Uranus Orbiter and Probe
| Uranus Orbiter and Probe | |
|---|---|
| Dati della missione | |
| Operatore |  NASA
|
| Destinazione | Urano |
| Vettore | Falcon Heavy (proposto) |
| Lancio | 2031 (proposto) |
| Durata | 18,5 anni (totale) 4 anni (missione scientifica) |
| Proprietà del veicolo spaziale | |
| Potenza | 3 × 245 watt |
| Massa | ~ 7200 kg (al lancio) |
Uranus Orbiter and Probe (UOP) è un concetto di missione spaziale per studiare Urano e i suoi satelliti mediante un orbiter, che rilascerebbe anche un sonda nell'atmosfera del pianeta per analizzarla. Il progetto è stato proposto come missione prioritaria per il decennio 2023-2032 del Programma Flagship, la classe più costosa delle tre classi di missioni della NASA per l'esplorazione del sistema solare.
La proposta al 2022 mirava a un lancio nel 2031 effettuato con un Falcon Heavy e prevedeva successivamente un gravity assist con Giove per consentire l'arrivo a Urano non prima del 2040. La fase scientifica durerebbe 4,5 anni e includerebbe più sorvoli ravvicinati di ciascuno dei suoi satelliti principali. Il costo della missione verso Urano è stato stimato in 4,2 miliardi di dollari, ed è comunque stata preferita a una missione simile ma per Nettuno, Neptune Odyssey, i cui costi sarebbero stati anche maggiori, a causa della distanza.
Storia
La Voyager 2 è l'unica sonda spaziale ad aver visitato il sistema di Urano, effettuando un breve sorvolo ravvicinato il 24 gennaio 1986. Il Planetary Science Decadal Survey 2011-2022 aveva raccomandato una missione di classe Flagship per un gigante ghiacciato come terza priorità dietro a Mars 2020 ed Europa Clipper. I giganti di ghiaccio, come Urano e Nettuno, sono ora conosciuti come un tipo comune di esopianeta, per cui ulteriori studi sui giganti ghiacciati del sistema solare sono diventati una priorità per la comunità scientifica.
Nel 2017, prima del sondaggio per il decennio 2023-2032, un comitato ha ristretto a venti i concetti di missione selezionabili, di cui tre per Urano e un quarto per Nettuno. Una missione su Nettuno è vista da alcuni come di maggiore valore scientifico poiché Tritone, probabilmente un oggetto catturato nella fascia di Kuiper è un mondo con un probabile oceano sotto la superficie e un obiettivo astrobiologico più interessante delle lune di Urano (sebbene anche Ariel e Miranda siano anch'essi possibili mondi oceanici). C'era anche uno studio che considerava un concetto di missione per Urano di classe New Frontiers se fosse stata favorita una missione di classe Flagship su Nettuno. Tuttavia, considerando i costi, la disponibilità del veicolo e delle finestre di lancio disponibili, il Planetary Science Decadal Survey 2023-2032 ha raccomandato Uranus Orbiter and Probe invece di una proposta analoga per Nettuno.
Revisione del progetto
Uno studio del 2026 di Amy Simon et al. ha identificato diverse sfide e difficoltà che la sonda potrebbe incontrare e propone alcune soluzioni. DIfficilmente la sonda potrebbe esere pronta per il 2032, e poiché le finestre di lancio successive non godranno del corretto allineamento planetario con Giove e Saturno per essere usati come fionda gravitazionale, si dovrebbero considerare tecnologie di propulsione alternative, come la propulsione solare elettrica (SEP), o in alternativa, un lancio con Starship, che grazie ai rifornimenti in orbita terrestre potrebbe lanciare la sonda direttamente verso Urano in un periodo di 10 anni. Un altro studio del 2025 considera anche un'opzione più esotica: mandare la stessa Starship con la sonda a Urano ancor più velocemente e utilizzarla come scudo per l'aerobraking nell'atmosfera uraniana: in questo caso il tempo di viaggio calerebbe a 7 anni, avrebbe il vantaggio di poter mandare carichi utili anche maggiori, tuttavia sarebbe una missione rischiosa con tecnologia non testata, come il rifornimento orbitale di Starship e il comportamento durante il viaggio e durante l'aerobreaking nell'atmosfera uraniana.
