Još nije otkrivena, ali sve (u)kazuje da iza Neptuna postoji najmanje jedna tajna planeta skrivena u tami spoljašnjih kutaka solarnog sistema, gde je Sunce samo još jedna zvezdica, malo svetlija od ostalih. Pretpostavimo za trenutak da ova planeta postoji. Prvo pitanje koje nam proleće kroz glavu je: Da li ćemo moći da otputujemo tamo? Udaljenosti o kojima govorimo su, kao što ćemo videti, ogromne, ali je fascinantno da već imamo letilice koje bi mogle da posete novi svet.
Sonda IIE (Innovative Interstellar Explorer) na ksenonski pogon leti pored Juputera da bi na taj način iskoristila njegovu gravitaciju i dobila ubrzanje za napuštanje Sunčevog sistema. Sonda ovog tipa bi mogla da poseti hipotetičku Planetu-X za manje od pola stoleća.
Pre svega, treba da rasčistimo s tim sa čim se suočavamo. To bi bilo dalje putovanje od bilo kojeg koje je čovek preduzeo. Klasičnu granicu Sunčevog sistema predstavlja orbita Neptuna, koja se nalazi na oko 30 astronomskih jedinica (AJ) od Sunca, tj. na oko 4.500 miliona km. Do danas, samo pet kosmičkih letilica je prešlo tu granicu: „“Pioneer 10“, „Pioneer 11“, „Voyager 1“, „Voyager 2“ i „New Horizons“. „Voyager 1“ je najbrža letilica ikad lansirana – 17,4 kilometra u sekundi u odnosu na Sunce – što je postigla tek posle čak 4 gravitacione asistencije džinovskih planeta tokom misije, i trenutno se nalazi na 134 AJ od Sunca, ili ~20 milijardi kilometara od kuće. Nije loše, ali za postizanje te daljine trebalo joj je 38 godina[1].
Da li ćemo moći da posetimo devetu planetu koja se nalazi iza Neptunove orbite?
Dobro, ali gde se nalazi deveta planeta? Očigledno, to niko sa sigurnošću ne zna, mada nedavne procene Mikea Browna i Konstantina Batygina sugerišu da, ako je ima, mora da putuje jako eliptičnom orbitom. Ako je to istina, Planeta-X ne bi prilazila Suncu bliže od 200 AJ (30.000 miliona km) a mogla bi da se udalji od njega na čak 1000 AJ (!). U najmanju ruku bi bila sedam puta dalja od Neptuna! Pošto bi takvoj planeti trebalo deset do dvadeset hiljada godina da napravi krug oko Sunca, jasno je da ne možemo čekati da dođe u perihel pa da krenemo u misiju ka njoj već s tim moramo da se suočimo gde god se nalazila. Nažalost, šansa da je otkrijemo kada je u blizini Sunca jako je mala, jer čak i da se to desi pretpostavlja se da bi se nalazila na oko 700 AJ (što je, slučajno, poluvelika osa koju su sugerisali proračuni Browna i Batygina ako bi superzemlja imala 10 masa naše planete).
Projekat američke sonde „Precursor Interstellar Mission“, jedne od preteča međuzvezdane misije iz 80-ih. Prikazan je trenutak odvajanje sonde za Pluton.
Nekoj sondi koja bi se kretala brzinom „Voyagera 1“ od 3,6 AJ godišnje, trebalo bi dvesta godina da stigne do Planete-X. Očigledno je da to nije dovoljno brzo. Mogli bi sada da se pozivamo na neke egzotične propulzivne sisteme kao što su antimaterija ili laserska jedra, ali je istina da je džabe prizivati sada ove nepostojeće tehnologije, kao i da je fakat da ove sonde nećeno videti više decenija, pa možda nu i ovom veku. Na sreću, nije nam ni neophodno da se pozivamo na tehnologije iz naučne fantastike.
Sedamdesetih godina prošlog veka pojavili su se prvi projekti sondi za proučavanje heliopauze, granice između Sunčeve heliosfere i međuzvezdanog medijuma, kao „granice solarnog sistema“ (manje relevantna granica ako se otkrije da iza nje postoji Planeta-X). Nije ni čudo da su projekti ovih misija više nego dovoljni za hipotetičke misije na devetu planetu. Godine 1977, Nasin tim predvođen Leonardom D. Jaffeom predložio je IPM („Precursor Interstellar Mission“) misiju koja bi prevalila 1000 AJ (0,016 svetlosnih godina) za 50 godina. Deceniju kasnije IPM je prerastao u TAU („Thousand Astronomical Unit“), projekat Nasine laboratorije JPL, te se ova dva koncepta često mešaju u literaturi. TAU bi mogao da bude odličan za posetu Planete-X, iako nam pola stoleća sada izgleda jako dugo.
Sonda TAU je konstruisana krajem 80-ih. Trebalo je da bude pokretan pomoću nuklearnog reaktora klase 1 MWe sa specifičnom masom od 12,5 kg/kWe (odn. 6 tona) i vremenom pune snage pogona od 10 godina. TAU bi dostigao 200 Aj za 15 godina, 400 AJ za 23 godine, 600 Aj za 32 godine, 800 AJ za 41 godinu i 1000 AJ za pola veka.
