Avagy, jobb, ha van nálad valami olvasnivaló: évek a bolygók közötti sötét térben
A Mars pályáján túl gyorsan növekednek a távolságok. A Jupiter átlagosan körülbelül 778 millió kilométerre kering a Naptól, a Szaturnusz 1,43 milliárd, az Uránusz 2,87 milliárd, a Neptunusz pedig 4,5 milliárd kilométerre. A bolygók közötti utak ezért már nem néhány hónapig, hanem több évig vagy akár évtizedekig tarthatnak.
A belső bolygókhoz való jutással ellentétben külső Naprendszerbe tartó űrhajónak növelnie kell Nap körüli pályaenergiáját. Egy erősebb gyorsítással rövidebb menetidő érhető el, de a sebességet a célbolygónál ismét le kell dolgozni. Egy gyors átrepülő szonda viszonylag hamar eljuthat a távoli bolygókhoz. Egy pályára álló, nagy tömegű űrhajó jóval viszont ez jóval nehezebb feladat.
Jupiter: a Naprendszer legnagyobb fékezőereje
A Jupiter körülbelül ötször olyan messze kering a Naptól, mint a Föld. A hozzá vezető út lehet közvetlen, vagy tartalmazhat gravitációs hintamanővert. A választás az indítási energiától, az űrhajó tömegétől és az adott évek bolygóállásaitól függ.
A vénuszi hintamanőver lehetséges útvonaltípus, a Juno szonda viszont nem ezt használta. A Juno 2011-ben indult, majd 2013-ban visszatért a Föld közelébe: a földi gravitációs hintamanőver növelte meg annyira a Naphoz viszonyított sebességét, hogy elérhesse a Jupitert. Tehát bármilyen furcsa is, az anyabolygót lehet használni hintamanőver céljából.
Útközben az űrhajó áthalad az aszteroidaöv térségén. Ezt a sci-fi filmekből úgyképzeljük, hogy az űreszköznek úgy kell szlalomoznia a kisbolygók és aszteroidák között, mint Han Solonak a Millenium Falconnal, amikor meglép a csillagromboló elöl. De ki kell ábrándítani minden sci-fi rajongót: ez nem valamiféle összefüggő sziklafal. Az objektumok között hatalmas távolságok vannak, ezért egy véletlen ütközés esélye rendkívül kicsi. A veszélyesebb részecskék a nehezen észlelhető porszemek és apró törmelékdarabok, amelyek több tízezer kilométer per órás relatív sebességgel csapódhatnak a szerkezetnek.
Utunk során a Jupiterhez közeledve a bolygó gravitációja egyre erősebben gyorsítja az űrhajót. A Jupiter tömege körülbelül két és félszerese a Naprendszer összes többi bolygója együttes(!) tömegének, emiatt egy pályára álló szondának jelentős sebességet kell elveszítenie a legközelebbi megközelítés idején.
A Juno 2016. július 5-én, közép-európai idő szerint hajnalban hajtotta végre pályára állító manőverét. Főhajtóműve mintegy 35 percen át működött. A fékezés után a Jupiter gravitációja már zárt pályán tartotta.
A Juno közel öt év alatt érte el a Jupitert. Más küldetések rövidebb vagy hosszabb idő alatt jutottak oda. A New Horizons például körülbelül 13 hónap alatt haladt el a Jupiter mellett, de meg sem próbált pályára állni. A gyors átrepülés és a bolygó körüli pályára állás között óriási energiaigénybeli különbség van. Ha a Monolithoz megyünk majd, kedves Űrodüsszeia rajongók, mindezt észben kell tartanunk majd.
A Jupiter mint gravitációs gyorsító
Ha az űrhajó nem fékez le, a Jupiter gravitációja jelentősen megváltoztathatja az irányát és a Naphoz viszonyított sebességét. A bolygó mozgó gravitációs teréből az űreszköz energiát nyerhet, vagy energiát adhat át neki, attól függően, milyen irányból közelíti meg.
A bolygó keringési sebessége ettől felfoghatatlanul kis mértékben módosul, de módosul. Az űrhajó esetében azonban a változás több kilométer per másodperc is lehet, ami nagy kincs.
Ezzel a módszerrel a Jupiter továbbküldhet egy szondát a Szaturnusz, az Uránusz, a Neptunusz vagy akár a Naprendszer határvidéke felé. A pontos útvonalat évekkel korábban meg kell tervezni, mert a következő bolygónak a megfelelő időben a megfelelő helyen kell lennie. A későknek nagy büntetés lesz majd a helytelen pályamódosítás.
Szaturnusz: hosszú út a gyűrűkig
A Szaturnusz közel kétszer olyan messze kering a Naptól, mint a Jupiter. A két bolygó közötti távolság helyzetüktől függően több százmillió kilométerrel változhat.
A Cassini–Huygens 1997-ben indult, majd a Vénusz mellett kétszer, a Föld és a Jupiter mellett egyszer hajtott végre hintamanővert. 2004-ben, majdnem hét év repülés után állt Szaturnusz körüli pályára.
A Szaturnusz mérete közel áll a Jupiteréhez, tömege azonban csak körülbelül a harmada. Emiatt gravitációs tere gyengébb, de egy nagy sebességgel érkező űrhajót továbbra sem fogna be önmagától, ezért a Cassini főhajtóműve 96 percig működött a pályára állítás során.
A kisebb bolygótömeg tehát nem jelenti azt, hogy a fékezési manőver egyszerű. A szükséges sebességváltozás függ a közelítés irányától, a választott pályától és attól is, milyen közel repül el az űrhajó a bolygóhoz.
