Sidste udkald til det ydre Solsystem

Tre kloder i Solsystemets udkant er stærke kandidater, når det handler om at finde vand og dermed måske liv. Nu vil NASA ud at skaffe beviserne, men det haster med afrejsen, for om ti år kan Jupiter ikke længere give sonderne det vigtige skub på den milliarder af kilometer lange rejse.

Tre kloder i Solsystemets udkant er stærke kandidater, når det handler om at finde vand og dermed måske liv. Nu vil NASA ud at skaffe beviserne, men det haster med afrejsen, for om ti år kan Jupiter ikke længere give sonderne det vigtige skub på den milliarder af kilometer lange rejse.

Claus Lunau

Et metallisk kæmpeinsekt hopper hen over Tritons issprækker i fem kilometer lange spring. Undervejs skovler robotten kvælstofis op fra overfladen og bruger det som brændstof i sin raketmotor. Tidspunktet er 2040’erne, og “hopperens” opgave er at finde spor af det liv, som astronomerne mistænker Neptuns største måne for at huse.

Hvert tiende år beslutter NASA, hvilke rummissioner organisationen skal bruge tusindvis af ingeniørtimer og en stor del af budgettet på at gøre til virkelighed.

Næste udgave af NASA’s store ønskeliste, den såkaldte Planetary Science Decadal Survey, gælder årtiet 2023-2032, og en af drømmerejserne på listen er missionen Neptune Odyssey, hvor den særprægede robotlander Triton Hopper indgår.

Neptune Odyssey er en såkaldt flagskibsmission, de mest ambitiøse rumrejser, der typisk har en pris på to-tre milliarder dollars og kræver nyskabende tekniske løsninger, både når det gælder raketmotorer og rovere.

Robotten Triton Hopper skal bevæge sig rundt på Neptuns måne Triton i fem kilometer lange spring.

© Claus Lunau

Men det er ikke sikkert, at Neptune Odyssey nogensinde bliver gennemført. Missionen er nemlig i konkurrence med to andre lige så dristige drømmerejser:

Sonden Orbilander, som skal kredse om saturnmånen Enceladus og lande på dens overflade, hvor intet rumfartøj tidligere har været, og Persephone-missionen, der skal helt ud til Pluto og som det første rumfartøj nogensinde gå i kredsløb om dværgplaneten og dens måne Charon.

Missionerne er ikke blot krævende – det haster også mere end sædvanligt med at komme afsted.

De enorme afstande ud til Solsystemets ydre planeter betyder nemlig, at sonderne er afhængige af et skub fra Jupiters enorme tyngdekraft. Men fra begyndelsen af 2030’erne vil Jupiter være forkert placeret i forhold til missionernes destinationer.

Hvis det ikke lykkes at få sendt en mission afsted til det ydre Solsystem i løbet af de næste ti år, vil der derfor gå et årti mere, inden det er realistisk at prøve igen.

Måner har måske et hav med fisk

Fælles for alle tre drømmerejser er, at de skal jagte de endegyldige beviser for liv på andre kloder i Solsystemet.

Selvom der kun findes golde gaskæmper og isplaneter i den fjerneste afdeling af vores planetariske baggård, har sonder for længst afsløret, at nogle af klodernes isede måner kan være hjemsted for liv.

Saturnmånen Enceladus, Neptuns måne Triton og dværgplaneten Pluto er de destinationer, NASA drømmer om at sende store missioner til i det kommende årti. Men prisen er høj, og alle tre rejser kan ikke blive til virkelighed.

© NASA

Landing på Enceladus

Saturnmånen er en af de varmeste kandidater, når det handler om at finde liv på fremmede kloder. Sonden Orbilander skal både kredse om og lande på Enceladus.

