Siste utkall til det ytre solsystemet

Tre kloder i utkanten av solsystemets er hete kandidater når det handler om å finne vann – og dermed kanskje liv. Nå vil Nasa ut å skaffe bevisene, men det haster med avreisen. Om ti år kan ikke Jupiter lenger gi sondene den viktige dytten på den milliarder av kilometer lange reise.

Tre kloder i utkanten av solsystemets er hete kandidater når det handler om å finne vann – og dermed kanskje liv. Nå vil Nasa ut å skaffe bevisene, men det haster med avreisen. Om ti år kan ikke Jupiter lenger gi sondene den viktige dytten på den milliarder av kilometer lange reise.

Claus Lunau

Et metallisk kjempeinsekt hopper over Tritons issprekker i fem kilometer lange sprang. Underveis skyfler roboten opp nitrogenis fra overflaten og bruker det som drivstoff i rakettmotoren sin. Tidspunktet er 2040-tallet, og «hopperens» oppgave er å finne spor etter det livet som astronomene mistenker befinner seg på Neptuns største måne.

Hvert tiende år bestemmer Nasa hvilke prosjekter organisasjonen skal bruke tusenvis av ingeniørtimer og en stor del av budsjettet på å realisere.

Neste utgave av Nasas store ønskeliste, den såkalte Planetary Science Decadal Survey, gjelder tiåret 2023–2032, og en av drømmereisene på listen er Neptune Odyssey, der den særpregede robotlanderen Triton Hopper inngår.

Neptune Odyssey er en såkalt flaggskipprosjekt, de mest ambisiøse romreisene som typisk har en pris på to–tre milliarder dollar og krever nyskapende tekniske løsninger både når det gjelder rakettmotorer og rovere.

Roboten Triton Hopper skal bevege seg rundt på Neptuns måne Triton i fem kilometer lange sprang.

© Claus Lunau

Men det er ikke sikkert Neptune Odyssey blir gjennomført. Prosjektet konkurrerer nemlig med to andre like dristige reiser:

Sonden Orbilander, som skal gå i bane rundt Saturn-månen Enceladus og lande på overflaten, noe ingen romfartøy tidligere har gjort, og sonen Persephone, som skal helt ut til Pluto og som det første romfartøyet gå i bane om dvergplaneten og månen Charon.

Oppdragene er ikke bare krevende – det haster også mer enn vanlig med å komme av gårde.

De enorme avstandene ut til solsystemets ytre planeter betyr nemlig at sondene er avhengige av en dytt fra Jupiters enorme tyngdekraft. Men fra begynnelsen av 2030-tallet vil Jupiter være feilplassert i forhold til reisemålene.

Hvis Nasa ikke klarer å få sendt av sted sondene til det ytre solsystemet i løpet av de neste ti år ene, vil det derfor gå et tiår til før det er realistisk å prøve igjen.

Måner har kanskje et hav med fisk

Felles for alle de tre drømmereiser er at de skal jakte på de endelige bevisene for liv på andre kloder i solsystemet.

Selv om det bare finnes golde gasskjemper og isplaneter i den fjerneste avdelingen av vår planetariske bakgård, har sonder for lengst avslørt at noen av klodenes isdekkede måner kan være hjemsted for liv.

Saturnmånen Enceladus, Neptuns måne Triton og dvergplaneten Pluto er de reisemålene Nasa drømmer om å sende store sonder til i det kommende tiåret. Men prisen er høy, og alle de tre reisene kan ikke bli realisert.

© NASA

Landing på Enceladus

Saturn-månen er en av de heteste kandidatene når det handler om å finne liv på fremmede kloder. Sonden Orbilander skal både gå i bane rundt og lande på Enceladus.

  • Sonde: Orbilander
  • Avstand: 1,27 milliarder kilometer
  • Reisetid: ca. 11 år
  • Pris: 2,5 milliarder dollar
  • Senest besøkt: Cassini, 2015
© NASA

Hoppetur på Triton

Neptuns største måne, Triton, gjemmer kanskje på et hav under overflaten der det kan være liv. Neptune Odyssey-sonden skal plassere en hoppende robot på Triton.

  • Sonde: Neptune Odyssey
  • Avstand: 4,4 milliarder kilometer
  • Reisetid: ca. 16 år
  • Pris: 3,4 milliarder dollar
  • Senest besøkt: Voyager 2, 1989
© SwRI/JHUAPL/NASA

Bane rundt Pluto

New Horizons-sondens forbiflyvning har avslørt overbevisende tegn på et hav under isen på Pluto. Persephone-sonden skal sendes i bane rundt dvergplaneten.

