El estudio de Urano y Neptuno es una de las prioridades de la investigación planetaria en el siglo XXI. Tanto que el reciente informe del Decadal Survey ha colocado una sonda a Urano en el tercer puesto de las candidatas para una futura misión de tipo Flagship, por delante de objetivos tan atractivos como Venus o Saturno.
Urano visto por el telescopio Keck (Keck).
¿Y por qué es tan interesante el estudio de estos planetas? Por dos motivos. Primero, porque desconocemos en detalle su estructura interior. Segundo, porque ahora sabemos que este tipo de planetas podrían ser muy abundantes en nuestra Galaxia. Y es que Urano y Neptuno constituyen un tipo de planetas completamente distintos a los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, de ahí que se les suela denominar "gigantes de hielo".
Los gigantes gaseosos están compuestos principalmente por hidrógeno (más del 90% de la masa) y helio, más un "pequeño" -del tamaño de la Tierra- núcleo de roca y hielos. Es decir, presentan una composición muy parecida a la de una enana marrón o una estrella. Bien es cierto que los gigantes gaseosos no son exactamente "gaseosos". Las tremendas presiones y temperaturas de su interior hacen que el hidrógeno esté en estado líquido y metálico. Más bien deberían ser llamados "gigantes líquidos".
Estructura interior de los planetas del Sistema Solar (NASA).
Por contra, sólo un 20% de la masa de los gigantes de hielo es hidrógeno. El resto está formado por oxígeno, carbono, nitrógeno o azufre, formando compuestos como agua, amoniaco o metano. El menor tamaño de estos planetas impide que el hidrógeno de su interior alcance la fase metálica. En vez de hidrógeno metálico, en los gigantes de hielo se cree que existe una mezcla de fluidos supercríticos, especialmente agua. Por lo tanto, "gigantes de hielo" tampoco es una expresión afortunada. En todo caso, cuestiones semánticas aparte, la estructura y evolución de Urano y Neptuno son todo un misterio.
Estructura interna de Urano y Neptuno (NASA).
Clasificación de planetas según sus propiedades. Urano y Neptuno forman un grupo aparte (NASA).
Para estudiarlos en profundidad, una misión a estos planetas no debería limitarse a sobrevolarlos como hizo en su momento la Voyager 2. Lo ideal sería orbitarlos y analizar su atmósfera con una sonda atmosférica similar a la usada por la misión Galileo en Júpiter. Puesto que Neptuno está increíblemente más alejado, Urano es un objetivo mucho más atractivo. Una misión a Neptuno necesita asistencia gravitatoria con Júpiter y aerocaptura si queremos que la masa de la nave y el tiempo de vuelo quede por debajo de límites razonables.
Urano visto por la Voyager 2 (izquierda) y el Keck (NASA).
Además, Urano presenta una serie de características que lo hacen único en el Sistema Solar. La más importante es su bajo calor interno, hasta diez veces inferior al de Neptuno. La inusual inclinación de su eje de rotación (98º) convierte a este planeta en el único en mundo que gira "tumbado". El eje de su campo magnético está desviado 60º con respecto al de rotación, lo que permite estudiar de primera mano las interacciones entre el campo magnético y la atmósfera de un planeta gigante. Este campo magnético también es un misterio en sí mismo, al generarse en el exterior del núcleo planetario. Otros objetivos secundarios serían, por supuesto, su sistema de satélites y sus 13 anillos.
Calor interno de los planetas del Sistema Solar (NASA).
Inclinación de los ejes de rotación y magnético de Urano y Neptuno (NASA).
El sistema de satélites de Urano (NASA).