  • Mission: Orbilander
  • Afstand: 1,27 mia. km
  • Rejsetid: ca. 11 år
  • Pris: 2,5 mia. dollars
  • Senest besøgt: Cassini, 2015
© NASA

Hoppetur på Triton

Neptuns største måne, Triton, gemmer måske et ocean under overfladen, der kan understøtte liv. Neptune Odyssey-missionen skal placere en hoppende robot på Triton.

  • Mission: Neptune Odyssey
  • Afstand: 4,4 mia. km
  • Rejsetid: ca. 16 år
  • Pris: 3,4 mia. dollars
  • Senest besøgt: Voyager 2, 1989
© SwRI/JHUAPL/NASA

Kredsløb om Pluto

New Horizons-sondens forbiflyvning har afsløret stærke tegn på et hav under isen på Pluto. Persephone-missionen skal bringe en sonde i kredsløb om dværgplaneten.

  • Mission: Persephone
  • Afstand: 7,5 mia. km
  • Rejsetid: ca. 26 år
  • Pris: 3,0 mia. dollars
  • Senest besøgt: New Horizons, 2015

Saturns måne Enceladus og Neptuns måne Triton gemmer sandsynligvis på kæmpemæssige, skvulpende oceaner under overfladen, og det samme gælder dværgplaneten Pluto. Dermed rummer de måske også liv i form af mikroorganismer eller sågar fisk og større havdyr.

Ingen ved endnu, hvordan organismer kan se ud disse steder, men fordi betingelserne måske minder om havene på Jorden, er der håb om at finde liv.

Tyngdekraft virker som katapult

Astronomerne har imidlertid meget få data til at underbygge mistanken om liv, for på grund af de store rejseafstande har gas- og iskæmperne kun haft ganske få besøg.

Afstanden mellem planeterne vokser eksponentielt, når man bevæger sig udad i Solsystemet – de yderste planeter er meget længere fra hinanden end de inderste. Den fjerneste planet, Neptun, er 30 gange længere fra Solen, end Jorden er.

Så lange rejser kræver ikke blot årelang tålmodighed fra de første ingeniørtegninger til ankomsten ved destinationen. De kræver også, at Solsystemets planeter står i den rigtige position i forhold til hinanden.

For at spare brændstof og dermed kostbar vægt udnytter astronomerne nemlig et princip kaldet gravity assist – tyngdekraftslynge – hvor sonden tager et sving om en planet og udnytter tyngdekraften til at blive slynget videre ud i rummet med højere hastighed.

Princippet blev udtænkt af den amerikanske matematiker Michael Minovitch i 1961 og første gang afprøvet i 1973, da rumsonden Pioneer 10 passerede Jupiter og brugte gaskæmpens tyngdekraft til at øge hastigheden fra 52.000 km/t til 132.000 km/t.

🎬 SE VIDEO: Planeternes tyngdekraft sætter skub i sonden

I slutningen af 1970’erne udnyttede Voyager-sonderne også en særlig position af himmellegemerne til at blive skudt ud forbi de fire store gasplaneter i det ydre Solsystem. Voyager 1 og 2 er stadig aktive og er i dag nået så langt væk fra Jorden, at de har krydset den såkaldte heliosfære – den grænse, hvor Solens stråling ikke længere har nogen indflydelse.

De to sonder nåede at levere banebrydende billeder og målinger af Solsystemets fire yderste planeter, men efterlod også astronomerne med mange ubesvarede spørgsmål om gas- og iskæmperne.

Denne gang har astronomerne særdeles travlt med at få missionerne på plads, for fra begyndelsen af 2030’erne befinder Jupiter sig i en position, hvor den ikke kan slynge sonder i retning mod Saturn, Neptun eller Pluto.

Det gør det ikke umuligt at sende missioner til det ydre Solsystem, men uden det ekstra skub fra Jupiter vil raketterne skulle levere langt større trykkraft. Derfor vil astronomerne gerne afsted, inden Jupiter-vinduet lukker.

Neptun har stjålet sin måne

Mest forsømt af Solsystemets planeter er iskæmperne Uranus og Neptun, der ikke har været besøgt af et rumfartøj, siden Voyager 2-sonden fløj forbi i 1986 og 1989.