Da bi dostigao impresivnu brzinu od 106 km/s (ili 22 AJ/godišnje) neophodnu za uspešnost misije, TAU bi morao da poseduje nuklearni reaktor koji bi pokretao električni pogonski sistem (NEP, nuclear electric propulsion) sa desetak jonskih motora baziranih na ksenonu i negovom velikom specifičnom impulsu. Sonda TAU je trebala da ima težinu od 60 tona i dužinu od 25 metara, te bi za lansiranje u orbitu oko Zemlje bila potrebna ili neka džinovska raketa ili pomoć u vidu lansiranja nekoliko manjih raketa. Planirano je da se moduli sa nuklearnim reaktorom i pogonskim sistemom odbace nakon desetogodišnjeg leta, tj. čim sonda dostigne pravu brzinu.
Problem je što bi sonda TAU bila neverovatno skup projekat za sondu projektovanu za studiranje heliopauze. Moguće je da bi misija na devetu planetu možda mogla da bude opravdanje za cenu ovakve sonde, ali imajući u vidu trenutnu situaciju i administrativne poteškoće koje ima misija „New Horizons“ da bude produžena, šanse su male. Onda, da li je moguće poslati skromniju sondu na tu daljinu? To nije lak zadatak, ali odgovor je pozitivan.
Od 90-ih godina pojavilo se nekoliko studija za prethodnike međuzvezdanih sondi, koje su tada nazivali misijama za proučavanje helopauze, a koje se nalaze negde između planetnih sondi i međuzvezdanih sondi. Najpoznatiji su bili projekti „Interstellar Probe”, “Interstellar Explorer” i “Innovative Interstellar Explorer”, svi Nasini, kao i “Interstellar Heliocentric Probe” evropske agencije ESA. Svim ovim projektima je zajedničko da se radilo o malim aparatima, po pravilu 300-600 kg, da bi se omogućilo maksimalno ubrzanje tokom propulzivne faze misije.
Nasina sonda „Interstellar Explorer“ se udaljava od Sunca uz pomoć ksenonskih jonskih motora (REP pogon, radioisotope electric propulsion), a plava svetlost usijane plazme dale avetinjski izgled sondi. Antena na slici poseduje difrakciono Fresnelovo sočivo za optičku komunikaciju. Sonda je imala 9 radioizotopska reneratora.
Ali na koji način postići brzinu od 20 AJ/godišnje da bi se stiglo do Planete-X za manje od pola stoleća? Manevri gravitacionih asistencija velikih planeta jako su lepa stvar, ali „Voyager 1“ je iskoristio izuzetno retku priliku zgodnog poravnavanja planeta, tako da bi sonda morala da se zadovolji jedino preletom iznad Jupitera, koji, međutim, može da ubrza sondu za „samo“ 2-3 AJ/godišnje. Uzgred, prolazak pored Jupitera bi pomogao da sonda dodatno bude izbačena iz ravni ekliptike da bi mogla da preseče orbitnu ravan devete planete. Ali čak ni let pored divovskog Jupitera ne bi bio dovoljan. Bolja alternativa bi bilo korišćenje Sunca i njegovog ogromnog gravitacionog polja za ubrzavanje. Problem je što bi za korišćenje ove tehnike – zahvaljujući Oberthovom efektu – bilo potrebno proleteti jako blizu naše zvezde, tako da bi sonda morala da bude dizajnirana da izdržava jako visoke temperature. Ako bi takvoj sondi dodali solarno jedro, mogli bi značajno povećati brzinu bega iz solarnog sistema.
Možda bi solarno jedro moglo da poveća brzinu bega iz solarnog sistema nakon prolaska pored Sunca?
Projekat “Interstellar_Probe“ iz 1999. planirao je da koristi solarno jedro prečnika 400 metara koje bi pri najmanjoj udaljenosti od Sunca od 38 miliona km moglo da postigne brzinu od oko 70 km/s. Slično njemu, međuzvezdana istraživačka sonda poznata kao RISE („Realistic InterStellar Explorer“), trebala je prvo da otputuje do Jupitera da bi dospela vrlo blizu Suncu – dospeti do dna gravitacionog bunara solarnog sistema nije lako – na samo 3 miliona km. Takav prelet iznad Sunca obezbedio bi brzinu bega od 53 km/s bez upotrebe bilo kog drugog pogonskog sistema.
„Innovative Interstellar Explorer“ – Kaufmannovi 20-santimetarski jonski motori se vide kao plavi krugovi. Kao gorivo, sonda je trebala da nosi 450 kg ksenona.