Il rallentamento una volta arrivata a Urano è del resto uno dei problemi maggiori, in quanto serve molta energia per frenare una volta arrivati a destinazione e immettersi in orbita attorno al pianeta. Urano è infatti il pianeta gassoso meno massiccio e meno denso del sistema solare, e questo rende la frenata tramite la gravità di Urano meno efficiente. Lo studio ha suggerito che la sonda dovrebbe utilizzare più sorvoli della luna più grande di Urano, Titania, per rallentare perché è quella di massa e gravità maggiore.
Lo studio ha anche analizzato la possibilità di collisioni con particelle degli anelli a causa delle incertezze nella struttura e nella composizione degli anelli di Urano. Lo studio ha suggerito che la sonda dovrebbe entrare in orbita passando tra gli anelli e il pianeta, e ha anche proposto di utilizzare l'atmosfera di Urano per l'aerofrenaggio al fine di minimizzare l'uso di carburante. Tuttavia, da studi recenti con il JWST, la zona degli anelli risulta essere complessa e polverosa, e il rischio di colpire una particella dell'anello durante questa manovra è stato riconosciuto come una preoccupazione significativa. Anche l'estrema inclinazione di Urano e del suo sistema di lune è un'altra problematica non comune: poiché la sonda spaziale arriverebbe lungo una traiettoria quasi allineata con il piano dell'eclittica, cambiare la sua rotta per adattarsi al piano equatoriale altamente inclinato di Urano richiederebbe una quantità sostanziale di carburante, oppure aiuti gravitazionali attentamente pianificati. Questo cambiamento del piano orbitale sarebbe una delle manovre più impegnative della missione.
Un'altra possibile modifica del progetto originale riguarda i generatori termo elettrici a radioisotopi, indispensabili per fornire energia a distanze dove i pannelli solari sarebbero sostanzialmente inutili, visto che la luce solare a quella distanza è 400 volte più debole che in orbita terrestre. Ne sarebbero previsti tre di nuova generazione (Next-Gen RTG), tuttavia uno studio del 2024 ipotizza che nel 2035 non ci sia sufficiente plutonio-238 per 3 Next-RTG: Simon et al. suggeriscono alcune soluzioni per una missione ugualmente duratura ed efficente pur avendo solo due RTG, come una programmazione intelligente degli strumenti durante la missione, che sarebbero attivati a turno a seconda delle necessità del momento. Il fattore positivo di un RTG in meno è il minor peso della sonda (56 kg), e quindi una minor quantità di energia necessaria al lancio e al frenaggio per l'inserimento in orbita uraniana. Una configurazione a due RTG consente anche una rimodellazione più efficiente e snella della sonda, con un peso totale che sarebbe 338 kg in meno di quello previsto nel progetto originale.
Obiettivi scientifici
Sono diversi gli obiettivi scientifici di una missione verso Urano, che dovrebbero cercare di rispondere a diverse quesiti che si sono posti gli scienziati.
Origine, struttura interna e atmosfera
- Come funziona la circolazione atmosferica, dall'interno alla termosfera, in un gigante ghiacciato?
- Qual è la struttura tridimensionale dello strato meteorologico dell'atmosfera?
- Quando, dove e come si è formato Urano, come si è evoluto sia termicamente che spazialmente, inclusa la migrazione, e come ha acquisito la sua inclinazione assiale retrograda?
- Qual è la composizione della massa di Urano e quanto essa dipende dalla profondità?
- Urano ha strati distinti o un nucleo diluito, e questo può essere legato alla sua formazione e inclinazione?
- Qual è il vero tasso di rotazione di Urano e quanto sono profondi i venti?
Magnetosfera
- Quale processo produce il complesso campo magnetico di Urano?
- Quali sono le fonti e le dinamiche del plasma della magnetosfera di Urano e come interagisce con il vento solare, l'alta atmosfera di Urano e le superfici dei satelliti?