Der er ellers god grund til at studere den del af Solsystemet nærmere, mener astronomer. Ikke mindst neptunmånen Triton er bemærkelsesværdig af flere årsager.

Når Neptune Odyssey-missionen ankommer til Triton i 2040, skal en usædvanlig rover anbringes på overfladen af Neptuns måne. Hopperen skal udforske månen i flere kilometer lange spring og opsamle brændstof undervejs.

© Claus Lunau

1. Robotarm skovler brændstof op fra overfladen

Triton Hopper er forsynet med en robotarm, som med en lille skovl kan samle klumper af kvælstofis op fra Tritons overflade. Kvælstof er et almindeligt brændstof til mindre raketdyser på rumfartøjer.

© Claus Lunau

2. Brændstoftank opbevarer smeltet kvælstofis

Den kolde kvælstofis varmes først op af en radioaktiv energikilde, en såkaldt radioisotope thermoelectric generator, der både kan levere varme og strøm. Efter smeltning opbevares kvælstoffet i en brændstoftank.

© Claus Lunau

3. Raketdyser sætter fra og bremser

Kvælstoffet driver de små raketmotorer, der får Triton Hopper op i luften og bremser ned inden landing. Den lave tyngdekraft på Triton gør det muligt at springe 1 km op for at fotografere og måle gejsernes indhold.

© Claus Lunau

4. Fleksible ben gør landingen blød

Landingsstellet består af tre sæt ben, som absorberer stødet fra landingen efter hvert spring. Hopperen vil kunne udforske Triton fra ækvator til sydpolens gejsere to-tre gange hurtigere end en traditionel rover.

For det første er forskerne meget sikre på, at månen oprindeligt har tilhørt det såkaldte Kuiperbælte, den ring af islegemer, der omgiver Solsystemet og også er hjemsted for Pluto. Men på et tidspunkt er det lykkedes Neptun med sin tyngdepåvirkning at “stjæle” Triton fra Kuiperbæltet og bringe den ind i et særpræget kredsløb om planeten, som adskiller sig fra andre måner i Solsystemet.

Hvor andre måner typisk kredser om deres planet langs ækvator, ligger Tritons kredsløb forskudt med 23 grader i forhold til Neptuns ækvator. Det fortæller astronomerne, at Triton ikke altid har hørt til Neptun og stadig er i færd med at falde helt på plads i sit kredsløb omkring planeten.

23 grader på skrå i forhold til Neptuns ækvator kredser den sære måne Triton.

Triton er desuden ret stor. Den er større end dværgplaneten Pluto, og hvis man fjernede Neptun, ville månen være stor nok til at blive anset for en planet.

Gejsere udsender mørkt materiale

Men de specielle træk ved månen stopper ikke her, for Tritons overflade af kvælstofis gennembores på sydpolen af mørke gejsere, der sprøjter mørkt materiale ud på overfladen.

De karakteristiske mørke pletter opdagede astronomerne allerede på de billeder, Voyager 2 sendte hjem for mere end tre årtier siden, og det er stadig et mysterium, hvad gejserne indeholder, og hvilke processer der driver dem.

Tritons overflade af kvælstofis gennembores på sydpolen af mørke gejsere, viser billeder fra Voyager 2-sonden. Men hvad gejserne indeholder, og hvad der driver dem, er stadig en gåde.

© Ron Miller/Black Cat Studio

Men gejserne underbygger astronomernes mistanke om, at Triton er en klode, der gemmer på et ocean af vand under overfladen. Den tykke kappe af vandis under overfladen vil nemlig kunne smeltes af den enorme tyngdepåvirkning, som Neptun udsætter Triton for.