  • Sonde: Persephone
  • Avstand: 7,5 milliarder kilometer
  • Reisetid: ca. 26 år
  • Pris: 3,0 milliarder dollar
  • Senest besøkt: New Horizons, 2015

Saturns måne Enceladus og Neptuns måne Triton gjemmer sannsynligvis på enorme hav under overflaten, og det samme gjelder dvergplaneten Pluto. Dermed rommer de kanskje også liv i form av mikroorganismer eller til og med fisk og større havdyr.

Fortsatt er det ingen som vet hvordan organismene på disse stedene kan se ut, men fordi betingelsene kanskje minner om havene på jorden, er det håp om å finne liv.

Tyngdekraft virker som katapult

Astronomene har imidlertid svært lite data til å underbygge mistanken om liv, for på grunn av de store reiseavstandene har gass- og iskjempene bare hatt noen få besøk.

Avstanden mellom planetene vokser eksponentielt når man beveger seg utover i solsystemet – de ytterste planetene er mye lengre fra hverandre enn de innerste. Den fjerneste planeten, Neptun, er 30 ganger lengre fra solen enn jorden er.

Så lange reiser krever ikke bare enorm tålmodighet – fra de første ingeniørtegningene til ankomsten ved reisemålet. De krever også at planetene står i den riktige posisjonen i forhold til hverandre.

For å spare drivstoff og dermed vekt utnytter astronomene nemlig et prinsipp som kalles gravity assist – tyngdekraftslynge. Sonden tar en sving rundt en planet og utnytter tyngdekraften til å bli slynget videre ut i verdensrommet med høyere hastighet.

Prinsippet ble tenkt ut av den amerikanske matematikeren Michael Minovitch i 1961 og første gang testet i 1973, da romsonden Pioneer 10 passerte Jupiter og brukte gasskjempens tyngdekraft til å øke hastigheten fra 52 000 til 132 000 km/t.

🎬 SE VIDEO: Planetenes tyngdekraft setter fart på sonden

På slutten av 1970-tallet utnyttet Voyager-sondene også en spesiell posisjon himmellegemene sto i for å bli skutt ut forbi de fire store gassplanetene i det ytre solsystemet. Voyager 1 og 2 er fortsatt aktive og har i dag nådd så langt fra jorden at de har krysset den såkalte heliosfæren – den grensen der solens stråling ikke lenger har noen innflytelse.

De to sondene rakk å levere banebrytende bilder og målinger av solsystemets fire ytterste planeter, men etterlot også astronomene med mange ubesvarte spørsmål om disse gass- og iskjempene.

Denne gangen har astronomene det svært det travelt med å få prosjektene på plass, for fra begynnelsen av 2030-tallet befinner Jupiter seg i en posisjon der den ikke lenger kan slynge sonder i retning mot Saturn, Neptun eller Pluto.

Det blir ikke umulig å sende sonder til det ytre solsystemet, men uten den ekstra dytten fra Jupiter vil rakettene måtte levere mye mer kraft selv. Derfor vil astronomene gjerne av sted før Jupiter-vinduet lukker seg.

Neptun har stjålet månen sin

Mest forsømt av solsystemets planeter er iskjempene Uranus og Neptun, som ikke har blitt besøkt av et romfartøy siden Voyager 2-sonden fløy forbi i 1986 og 1989.

Det er god grunn til å studere den delen av solsystemet nærmere, mener astronomer. Ikke minst Neptun-månen Triton er bemerkelsesverdig, av flere årsaker.

Når Neptune Odyssey-sonden ankommer til Triton i 2040, skal en usedvanlig rover plasseres på overflaten av Neptuns måne. Hopperen skal utforske månen i flere kilometer lange sprang og samle opp drivstoff underveis.

© Claus Lunau

1. Robotarm skyfler opp drivstoff fra overflaten

Triton Hopper er forsynt med en robotarm som med en liten skuffe kan plukke opp klumper av nitrogenis fra Tritons overflate. Nitrogen er et vanlig drivstoff til mindre rakettdyser på romfartøy.

© Claus Lunau

2. Drivstofftank oppbevarer smeltet nitrogen-is

Den kalde nitrogen-isen varmes først opp av en radioaktiv energikilde, en såkalt radioisotope thermoelectric generator, som kan levere både varme og strøm. Etter smelting oppbevares nitrogenet i en drivstofftank.

© Claus Lunau

3. Rakettdyser sparker fra og bremser

Nitrogenet driver de små rakettmotorene som får Triton Hopper opp i luften og bremser ned før landing. Den lave tyngdekraften på Triton gjør det mulig å hoppe 1 kilometer opp for å fotografere og måle innholdet i geysirene.