Imajući u vidu tehničke poteškoće leta oko Sunca, logično je da se planiraju i neke misije bez toga. Misija „Innovative Interstellar Explorer“ iz 2003. oslanjala se isključivo na radioisotopski električni pogon (REP), koji su činili jonski motori pokretani radioizotopima (RTGs), da bi se gravitaciono ubrzao oko Jupitera i dostigao brzinu od oko 10 AJ/godišnje. Prema tadašnjem planu, zbog položaja Jupitera sonda je morala da bude lansiranja 2014. a prvih 200 AJ je trebalo da preleti do 2044. godine. Sa svoje strane, sonda evropske agencije iz 2006. godine “Interstellar Heliopause Probe” (IHP) razmatrala je nekoliko kombinacija solarnih jedara i sistema jonskog pogona. Ta studija je predviđala upotrebu jonskog pogonskog stepena koji bi bio napajan solarnom energijom (SEP, solar electric propulsion) – koji bi radio u unutrašnjosti solarnog sistema – i REP pogon sa jonskim motorima koje će napajati struja iz RTG-a da bi sonda proletela pored Jupitera i dostigla brzinu od 10 AJ godišnje. S druge strane, i raketa odabrana za lansiranje sonde značajno utiče na brzinu bega, da, ali ne ni blizu kako većina misli (sem ako imaju jači dodatni stepen). Mnogo je uputnije koristiti solarni električni pogon ili preletanje iznad neke planete.
ESA-ina sonda “Interstellar Heliopause Probe” (IHP). Levo je sondi pripojen SEP modul.
Brzine bega u solarnom sistemu u AJ/godišnje u zavisnosti od rakete i dodatnog stepena. Proračuni su pravljenu pre nego što je otkazana raketa „Ares V“, ali se ne razlikuju previše za raketu SLS Block 2. Prikazan je prelet iznad Jupitera.
Brzina od 10 AJ/godišnje bila bi vrlo pristojna kada bi se Planeta-X nalazila negde bliže, ali ako se stvarno radi o 700 AJ onda nije dovoljna. Da bi se postiglo 20 AJ/godišnje, kao u TAU projektu, trebalo bi, naprimer, kombinovati stepene SEP, radioizotopski pogon REP, solarna jedra – ili električna jedra, i rakettu snage SLS Block 2[2]. Nepotrebno je reći da bi jednovremena upotreba svih navedenih elemenata dramatično povećala troškove.
Ali postizanje potrebne brzine samo je deo problema. Moraćemo osigurati komunikaciju i višedecenijsko funkcionisanje brodskih sistema. Vezano za ovu poslednju stavku, treba uzeti u obzir pomenute decenije, tako da će možda biti neophodno koristiti u RTG-ovima americujum-241 umesto plutonijuma-238, jer Am-241[3], iako proizvodi manju snagu, ima duži period poluraspada. Misija „New Horizonsa“ nam je prikazala neke moguće strategije koje bi mogle da primenjuju sonde za devetu planetu, uključujući dugačke periode hibernacije i prenošenje prikupljenih podataka tokom dugačkog vremenskog perioda[4]. Zbog neverovatnih udaljenosti, možda će morati da se razmišlja o novim optičkim komunikacionim sistemima, ali na nesreću oni troše puno energije. Pored toga, ne bi bilo u redu da deveta planeta samo proleti ispred objektiva sonde, već bi bilo idealo ući u njenu orbitu. Nepotrebno je podsetiti da bi ovaj uslov bio teško ostvariv pri jako velikoj brzini i niskom proletu.
Rekapitulirajući, vidimo da smo u stanju da posetimo devetu planetu udaljenu 700 AJ u periodu od 35 do 70 godina. Dakle, ako otkrijemo Planetu-X, moći ćemo da je posetimo nakon poluvekovnog putovanja. Loša vest je da niko od nas koji čitamo ovo neće biti živ da vidi realizaciju ovog projekta. Zbog toga, možda bi bilo lakše sačekati neki veliki interferometrijski kosmički teleskop koji će nam reći nešto više o detaljina hipotetičnog sveta.
https://www.youtube.com/watch?v=42GeoCVaZQg&feature=player_embedded
[1] Prevaliće pola svetlosne godine tek za 10 milenijuma.
[2] Najjača planirana verzija Nasine buduće rakete. Verzija „Block 2“ predviđa kombinaciju Istraživačkog dodatnog stepena (Exploration Upper Stage, EUS) i unapređenih bočnih bustera. Takva konfiguracija bi mogla da ponese oko 130 tona tereta!
[3] O ovom retkom veštačkom elementu sam pisao u tekstu Postoje li detektori dima u paklu? I tamo sam pisao da će se možda u budućnosti koristiti za RTG-ove jer mu je vreme poluraspada (~432,6 godina).
[4] Od lansiranja u januaru 2006. pa do susreta s Plutonom prošlog leta, NH je proveo 1.873 dana – oko 2/3 vremena – u stanju elektronske hibernacije. Tih 18 odvojenih perioda hibernacije, od sredine 2007. do kraja 2014, trajali su od 36 do 202 dana. Cilj je bio da se sačuvaju komponente i smanje rizici kvarova sistema. Što se tiče slanja podataka na Zemlju, sondi će trebati ukupno 16 meseci da to uradi. Zbog velike udaljenosti i izlazne snage predajnika od svega 12 W, brzina slanja je samo 1-2 kilobajta u sekundi. Moj krš računar je 1000 puta brži.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