Det er en tidevandseffekt, som også opleves på Jorden, fordi Jorden og Månen påvirker hinanden gensidigt med deres masser. Og hvor der er vand, kan der også være liv, for i hvert fald på Jorden gælder det, at livet trives praktisk talt alle steder, hvor man finder vand – selv de mest fjendtlige.

Neptune Odyssey-missionen skal efter planen anbringe robotten Triton Hopper på overfladen. Med den særprægede lander vil forskerne udnytte, at tyngdekraften på Triton blot er 8 pct. af Jordens. Det gør det muligt at bevæge sig hen over overfladen i fem kilometer lange og én kilometer høje spring og på den måde afsøge et stort areal for tegn på liv.

Robot springer hen over Tritons overflade

Triton Hopper forcerer neptunmånens isede overflade i fem kilometer lange spring. Raketmotorer sender robotten én kilometer op i luften og bremser ned før hver landing. Den hoppende robot kan dække et langt større areal end en traditionel rover på hjul.

Triton Hopper hører ind under NIAC, NASA Innovative Advanced Concepts, som er betegnelsen for rumagenturets dristigste fremtidskoncepter, og dermed er der ingen garanti for, at fartøjet bliver en del af en mission til Triton. Men rumingeniørerne vurderer, at Triton Hopper er et effektivt alternativ til fx en rullende robot som Curiosity på Mars, fordi Tritons issprækker og sne hurtigt ville blive en udfordring for køretøjer med hjul.

Varmt vand bobler op på ismåne

Tidevandspåvirkningen og teorien om et kæmpe ocean under den isede overflade er også grunden til at besøge Enceladus, som er Saturns sjettestørste måne.

Med sin diameter på 505 km er den meget mindre end Tritons 2707 km, men rumsonden Cassinis opdagelser har gjort det klart, at Enceladus med stor sandsynlighed gemmer på et saltvandsocean under sine iskapper.

Derfor er saturnmånen målet for missionskonceptet Enceladus Orbilander, der, som navnet antyder, både skal gå i kredsløb om månen – orbit – og lande på dens overflade, hvilket ikke er sket før.

Enceladus’ enorme gejsere sprøjter materiale ud fra et hav under månens isede overflade. Sonden Orbilander skal først tage prøver af gejsernes partikler fra et kredsløb om månen og derefter lande på overfladen. Det skal endegyldigt slå fast, om oceanet huser liv.

© Claus Lunau

1. Orbilander går i kredsløb om Enceladus

Orbilander begynder sine undersøgelser af Enceladus med et halvandet år langt kredsløb om månen. Når den kommer tættest på overfladen, er den 20-70 km over sydpolen, hvor gejserne befinder sig. Undervejs bruger sonden også kameraer, laserhøjdemåler og radar til at udse sig et sikkert sted at lande.

© Claus Lunau

2. Sonden opsnapper partikler fra gejserne

En tragt med en åbning på én kvadratmeter opsamler partikler fra gejserne. Prøverne analyseres i sondens indbyggede laboratorium, der bl.a. indeholder mikroskop og spektrometre. Instrumenterne tester bl.a. for indhold af aminosyrer, fedtstoffer og næringsstoffer samt måler pH-værdi og saltindhold.

© Claus Lunau

3. Sonden samler store partikler på overfladen

Rumfartøjet lander på Enceladus og kan nu både bruge tragten og en robotarm med en skovl til at indsamle prøver omkring gejserne. Ved overfladen er partiklerne større, fordi tyngdekraften får de tungeste partikler til at falde til jorden. Med skovlen kan Orbilander derfor indsamle større mængder prøver.

Cassinisonden afslørede, at flere hundrede kilometer høje gejsere spyes ud fra sprækker i isen på månens sydpol. De indeholder silikat-nanopartikler, som normalt kun kan dannes ved mødet mellem flydende vand og klippe ved temperaturer over 90 grader celsius.

Derfor mener astronomerne, at der i vandet under månens isede overflade må gemme sig hydrotermiske væld, som er sprækker i havbunden, hvorfra der strømmer opvarmet og mineralrigt vand indeholdende fx kalcium og magnesium.

