Sista utropet på expedition till yttre solsystemet

Tre planeter i yttre solsystemet är starka kandidater till att ha vatten och därmed kanske även liv. Nu vill Nasa skaffa fram bevis, men det är bråttom med avresan, för om tio år kan Jupiter inte längre ge sonderna den knuff som är så viktig på den miljardtals kilometer långa resan.

Tre planeter i yttre solsystemet är starka kandidater till att ha vatten och därmed kanske även liv. Nu vill Nasa skaffa fram bevis, men det är bråttom med avresan, för om tio år kan Jupiter inte längre ge sonderna den knuff som är så viktig på den miljardtals kilometer långa resan.

Claus Lunau

En metallisk jätteinsekt hoppar över Tritons issprickor med fem kilometer långa skutt. Längs vägen gräver roboten upp kväveis från ytan och använder den som bränsle i sin raketmotor. Tidpunkten är 2040-tal och ”hopparens” uppgift är att hitta spår av det liv som astronomerna misstänker finns på Neptunus största måne.

Vart tionde år fattar Nasa beslut om vilka expeditioner rymdorganisationen ska ägna tusentals ingenjörstimmar och en stor del av budgeten åt att genomföra.

Nästa utgåva av Nasas önskelista, Planetary Science Decadal Survey, gäller tioårsperioden från 2023 till 2032. En av drömresorna på listan är expeditionen Neptune Odyssey, i vilken den särpräglade robotlandaren Triton Hopper ingår.

Neptune Odyssey är en så kallad flaggskeppsexpedition, Nasas mest ambitiösa typ av rymdresa, som vanligen har en prislapp på mellan två och tre miljarder dollar och som kräver nyskapande tekniska lösningar, gällande både raketmotorer och robotfordon.

Roboten Triton Hopper ska förflytta sig på Neptunus måne Triton med fem kilometer långa hopp.

© Claus Lunau

Det är emellertid inte säkert att Neptune Odyssey någonsin kommer att förverkligas. Expeditionen konkurrerar nämligen med två andra lika dristiga drömresor.

Sonden Orbilander, som ska både kretsa runt Saturnus måne Enceladus och landa på dess yta, där ingen rymdfarkost någonsin tidigare varit, och expeditionen Persephone, som ska ända ut till Pluto och som den första rymdfarkost någonsin placeras i omloppsbana runt dvärgplaneten och dess måne Charon.

Dessa expeditioner är inte bara krävande. Det är också mer bråttom än vanligt att få klartecken för dem.

De enorma avstånden till solsystemets yttre planeter innebär nämligen att sonderna är beroende av att få en extra skjuts av Jupiters starka gravitation. Från början av 2030-talet kommer emellertid Jupiter att vara felplacerad i förhållande till expeditionernas destinationer.

Om man inte lyckas sända iväg en expedition till yttre solsystemet inom de närmaste tio åren kommer man därför att behöva vänta ytterligare tio år innan det är realistiskt att göra ett nytt försök.

Månar har kanske hav med fiskar

Gemensamt för Nasas tre drömresor är att de ska försöka hitta avgörande bevis för liv på andra planeter i solsystemet.

Trots att det bara finns karga gasjättar och isplaneter i de mest avlägsna delarna av vår planetariska bakgård har sonder sedan länge visat att det på vissa av planeternas ismånar faktiskt skulle kunna finnas liv.

Saturnus måne Enceladus, Neptunus måne Triton och dvärgplaneten Pluto är de destinationer till vilka Nasa drömmer om att sända stora expeditioner under det kommande årtiondet. Priset är dock högt, så alla de tre resorna kan inte förverkligas.

© NASA

Landning på Enceladus

Den här Saturnusmånen är en av de hetaste kandidaterna till att hitta liv på en främmande himlakropp. Sonden Orbilander ska både kretsa runt och landa på Enceladus.

  • Expedition: Orbilander
  • Avstånd: 1,27 miljarder kilometer
  • Restid: cirka 11 år
  • Kostnad: 2,5 miljarder dollar
  • Senaste besökare: Cassini, år 2015
© NASA

Hoppande farkost på Triton

Under ytan på Neptunus största måne Triton kan det finnas ett hav med eventuellt liv. Expeditionen Neptune Odyssey ska placera en hoppande robot på Triton.