© Claus Lunau

4. Fleksible bein gjør landingen myk

Landingsunderstellet består av tre sett bein som absorberer støtet fra landingen etter hvert sprang. Hopperen vil kunne utforske Triton fra ekvator til sørpolens geysirer to–tre ganger raskere enn en tradisjonell rover.

For det første er forskerne sikre på at månen opprinnelig har tilhørt det såkalte Kuiperbeltet, ringen av islegemer som omgir solsystemet og også er hjemsted for Pluto. Men på et tidspunkt klarte Neptun, ved hjelp av sin tyngdekraft, å «stjele» Triton fra Kuiperbeltet og bringe den inn i en særpreget bane rundt planeten som skiller seg fra andre måner i solsystemet.

Mens andre måner typisk går i bane rundt planeten langs ekvator, ligger Tritons bane forskjøvet med 23 grader. Det forteller astronomene at Triton ikke alltid har hørt til Neptun og fortsatt er i ferd med å falle helt på plass banen rundt planeten.

23 grader på skrå i forhold til Neptuns ekvator går banen til den sære månen Triton.

Triton er dessuten ganske stor. Den er større enn dvergplaneten Pluto, og hvis man fjernet Neptun, ville månen være stor nok til å bli betraktet som en planet.

Geysirer sender ut mørkt materiale

Men de spesielle trekkene ved månen stopper ikke her, for Tritons overflate av nitrogen-is gjennombores på sørpolen av mørke geysirer som sprøyter ut mørkt materiale på overflaten.

De karakteristiske mørke flekkene oppdaget astronomene allerede på de bildene Voyager 2 sendte hjem for mer enn tre tiår siden, og det er fortsatt et mysterium hva de inneholder og hvilke prosesser som driver dem.

Tritons overflate av nitrogen-is gjennombores på sørpolen av mørke geysirer, viser bilder fra Voyager 2-sonden. Men hva geysirene inneholder, og hva som driver dem, er fortsatt en gåte.

© Ron Miller/Black Cat Studio

Men geysirene underbygger astronomenes mistanke om at Triton er en klode som gjemmer på et hav av vann under overflaten. Den tykke kappen av is under overflaten vil nemlig kunne smeltes av den enorme tyngdepåvirkningen som Neptun utsetter Triton for.

Det er en tidevannseffekt som også oppleves på jorden, får både jorden og månen påvirkes hverandre med sine masser. Og der det er vann, kan det også være liv, for i hvert fall på jorden gjelder det at livet trives praktisk talt alle steder der man finner vann – selv de mest fiendtlige.

Neptune Odyssey-sonden skal etter planen plassere roboten Triton Hopperpå overflaten. Med den særpregede landeren vil forskerne utnytte at tyngdekraften på Triton bare er 8 prosent av det vi er vant med på jorden. Det gjør det mulig å bevege seg over overflaten i fem kilometer lange og én kilometer høye sprang og på den måten gjennomsøke et stort areal for spor etter liv.

Robot hopper over Tritons overflate

Triton Hopper forserer Neptun-månens isete overflate i fem kilometer lange sprang. Rakettmotorer sender roboten én kilometer opp i luften og bremser ned før hver landing. Den hoppende roboten kan dekke et mye større areal enn en tradisjonell rover på hjul.

Triton Hopper hører inn under NIAC, NASA Innovative Advanced Concepts, som er betegnelsen for romorganisasjonens dristigste framtidskonsepter, og dermed er det ingen garanti for at fartøyet blir en del av en reise til Triton. Men romingeniørene mener at Triton Hopper er et effektivt alternativ til for eksempel en rullende robot som Curiosity (på Mars) fordi Tritons issprekker og snø raskt ville bli en utfordring for kjøretøy med hjul.

Varmt vann bobler opp på ismåne

Tidevannspåvirkningen og teorien om et enormt hav under den isen er også grunnen til å besøke Enceladus, som er Saturns sjette største måne.

Med en diameter på 505 kilometer er den mye mindre enn Triton, på 2707 kilometer, men romsonden Cassinis oppdagelser har gjort det klart at Enceladus med stor sannsynlighet gjemmer på et saltvannshav under isen.

Derfor er Saturn-månen mål for Enceladus Orbilander som både skal gå i bane rundt månen – orbit – og lande på overflaten, noe som ikke har skjedd før.

De enorme geysirene på Enceladus sprøyter ut materiale fra et hav under månens overflate av is. Sonden Orbilander skal først ta prøver av partiklene fra geysirene – mens den går i bane rundt månen – og deretter lande på overflaten. Det skal slå fast, en gang for alle, om det er liv i havet under isen.