“Hvis vi ikke finder tegn på liv og kender de vilkår, der forhindrer det, kan vi begynde at opstille begrænsninger for beboeligheden af andre havkloder.” Shannon M. MacKenzie, ledende forsker på Orbilander-missionen

På Jorden er de varme hydrotermiske væld trods deres yderst solfattige placering langt nede på den mørke havbund altid omgærdet af et rigt dyreliv – fx bakterier, krabber og blæksprutter. Derfor kan det samme meget vel være tilfældet på en måne som Enceladus, selvom månens ocean er gemt godt væk fra Solen under kilometertykke iskapper.

Sonden Enceladus Orbilander skal medbringe en hær af instrumenter, der bl.a. kan afgøre, om de indsamlede prøver fra gejserne og den isede overflade indeholder spor af biologisk liv i form af aminosyrer og lipider. Desuden skal instrumenter forsøge at afgøre, om havet er beboeligt, ved bl.a. at måle dets pH-værdi og saltindhold.

Sonden Orbilander skal først kredse om saturnmånen Enceladus og derefter lande på overfladen.

© Claus Lunau

Uanset om Enceladus Orbilander finder spor af liv eller ej, vil det give astronomerne afgørende viden om både vores eget solsystem og andre stjernesystemer.

Og fravær af liv vil være en næsten lige så væsentlig opdagelse som liv, mener Shannon M. MacKenzie, der er ledende forsker på Orbilander-missionen til Enceladus.

“Sandsynligheden for udveksling af liv mellem Jorden og det ydre Solsystem er lille, så fundet af livstegn på Enceladus vil tyde på en anden oprindelse (end livet på Jorden, red.). Hvis vi omvendt ikke finder tegn på liv og kender de vilkår, der forhindrer det, kan vi begynde at opstille begrænsninger for beboeligheden af andre havkloder i vores eget solsystem og i andre,” forklarer Shannon M. MacKenzie til Illustreret Videnskab.

Jupiter presser afgangstiden

Jagten på flydende vand under tykke iskapper fortsætter hele vejen ud til drømmerejsernes fjerneste destination, dværgplaneten Pluto. Selvom Pluto i 2006 fik frataget sin officielle titel som planet efter 76 år, har New Horizons-missionen igen bragt dværgplaneten i astronomernes søgelys.

Efter en næsten ti år lang rejse på 4,5 milliarder km afslørede New Horizons-sondens forbiflyvning i juli 2015, at Pluto trods sin placering i det fjerne og golde Kuiperbælte har været og måske stadig er en særdeles aktiv klode.

Dværgplaneten byder bl.a. på gletsjere og såkaldte kryovulkaner, der i stedet for glohed magma som på Jorden udspyr en kold, ammoniakrig og slushice-agtig masse.

Missionskonceptet Persephone er planlagt til at blive opsendt i 2031 og nå Pluto efter en rejsetid på hele 26 år. Her skal sonden gå i kredsløb om Pluto og nærstudere både dværgplaneten og dens store måne, Charon, i tre år fra 2058-61 – uden sammenligning det grundigste kig på den fjerne klode nogensinde.

Persephone-missionens rejse til Pluto varer næsten tre årtier. Sonden skal gå i kredsløb om dværgplaneten i tre år og lede efter beviser på, at der er hav under den isede overflade. Derefter fortsætter turen længere ud i Kuiperbæltet. Den lange rejse kræver, at sonden får et skub af Jupiters tyngdekraft og udstyres med avancerede fremdriftsmidler.

© Claus Lunau

1. Jupiter slynger sonden afsted mod Pluto

Ved at lade sonden tage et sving omkring Jupiter giver astronomerne den et skub fra gasgigantens tyngdekraft. Det sender sonden videre ud i Solsystemet med højere hastighed og sparer brændstof. Teknikken kaldes gravity assist. Men Jupiter skal stå i den rigtige position i forhold til Pluto, for at fartøjets bane kan ramme plet ved destinationen.