Un cohete Atlas V 531 sería incapaz de colocar la sonda en una trayectoria directa. Para minimizar el tiempo de vuelo hasta Urano, la nave -denominada tentativamente como UOP (Uranus Orbiter and Probe) debería realizar un sobrevuelo de la Tierra para aumentar su velocidad, además de emplear una etapa de propulsión iónica (SEP). Pese a estas medidas, UOP tardaría 13 años (!) en llegar a Urano. La SEP estaría alimentada por paneles solares, así que su eficacia disminuiría dramáticamente a partir de los 750 millones de kilómetros (5 UA) de distancia del Sol. La SEP tendría tres motores iónicos NEXT a base de xenón, dos principales y uno de reserva.
Sonda UOP (NASA).
Etapa de propulsión iónica SEP (NASA).
La sonda con la etapa SEP (NASA).
Características de la sonda (NASA).
Trayectoria de la misión (NASA).
La sonda atmosférica de 127 kg y 76 cm de diámetro se separaría 29 días antes de la llegada de la sonda a Urano. Entraría en la atmósfera a la increíble velocidad de 22 km/s, con un ángulo de -68º. Dependiendo del presupuesto, la sonda resistiría hasta una profundidad correspondiente a 1 ó 5 bar de presión. El descenso duraría una hora. Por su parte, el orbitador se situaría en una órbita polar alrededor de Urano.
Sonda atmosférica (NASA).
Trayectoria de entrada (NASA).
Sobrevuelos de los distintos satélites (NASA).
Una vez en órbita, UOP sobrevolaría dos veces los satélites más importantes del sistema (Miranda, Umbriel, Ariel, Titania y Oberón) como parte de su misión primaria de 431 días de duración. UOP tendría una masa en seco de 906 kg, emplearía tres generadores de radioisótopos Stirling (ASRG) y dispondría de una antena de alta ganancia de 2,5 metros de diámetro (la antena de la Cassini es de 4 metros). Su sistema de propulsión principal usaría combustibles hipergólicos, con un presupuesto de Delta-V total de 2,5 km/s.
Si UOP fuese aprobada en los próximos años, cosa prácticamente imposible, sería lanzada en 2020 y no llegaría a Urano hasta 2033 (!!!). Cada vez está más claro que la segunda oleada de exploración del Sistema Solar nos va acostar más de lo esperado. Mucho más.
Referencias:
Urano visto por el telescopio Keck (Keck).
¿Y por qué es tan interesante el estudio de estos planetas? Por dos motivos. Primero, porque desconocemos en detalle su estructura interior. Segundo, porque ahora sabemos que este tipo de planetas podrían ser muy abundantes en nuestra Galaxia. Y es que Urano y Neptuno constituyen un tipo de planetas completamente distintos a los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, de ahí que se les suela denominar "gigantes de hielo".
Los gigantes gaseosos están compuestos principalmente por hidrógeno (más del 90% de la masa) y helio, más un "pequeño" -del tamaño de la Tierra- núcleo de roca y hielos. Es decir, presentan una composición muy parecida a la de una enana marrón o una estrella. Bien es cierto que los gigantes gaseosos no son exactamente "gaseosos". Las tremendas presiones y temperaturas de su interior hacen que el hidrógeno esté en estado líquido y metálico. Más bien deberían ser llamados "gigantes líquidos".
Estructura interior de los planetas del Sistema Solar (NASA).
Por contra, sólo un 20% de la masa de los gigantes de hielo es hidrógeno. El resto está formado por oxígeno, carbono, nitrógeno o azufre, formando compuestos como agua, amoniaco o metano. El menor tamaño de estos planetas impide que el hidrógeno de su interior alcance la fase metálica. En vez de hidrógeno metálico, en los gigantes de hielo se cree que existe una mezcla de fluidos supercríticos, especialmente agua. Por lo tanto, "gigantes de hielo" tampoco es una expresión afortunada. En todo caso, cuestiones semánticas aparte, la estructura y evolución de Urano y Neptuno son todo un misterio.
Estructura interna de Urano y Neptuno (NASA).
Clasificación de planetas según sus propiedades. Urano y Neptuno forman un grupo aparte (NASA).