Satelliti e anelli
- Quali sono le strutture interne e i rapporti tra roccia e ghiaccio delle grandi lune di Urano e quali lune possiedono sostanziali fonti di calore interne o possibili oceani?
- In che modo la composizione e le proprietà delle lune di Urano vincolano la loro formazione ed evoluzione?
- Quale storia e processi geologici registrano le superfici e quali prove di interazioni esogene mostrano?
- Quali sono le composizioni, le origini e la storia degli anelli di Urano e delle piccole lune interne, e quali processi li hanno scolpiti nella loro attuale configurazione?
Strumenti
La sonda spaziale, secondo il progetto, dovrebbe trasportare i seguenti strumenti scientifici aventi una massa totale di circa 54 chilogrammi:
- Un magnetometro
- Una macchina fotografica con teleobiettivo
- Una fotocamera dotata di grandangolo (può essere abbandonata in caso di problemi di budget)
- Una termocamera per osservazioni dell'emissione termica
- Una telecamera che opera nel campo del visibile e del vicino infrarosso
- Uno spettrometro al plasma per rilevare particelle energetiche
- Un oscillatore ultra-stabile
Inoltre, la sonda atmosferica trasporterà i seguenti strumenti che corrispondono a una massa di circa 21 chilogrammi:
- Uno strumento per studiare la struttura dell'atmosfera
- Uno spettrometro di massa
- Un oscillatore ultra-stabile
- Uno strumento per misurare l'idrogeno orto-para (può essere abbandonato in caso di problemi di bilancio).
Note
- ↑ Athul Pradeepkumar Girija, A Flagship-class Uranus Orbiter and Probe mission concept using aerocapture, in Acta Astronauta, vol. 202, gennaio 2023, pp. 104-118.
- ↑ Esplorazione spaziale: prossima fermata? Urano, su media.inaf.it, 22 giugno 2022.
- 1 2 Visions and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013–2022, su solarsystem.nasa.gov.
- ↑ Chris Gebhardt, New SLS mission options explored via new Large Upper Stage, su nasaspaceflight.com, NASASpaceFlight, 20 November 2013.
- 1 2 William B. Hubbard, SDO-12345: Ice Giants Decadal Study (PDF), su National Academies Press, National Academy of Sciences, 3 giugno 2010 (archiviato il 6 maggio 2021).
- ↑ Exploration Strategy for the Outer Planets 2023–2032: Goals and Priorities, 2021.
- ↑ It’s time to explore Uranus and Neptune again — and here's how NASA could do it. Loren Grush, The Verge. 16 giugno 2017.
- ↑ Revisiting the ice giants: NASA study considers Uranus and Neptune missions. Jason Davis. The Planetary Society. 21 giugno 2017.
- ↑ NASA Completes Study of Future ‘Ice Giant’ Mission Concepts Archiviato il 6 agosto 2020 in Internet Archive.. NASA TV. 20 giugno 2017.
- ↑ Mark Hofstadter, THE CASE FOR A URANUS ORBITER (PDF), Jet Propulsion Laboratory/.
- ↑ Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032, National Academies Press, 2022, p. 800, DOI:10.17226/26522, ISBN 978-0-309-47578-5.
- ↑ Jeff Foust, Planetary science decadal endorses Mars sample return, outer planets missions, 19 aprile 2022.
- 1 2 3 4 (EN) Amy A Simon et al., Uranus Orbiter and Probe: Mission Challenges and Concept Updates Since the Origins, Worlds, and Life Decadal Survey, in The Planetary Science Journal, vol. 7, n. 6, 2026, DOI:10.3847/PSJ/ae680c.
- ↑ (EN) Daniel Gochenaur et al., Institute of Electrical and Electronics Engineers, Starship as an Enabling Option for a Uranus Flagship Mission, 2025 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, marzo 2025, DOI:10.1109/AERO63441.2025.11068722.
- ↑ Simon 2021, pp. 16-18.
Bibliografia
- (EN) Amy Simon; Francis Nimmo; Richard C. Anderson, Uranus Orbiter & probe - Planetary mission concept study for the 2023–2032 Decadal Survey, NASA, 2021, p. 59, ConceptStudy.