© Claus Lunau

2. Ionmotor slår elektroner af xenongas

Sondens ionmotorer er fyldt med den stabile gas xenon (grøn). Strøm sendes gennem gassen og slår elektroner (rød) af atomerne, så de bliver til positivt ladede ioner (blå). De tiltrækkes af et elektrisk felt og skydes ud bagtil. Accelerationen er langsom, men en ionmotor kan nå hastigheder på flere hundredtusind km/t med små mængder brændstof.

© Claus Lunau

3. Atombatterier leverer strøm i årtier

Ionmotorerne samt computere og instrumenter skal bruge strøm. Da sonden er langt fra Solen i årtier, vil NASA bruge atombatterier (RTG) i stedet for solceller. Batteriet omdanner energi fra radioaktivt henfald til strøm. En del af energien afsættes som varme gennem batteriets kølefinner og sørger for at holde sondens udstyr lunt i det iskolde rum.

Men det er helt afgørende for missionen, at sonden kommer afsted senest i 2032. Herefter flytter Jupiter sig over i en ugunstig position i sit kredsløb, hvor rumfartøjet ikke længere vil kunne bruge gaskæmpens tyngdepåvirkning til at hjælpe sig videre på rejsen, fortæller dr. Carly Howett fra Southwest Research Institute, der er ledende forsker på Persephone-missionen.

“Hvis vi går glip af Jupiters gravity assist (i begyndelsen af 2030’erne, red.), vil det få stor betydning. I så fald vil det være bedre at vente med opsendelse, til Jupiter igen kommer tilbage i fase cirka 10 år senere,” siger Carly Howett til Illustreret Videnskab.

Persephone-sonden skal kredse om Pluto i tre år for at søge beviser på, at dværgplaneten rummer et hav under isen.

© Claus Lunau

Liv på Pluto ændrer spillereglerne

Hvis det viser sig, at Pluto har flydende have under overfladen, vil det ifølge Carly Howett have stor betydning for hele vores forståelse af potentialet for liv i universet.

Det skyldes, at Pluto ikke som fx Enceladus er i kredsløb om en gaskæmpe, der med sin enorme tyngdepåvirkning varmer det indre af månen op og derved smelter vandet under de ydre iskapper. Det vil derfor være ekstra overraskende, hvis Pluto gemmer et ocean af samme type, fordi dværgplaneten helt mangler den energikilde, der får vandet til at flyde på nogle af gaskæmpernes måner.

“Hvis vi går glip af Jupiters gravity assist, vil det være bedre at vente med opsendelse, til Jupiter kommer tilbage i fase ca. 10 år senere.” Carly Howett, ledende forsker på Persephone-missionen

Desuden er Pluto mindre end vores egen Måne og dermed en klode så lille, at astronomer normalt på forhånd vil mistænke den for at være en død stenklump.

“Den største opdagelse vil være, hvis der er et ocean under overfladen. Hvis det er tilfældet kan Pluto i teorien understøtte liv. Og hvis Pluto kan det, er der så mange andre verdener i universet, som også vil kunne det,” siger Carly Howett.

Howett og hendes kolleger på de konkurrerende rummissioner må dog vente nogle år endnu med at finde ud af, om netop deres mission bliver belønnet med en pengepose på omkring tre milliarder dollars.

I begyndelsen af 2022 ventes et panel af eksperter bestående af bl.a. astronomer og rumfartsingeniører at være klar med en samlet vurdering af missionernes tekniske udfordringer og potentialet i deres videnskabelige opdagelser.

Konklusionerne samles i en rapport, som udgør det såkaldte Planetary Science Decadal Survey for perioden 2023-2032. Derefter er det op til NASA og de amerikanske politikere at beslutte, hvilke af drømmerejserne der fortjener skatteydernes penge og skal blive til virkelighed.