  • Expedition: Neptune Odyssey
  • Avstånd: 4,4 miljarder kilometer
  • Restid: cirka 16 år
  • Kostnad: 3,4 miljarder dollar
  • Senaste besökare: Voyager 2, år 1989
© SwRI/JHUAPL/NASA

Omloppsbana runt Pluto

Sonden New Horizons förbiflygning har gett starka indikationer på att det finns ett hav under isen på Pluto. Under expeditionen Persephone ska en sond placeras i omloppsbana runt dvärgplaneten.

  • Expedition: Persephone
  • Avstånd: 7,5 miljarder kilometer
  • Restid: cirka 26 år
  • Kostnad: 3 miljarder dollar
  • Senaste besökare: New Horizons, år 2015

Saturnus måne Enceladus och Neptunus måne Triton döljer troligen enorma, böljande hav under ytan. Det samma gäller dvärgplaneten Pluto. Det innebär att de kanske också har liv i form av mikroorganismer eller till och med fiskar och större havslevande djur.

Ingen vet ännu hur organismer på dessa platser skulle kunna se ut, men eftersom förutsättningarna möjligen påminner om haven på jorden finns det hopp om att hitta liv.

Gravitation fungerar som katapult

Astronomerna har väldigt få data som underbygger misstanken om liv, eftersom gas- och isjättarnas stora avstånd från oss innebär att vi inte har besökt dem särskilt ofta.

När man rör sig utåt i solsystemet ökar avstånden mellan planeterna exponentiellt. De yttre planeterna ligger betydligt längre från varandra än de inre. Den yttersta planeten Neptunus avstånd till solen är 30 gånger längre än jordens.

Så långa resor kräver inte bara år av tålamod från de första ingenjörsritningarna till ankomsten vid destinationen. De förutsätter också att solsystemets planeter står i rätt position i förhållande till varandra.

För att spara bränsle och därmed dyrbar vikt utnyttjar astronomerna en teknik som kallas gravitationsslunga, där sonden gör en sväng runt en planet och utnyttjar gravitationen för att slungas vidare ut i rymden i högre hastighet.

Denna teknik tänktes ut år 1961 av den amerikanske matematikern Michael Minovitch och testades för första gången år 1973, då rymdsonden Pioneer 10 passerade Jupiter och använde gasjättens gravitation för att få upp sin hastighet från 52 000 till 132 000 kilometer i timmen.

🎬 SE VIDEO: Planeternas gravitation sätter fart på sonden

I slutet av 1970-talet drog Voyagersonderna också nytta av en särskild position av himlakropparna för att slungas förbi yttre solsystemets fyra stora gasplaneter. Voyager 1 och 2, som fortfarande är aktiva, har i dag färdats så långt bort från jorden att de har lämnat heliosfären, den gräns utanför vilken solvinden inte längre har någon inverkan.

De båda sonderna hann ta banbrytande bilder och göra mätningar av solsystemets fyra yttersta planeter, men astronomerna har fortfarande många obesvarade frågor om gas- och isjättarna.

Den här gången har astronomerna särskilt bråttom att förbereda sina expeditioner, för från och med början av 2030-talet befinner sig Jupiter i en position där planeten inte kan användas för att slunga sonder i riktning mot vare sig Saturnus, Neptunus eller Pluto.

Det innebär inte att det är omöjligt att genomföra expeditioner till yttre solsystemet, men utan en extra skjuts från Jupiter behöver raketerna generera betydligt större tryckkraft. Därför vill astronomerna gärna sända iväg dem innan Jupiterfönstret stängs.

Neptunus har snott åt sig sin måne

Mest försummade av solsystemets planeter är isjättarna Uranus och Neptunus, som inte har besökts av en rymdfarkost sedan Voyager 2 flög förbi åren 1986 och 1989.

Det finns dock starka skäl att studera den delen av solsystemet närmare, anser vissa astronomer. Inte minst Neptunus måne Triton är intressant av flera skäl.