© Claus Lunau

1. Orbilander går i bane rundt Enceladus

Orbilander begynner studiene av Enceladus med et halvannet år langt opphold i bane rundt månen. Når den kommer tettest på overflaten, er den 20–70 kilometer over sørpolen, der geysirene befinner seg. Underveis bruker sonden også kameraer, laserhøydemåler og radar til å finne et trygt sted å lande.

© Claus Lunau

2. Sonden snapper opp partikler fra geysirene

En trakt med en åpning på én kvadratmeter samler opp partikler fra geysirene. Prøvene analyseres i sondens innebygde laboratorium, som blant annet inneholder mikroskop og spektrometer. Instrumentene tester blant annet om det finnes aminosyrer, fettstoffer og næringsstoffer – og måler ph-verdi og saltinnhold.

© Claus Lunau

3. Sonden samler store partikler på overflaten

Romfartøyet lander på Enceladus og kan bruke både trakten og en robotarm med en skuffe til å samle inn prøver rundt geysiren. Ved overflaten er partiklene større fordi tyngdekraften får de tyngste partiklene til å falle til bakken. Med skuffen kan Orbilander derfor samle inn større mengder prøver.

Cassini-sonden avslørte at flere hundre kilometer høye geysirer strømmer ut fra sprekker i isen på månens sørpol. De inneholder silikat-nanopartikler som normalt bare kan dannes ved møtet mellom vann og stein ved temperaturer over 90 grader celsius.

Derfor mener astronomene at det i vannet under månens overflate av is må befinne seg hydrotermiske skorsteiner, er sprekker i havbunnen der det strømmer varmt vann med høyt innhold av mineraler, for eksempel kalsium og magnesium.

«Hvis vi ikke finner tegn på liv, vil vi vite mer om hvor sannsynlig det er å finne det på andre havkloder.» Shannon M. MacKenzie, ledende forsker på Orbilander-prosjektet

På jorden er de varme hydrotermiske skorsteinene tross sin ytterst solfattige plassering langt nede på den mørke havbunnen alltid omgitt av et rikt dyreliv – blant annet bakterier, krabber og blekkspruter. Derfor kan det samme gjelde for en måne som Enceladus, selv det er flere kilometer med is mellom havet og solen.

Sonden Enceladus Orbilander skal ta med en hær av instrumenter som blant annet kan avgjøre om prøvene fra geysirene og isen inneholder spor av biologisk liv i form av aminosyrer og lipider. Dessuten skal instrumenter forsøke å avgjøre om havet er beboelig, ved blant annet å måle ph-verdi og saltinnhold.

Sonden Orbilander skal først gå i bane rundt Saturn-månen Enceladus og deretter lande på overflaten.

© Claus Lunau

Uansett om Enceladus Orbilander finner spor av liv eller ikke, vil det gi astronomene avgjørende kunnskap om både vårt eget solsystem og andre stjernesystemer.

Og fravær av liv vil være en nesten like viktig oppdagelse som liv, mener Shannon M. MacKenzie, som er ledende forsker på Orbilander-prosjektet.

«Sannsynligheten for utveksling av liv mellom jorden og det ytre solsystemet er liten, så funnet av livstegn på Enceladus vil tyde på en annen opprinnelse. Hvis vi ikke finner spor etter liv, vil vi vite mer om vilkårene som forhindrer det. Da kan vi si mer om sannsynligheten for å finne liv på andre havkloder i vårt eget solsystem og i andre stjernesystemer», forklarer MacKenzie til Illustrert Vitenskap.

Jupiter presser avgangstiden

Jakten på flytende vann under tykke lag av is fortsetter hele veien ut til drømmereisenes fjerneste reisemål, dvergplaneten Pluto. Selv om Pluto i 2006 ble fratatt sin offisielle tittel som planet etter 76 år, har New Horizons-sonden igjen brakt dvergplaneten i astronomenes søkelys.

Etter en nesten ti år lang reise på 4,5 milliarder kilometer avslørte New Horizons-sondens forbiflyvning i juli 2015 at Pluto tross plasseringen i det fjerne og golde Kuiperbeltet har vært og kanskje fortsatt er en svært aktiv klode.

Dvergplaneten har blant annet isbreer og såkalte kryovulkaner som i stedet for glovarm magma, som på jorden, spyr ut en kald, ammoniakkrik og slaps-aktig masse.

