.
Assim, o cronograma é bastante apertado. Mas se nos movermos mais ativamente, essas duas missões podem servir a um propósito diferente: alcançar os mundos inexplorados do cinturão de Kuiper.
Grande desconhecido
Outro artigo, escrito por três membros da equipe da New Horizons, examina a possibilidade de retornar ao cinturão de Kuiper após uma caminhada bem-sucedida de sondagem até Plutão. “Vimos como era interessante e queríamos saber o que mais havia por aí”, disse Tiffany Finley, engenheira-chefe do Southwest Research Institute (SWRI) e co-autora de um artigo publicado no Journal of Spacecraft and Rockets.
O Cinturão de Kuiper contém restos de gelo que sobraram da formação do sistema solar e os objetos nele incluem uma vasta gama de materiais diferentes. Plutão, por exemplo, é ligeiramente maior que Eris. Mas Plutão é feito de gelo, por isso tem menos massa. Eris é composta em sua maior parte por rochas, por isso é mais densa. Alguns mundos parecem ser compostos de metano, enquanto outros contêm muita amônia. Em algum lugar no quintal de nosso sistema solar, existem muitos planetas anões e pequenos mundos que contêm pontos-chave para nossa compreensão de como os planetas surgem - e se outros sistemas planetários podem ser como o nosso.
Os cientistas usaram restrições estreitas: eles limitaram a missão a 25 anos e analisaram 45 dos mais brilhantes objetos do cinturão de Kuiper, comparando-os com relação a diferentes cenários de sobrevôo planetário. Júpiter, surpreendentemente, descobriu a maioria dos alvos da lista. Mas a janela de Júpiter abre uma vez a cada 12 anos, tornando as missões de Júpiter dependentes do tempo. Um simples sobrevôo de Saturno fornece uma lista muito boa de alvos do cinturão de Kuiper.
Mas quando você emparelha esses mundos com Urano ou Netuno, você tem a chance de descobrir novos fatos sobre nossos planetas mais distantes e misteriosos e até mesmo alguns planetas anões de uma só vez.
O efeito do estilingue ajudará a alcançar esses mundos, primeiro de Júpiter e depois de outro planeta. Cada um desses planetas se alinha com Júpiter em uma janela estreita na década de 2030 e se encaixa perfeitamente em diferentes partes dessa década. Por exemplo, para obter a lista de mundos no caminho com Netuno, você precisa chegar a Júpiter no início da década de 2030, e chegar ao cinturão de Kuiper via Urano exigiria um lançamento em meados da década de 2030. Júpiter e Saturno se alinham a tempo para um estilingue no cinturão de Kuiper no final dos anos 2030.
A lista de objetivos oferece muitas possibilidades interessantes. Varuna, um mundo alongado que adquiriu esta forma devido à sua rápida taxa de rotação, é perfeito para voar ao redor de Júpiter-Urano. Netuno, como já mencionado, fornece um vislumbre de Eris. A missão através de Júpiter-Saturno permitirá a observação de Sedna, um grande planeta anão com uma órbita que pode apontar o caminho para um planeta dez ainda não descoberto. Júpiter-Saturno permitirá que você pare em um dos planetas anões mais interessantes: Haumea.
Como Varuna, Haumea tem a forma de ovo, enquanto a maioria dos grandes planetas anões no cinturão de Kuiper são geralmente redondos. Mas Haumea ganhou essa forma de uma colisão antiga que deu a ela duas luas, um sistema de anéis e uma cauda feita de destroços. Quando os asteróides têm uma composição semelhante, eles são chamados de "família de colisão". Haumea produziu a única família conhecida de colisões no cinturão de Kuiper.
O que quer que escolhamos, não teremos muito tempo. Portanto, se quisermos ver os anéis de Haumea ou mesmo a luz vermelha alienígena de Sedna, o trabalho precisa começar o mais rápido possível. Esses mundos são tão pequenos que só há uma maneira de descobrir seus segredos: chegar até eles.
Ilya Khel