När expeditionen Neptune Odyssey anländer till Triton år 2040 ska ett ovanligt robotfordon sättas ner Neptunusmånens yta. Under sin utforskning av månen ska hopparen göra flera kilometer långa hopp och samla in bränsle på vägen.

© Claus Lunau

1. Robotarm gräver upp bränsle från ytan

Triton Hopper har en robotarm som kan gräva upp klumpar av kväveis från Tritons yta med en liten skopa. Kväve är ett vanligt bränsle till mindre raketdysor på rymdfarkoster.

© Claus Lunau

2. Bränsletank förvarar smält kväveis

Den kalla kväveisen värms först upp av en radioaktiv energikälla, en så kallad radioisotopgenerator, som ger både värme och el. När kvävet har smälts förvaras det i en bränsletank.

© Claus Lunau

3. Raketdysor skjuter ifrån och bromsar in

Kvävet driver de små raketmotorer som skjuter upp Triton Hopper i luften och bromsar farkosten inför landningen. Tritons låga gravitation gör det möjligt att hoppa en kilometer upp för att fotografera och mäta gejsrarnas innehåll.

© Claus Lunau

4. Böjliga ben ger mjuk landning

Landningsstället består av tre ben som dämpar stöten vid landningen efter varje hopp. Hopparen kommer att kunna utforska Triton från ekvatorn till sydpolens gejsrar två–tre gånger snabbare än ett traditionellt robotfordon.

För det första är forskarna nästan helt övertygade om att månen ursprungligen utgjorde en del av Kuiperbältet, det område med småkroppar som omger solsystemet, i vilket även Pluto återfinns. Vid någon tidpunkt lyckades emellertid Neptunus med hjälp av sin gravitation ”sno åt sig” Triton från Kuiperbältet och föra in himlakroppen i en omloppsbana runt planeten som skiljer sig från solsystemets övriga månar.

Medan andra månar vanligen kretsar runt sin planet längs ekvatorn, är Tritons omloppsbana förskjuten 23 grader i förhållande till Neptunus ekvator. Det säger astronomerna att Triton inte alltid har tillhört Neptunus och ännu inte har fallit helt på plats i sin omloppsbana runt planeten.

Den ovanliga månen Triton kretsar med 23 graders förskjutning till Neptunus ekvator.

Triton är dessutom rätt stor – större än dvärgplaneten Pluto. Om Neptunus inte hade funnits skulle Triton vara stor nog att räknas som en planet.

Gejsrar slungar ut mörkt material

Månens ovanliga egenskaper slutar dock inte här. På sydpolen genomborras nämligen Tritons yta, som består av kväveis, av mörka gejsrar som sprutar ut mörkt material på ytan.

Redan på de bilder som Voyager 2 skickade hem för över tre årtionden sedan upptäckte astronomerna karakteristiska mörka fläckar, men det är fortfarande oklart vad gejsrarna innehåller och vilka processer som driver dem.

Bilder från sonden Voyager 2 har visat att Tritons yta av kväveis genomborras av mörka gejsrar på sydpolen. Men vad gejsrarna innehåller och vad det är som driver dem är fortfarande en gåta.

© Ron Miller/Black Cat Studio

Gejsrarna stärker dock astronomernas misstanke att Triton har ett hav av vatten under ytan. Under det tjocka täcket av vattenis kan nämligen isen smältas av den starka gravitation som Neptunus utsätter Triton för.

Det är en tidvatteneffekt som även förekommer på jorden. Jorden och månen påverkar nämligen varandra ömsesidigt med sin respektive massa. Där det finns vatten kan det också finnas liv, för åtminstone på jorden frodas liv nästan överallt där man hittar vatten, även på väldigt ogästvänliga platser.

Expeditionen Neptune Odyssey ska enligt planen placera roboten Triton Hopper på ytan. Med den särpräglade landaren ska forskarna dra nytta av det faktum att gravitationen på Triton bara är åtta procent av jordens. Det gör det möjligt för landaren att förflytta sig över ytan i fem kilometer långa och en kilometer höga hopp och på så vis söka igenom en stor yta efter tecken på liv.