Romfartøyet Persephone skal ifølge planen sendes opp i 2031 og nå Pluto etter en reise på hele 26 år. Her skal sonden gå i bane rundt Pluto og studere både dvergplaneten og den store månen Charon. Den skal gå i bane der ute i tre år – fra 2058–61 – uten sammenligning det grundigste studiet av den fjerne kloden noen gang.

Persephones reise til Pluto varer nesten tre tiår. Sonden skal gå i bane rundt dvergplaneten i tre år og lete etter spor etter hav under isdekket. Deretter fortsetter turen lenger ut i Kuiperbeltet. Den lange reisen krever at sonden får en dytt av Jupiters tyngdekraft – og utstyres med avanserte framdriftsmidler.

© Claus Lunau

1. Jupiter slynger sonden mot Pluto

Ved å la sonden tatt en svipptur rundt Jupiter gir astronomene den en dytt fra gassgigantens tyngdekraft. Det sender sonden videre ut i solsystemet med høyere hastighet, noe som sparer drivstoff. Teknikken kalles gravity assist. Men Jupiter må stå i den riktige posisjonen i forhold til Pluto for at bane skal kunne treffe reisemålet.

© Claus Lunau

2. Ion-motor slår elektroner av xenongass

Sondens ion-motorer er full av den stabile gassen xenon (grønt). Strøm sendes gjennom gassen og slår elektroner (rødt) av atomene, slik at de blir ioner (blå) med positiv ladning. De tiltrekkes av et elektrisk felt og skytes bakover og ut. Akselerasjonen er langsom, men en ion-motor kan nå hastigheter på flere hundre tusen km/t med små mengder drivstoff.

© Claus Lunau

3. Atombatterier leverer strøm i årtier

Ion-motorerne samt datamaskiner og instrumenter trenger strøm. Siden sonden vil befinne seg langt fra solen i flere tiår, vil Nasa bruke atombatterier (RTG) i stedet for solceller. Batteriet gjør energi fra radioaktivt henfall om til strøm. En del av varme fjernes gjennom batteriets kjølefinner og sørger for å holde sondens utstyr passelig varmt i det iskalde verdensrommet.

Men det er helt avgjørende at sonden kommer av sted senest i 2032. Etter dette flytter Jupiter seg over i en ugunstig posisjon der romfartøyet ikke lenger vil kunne bruke gasskjempens tyngdekraft til å komme videre på reisen, forteller Carly Howett fra Southwest Research Institute, som er ledende forsker i Persephone-prosjektet.

«Hvis vi går glipp av Jupiters gravity assist, vil det få stor betydning. Da vil det være bedre å vente til Jupiter igjen kommer tilbake i fase om lag ti år senere», sier Howett til Illustrert Vitenskap.

Persephone-sonden skal gå i bane rundt Pluto i tre år for å lete etter beviser for at dvergplaneten har et hav under isen.

© Claus Lunau

Liv på Pluto endrer spillereglene

Hvis det viser seg at Pluto har flytende hav under overflaten, vil det ifølge Carly Howett ha stor betydning for hele forståelsen vår av potensialet for liv i universet.

Det skyldes at Pluto, i motsetning til for eksempel Enceladus, ikke går i bane rundt en gasskjempe som med sin enorme tyngdekraft varmer det indre av månen og dermed smelter vannet under isen. Det vil derfor være ekstra overraskende hvis Pluto gjemmer på et hav av samme type fordi dvergplaneten mangler den energikilden som smelter isen på noen av månene til gasskjempene.

«Hvis vi går glipp av Jupiters gravity assist, vil det være bedre å vente til Jupiter kommer tilbake i fase om lag 10 år senere.» Carly Howett, ledende forsker på Persephone-prosjektet

Dessuten er Pluto mindre enn vår egen måne og dermed så liten at astronomer normalt ville anta at den var en død steinklump.

«Den største oppdagelsen vil være hvis det er et hav under overflaten. I få fall kan det i teorien være liv på Pluto. I så fall er det så mange andre verdener i universet der det også vil kunne være det», sier Howett.

Howett og kollegene hennes på de konkurrerende prosjektene må imidlertid vente noen år til med å finne ut hvem som får en bevilgning på omkring tre milliarder dollar.

I begynnelsen av 2022 ventes det at et panel av eksperter – som består av blant annet astronomer og romfartsingeniører – vil være klare med en samlet vurdering av de ulike prosjektenes tekniske utfordringer og potensialet for vitenskapelige oppdagelser.

Konklusjonene samles i en rapport som utgjør det såkalte Planetary Science Decadal Survey for perioden 2023–2032. Deretter er det opp til Nasa og amerikanske politikere å bestemme hvilke av drømmereisene som fortjener skattebetalernes penger for å bli realisert.