Para estudiarlos en profundidad, una misión a estos planetas no debería limitarse a sobrevolarlos como hizo en su momento la Voyager 2. Lo ideal sería orbitarlos y analizar su atmósfera con una sonda atmosférica similar a la usada por la misión Galileo en Júpiter. Puesto que Neptuno está increíblemente más alejado, Urano es un objetivo mucho más atractivo. Una misión a Neptuno necesita asistencia gravitatoria con Júpiter y aerocaptura si queremos que la masa de la nave y el tiempo de vuelo quede por debajo de límites razonables.
Urano visto por la Voyager 2 (izquierda) y el Keck (NASA).
Además, Urano presenta una serie de características que lo hacen único en el Sistema Solar. La más importante es su bajo calor interno, hasta diez veces inferior al de Neptuno. La inusual inclinación de su eje de rotación (98º) convierte a este planeta en el único en mundo que gira "tumbado". El eje de su campo magnético está desviado 60º con respecto al de rotación, lo que permite estudiar de primera mano las interacciones entre el campo magnético y la atmósfera de un planeta gigante. Este campo magnético también es un misterio en sí mismo, al generarse en el exterior del núcleo planetario. Otros objetivos secundarios serían, por supuesto, su sistema de satélites y sus 13 anillos.
Calor interno de los planetas del Sistema Solar (NASA).
Inclinación de los ejes de rotación y magnético de Urano y Neptuno (NASA).
El sistema de satélites de Urano (NASA).
Un cohete Atlas V 531 sería incapaz de colocar la sonda en una trayectoria directa. Para minimizar el tiempo de vuelo hasta Urano, la nave -denominada tentativamente como UOP (Uranus Orbiter and Probe) debería realizar un sobrevuelo de la Tierra para aumentar su velocidad, además de emplear una etapa de propulsión iónica (SEP). Pese a estas medidas, UOP tardaría 13 años (!) en llegar a Urano. La SEP estaría alimentada por paneles solares, así que su eficacia disminuiría dramáticamente a partir de los 750 millones de kilómetros (5 UA) de distancia del Sol. La SEP tendría tres motores iónicos NEXT a base de xenón, dos principales y uno de reserva.
Sonda UOP (NASA).
Etapa de propulsión iónica SEP (NASA).
La sonda con la etapa SEP (NASA).
Características de la sonda (NASA).
Trayectoria de la misión (NASA).
La sonda atmosférica de 127 kg y 76 cm de diámetro se separaría 29 días antes de la llegada de la sonda a Urano. Entraría en la atmósfera a la increíble velocidad de 22 km/s, con un ángulo de -68º. Dependiendo del presupuesto, la sonda resistiría hasta una profundidad correspondiente a 1 ó 5 bar de presión. El descenso duraría una hora. Por su parte, el orbitador se situaría en una órbita polar alrededor de Urano.
Sonda atmosférica (NASA).
Trayectoria de entrada (NASA).
Sobrevuelos de los distintos satélites (NASA).
Una vez en órbita, UOP sobrevolaría dos veces los satélites más importantes del sistema (Miranda, Umbriel, Ariel, Titania y Oberón) como parte de su misión primaria de 431 días de duración. UOP tendría una masa en seco de 906 kg, emplearía tres generadores de radioisótopos Stirling (ASRG) y dispondría de una antena de alta ganancia de 2,5 metros de diámetro (la antena de la Cassini es de 4 metros). Su sistema de propulsión principal usaría combustibles hipergólicos, con un presupuesto de Delta-V total de 2,5 km/s.
Si UOP fuese aprobada en los próximos años, cosa prácticamente imposible, sería lanzada en 2020 y no llegaría a Urano hasta 2033 (!!!). Cada vez está más claro que la segunda oleada de exploración del Sistema Solar nos va acostar más de lo esperado. Mucho más.
Referencias:
- Ice Giants Decadal Study, William B. Hubbard (NASA).
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