Uránusz: a megfelelő indítási év döntő
Az Uránuszt eddig egyetlen űrszonda látogatta meg közelről. A Voyager–2 1977 augusztusában indult, és 1986 januárjában repült el a bolygó mellett. Az út körülbelül nyolc és fél évig tartott.
A Voyager-program kihasználta a külső bolygók ritka, kedvező elrendeződését. Ez nem azt jelentette, hogy a bolygók egy egyenes vonalba kerültek. Olyan helyzet alakult ki, amelyben egyetlen szonda egymás után használhatta fel a Jupiter, a Szaturnusz, majd az Uránusz gravitációját.
A hasonló teljes „nagy körút” lehetősége nagyjából 175 évente ismétlődik. A következő, a Voyageréhez hasonló elrendezés időpontját különböző pályafeltételek alapján eltérően adhatják meg, ezért a 2152-es év nem kezelhető egyetlen, minden küldetésre érvényes dátumként.
Az Uránusz ettől függetlenül más időpontokban is elérhető. Több korábbi küldetési tanulmány vizsgált 2030-as évekbeli indításokat, amelyek Jupiter melletti hintamanőverrel körülbelül 12–15 éves utat tennének lehetővé. Egy konkrét 2031-es indulás és 13 éves repülés lehetséges forgatókönyv lehet, de nem általános érvényű menetrend.
Egy pályára álló Uránusz-szonda nehezebb és lassabb lenne, mint a Voyager–2. A cél közelében jelentős fékezésre lenne szüksége, vagy olyan pályát kellene választania, amely a bolygó légkörének felső rétegeit is felhasználja a sebesség csökkentésére.
Neptunusz: több mint négy fényórára a Naptól
A Neptunusz átlagosan harmincszor messzebb van a Naptól, mint a Föld. A napfény körülbelül négy óra alatt ér oda, így egy rádiójel oda-vissza útja megközelítőleg nyolc óráig tart.
A Voyager–2 1989 augusztusában érte el a Neptunuszt, tizenkét évvel az indulása után. Az Uránusz és a Neptunusz közötti szakasz körülbelül három és fél évig tartott.
A szonda nagy sebességgel haladt el a bolygó mellett, és nem rendelkezett pályára álláshoz szükséges hajtóanyaggal. Egy Neptunusz körüli keringésre tervezett küldetésnek vagy jóval lassabban kellene érkeznie, vagy nagy fékezőmanővert kellene végrehajtania.
A tizenöt éves menetidő reális lehet bizonyos fejlett küldetési tervekben, de nem felső határ. Egy nagy tömegű, hagyományos kémiai hajtóműveket használó űrhajó pályára állítása ennél hosszabb utazást is igényelhet. A gyorsabb érkezés önmagában nem oldja meg a problémát, mert a többletsebességet a Neptunusznál el kell veszíteni.
Plútó: tíz év az elrepüléshez, több idő a maradáshoz
A Plútó 2006 óta a törpebolygók közé tartozik, ettől még ugyanúgy fontos célpontja maradt a bolygókutatásnak.
A New Horizons 2006 januárjában indult, és 2015 júliusában repült el a Plútó mellett. Az út kilenc és fél évig tartott. A szonda a Jupitertől kapott gravitációs segítséget, majd nagy sebességgel haladt tovább a külső Naprendszerben.
A Plútó közelében körülbelül 50 000 kilométer per órás relatív sebességgel haladt.
A New Horizons nem tudott pályára állni: ehhez jelentős fékezésre lett volna szükség, ami a szonda tömegéhez képest hatalmas hajtóanyagkészletet követelt volna.
Egy Plútó körüli pályára álló küldetés húsz év körüli vagy annál hosszabb utazást is jelenthetne. A pontos idő attól függne, milyen hajtóművet használ, kap-e gravitációs segítséget a Jupitertől, és milyen hosszú fékezési szakaszt terveznek számára.
Mennyi idő lenne mindegyik bolygót felkeresni?
A külön-külön felsorolt menetidők egyszerű összeadása valamivel több mint hatvan évet adhat, de ez nem jelent valós, egyetlen űrhajóval végrehajtható útvonalat, így csalóka az egyszerű matek. A bolygók sem várnák ugyanabban a helyzetben a következő indulást. Egy Merkúr-expedíció után nem lehetne automatikusan a Vénusz, majd a Mars és a Jupiter felé indulni az egyes menetidők összegével (Sorry, Han, tudom, te meg tudnád csinálni 12 parsec alatt). Hosszú várakozásokra, új pályákra, új hajtóanyagkészletre és eltérő bolygóállásokra lenne szükség.
A 64 éves összeg ezért inkább a különálló, Földről induló utak menetidejének összessége, ám egy valódi nagy bolygókörút hossza teljesen más lenne, és a pályatervezőknek már az indulás előtt több évtized mozgását kellene figyelembe venniük. Előnyünkre szolgálna, hogy a külső bolygókhoz vezető utakon a hajtóművek csak rövid ideig működnének. A repülés nagy részében az űrhajó kikapcsolt hajtóművekkel haladna egy előre kiszámított Nap körüli pályán, és a több milliárd kilométeres utazást néhány perces vagy órás manőverek határozzák meg, amelyeket évekkel korábban számítottak ki.
Tehát nehéz ügy az űrrepülés, bár könnyűnek látszik: a bolygók nem adják könnyen magukat. A belső bolygókhoz túl gyorsan érkezünk, de közel vannak, a külsőkhöz éveket utazunk a nagy űres térségek között, és itt is meg kell terveznünk a pályát, nehogy csak simán elszáguldjunk mellettük.