Robot hoppar fram över Tritons yta

Triton Hopper tar sig fram över Neptunusmånens is med fem kilometer långa hopp. Raketmotorer sänder roboten en kilometer upp i luften och bromsar den inför varje landning. Den hoppande roboten kan täcka en betydligt större yta än ett traditionellt, hjulförsett robotfordon.

Triton Hopper räknas till Niac (Nasa Innovative Advanced Concepts), Nasas djärvaste framtidskoncept, vilket innebär att det inte finns någon garanti för att farkosten verkligen kommer att ingå i en Tritonexpedition. Rymdingenjörerna anser dock att Triton Hopper är ett bra alternativ till exempelvis ett rullande robotfordon som Curiosity på Mars, eftersom Tritons issprickor och snö snabbt skulle bli ett problem för ett fordon med hjul.

Varmt vatten bubblar upp på ismåne

Tidvatteneffekten och teorin om ett enormt hav under isen är också anledningen till att Nasa vill besöka Enceladus, Saturnus sjätte största måne.

Med sin diameter på 505 kilometer är den betydligt mindre än Triton, som har en diameter på 2 707 kilometer, men rymdsonden Cassinis upptäckter har visat att Enceladus med stor sannolikhet döljer ett saltvattenshav under sina istäcken.

Därför är Saturnusmånen målet för expeditionskonceptet Enceladus Orbilander, som – vilket namnet antyder – både ska placeras i omloppsbana runt månen (orbit) och landa på dess yta, vilket inte har gjorts tidigare.

Enceladus enorma gejsrar sprutar ut material från ett hav under månens istäckta yta. Sonden Orbilander ska först ta prover av gejsrarnas partiklar medan den ligger i omloppsbana runt månen och därefter landa på ytan. Det ska slutgiltigt slå fast om det finns liv i havet.

© Claus Lunau

1. Orbilander placeras i omloppsbana runt Enceladus

Orbilander inleder sin undersökning av Enceladus med att lägga sig i omloppsbana runt månen i ett och ett halvt år. När den befinner sig närmast ytan kommer den att färdas 20–70 kilometer ovanför sydpolen, där gejsrarna finns. Längs vägen använder sonden även kameror, laserhöjdmätare och radar för att hitta en säker plats att landa på.

© Claus Lunau

2. Sonden fångar partiklar från gejsrarna

En tratt med en kvadratmeterstor öppning samlar in partiklar från gejsrarna. Proverna analyseras med bland annat mikroskop och spektrometrar i sondens inbyggda laboratorium. Instrumenten kan analysera innehåll av aminosyror, fettämnen och näringsämnen samt mäta pH-värdet och salthalten.

© Claus Lunau

3. Sonden samlar in större partiklar på ytan

Rymdfarkosten landar på Enceladus och kan nu både använda tratten och en robotarm med en skopa för att ta prover kring gejsrarna. Vid ytan är partiklarna större, eftersom gravitationen får de tyngsta partiklarna att falla till marken. Med skopan kan Orbilander därför samla in mer material.

Cassinisonden visade att hundratals kilometer höga gejsrar slungas ut från sprickor i isen på månens sydpol. De innehåller nanopartiklar av silikat, som normalt bara bildas när flytande vatten och berg möts vid temperaturer över 90 grader Celsius.

Därför tror astronomerna att det i vattnet under månens istäckta yta finns hydrotermala öppningar, det vill säga sprickor i havsbottnen ur vilka det strömmar uppvärmt, mineralrikt vatten som innehåller exempelvis kalcium och magnesium.

”Om vi inte hittar några tecken på liv och känner till de förutsättningar som förhindrar det, kan vi börja stipulera begränsningar för andra havsplaneters grad av beboelighet.” Shannon M. MacKenzie, expeditionen Orbilanders chefsforskare

På jorden omges varma hydrotermala öppningar, trots att de befinner sig i mörker långt nere på havsbottnen, alltid av ett rikt djurliv, bland annat bakterier, krabbor och bläckfiskar. Därför kan det mycket väl vara likadant på en måne som Enceladus, fastän månens hav ligger under kilometertjock is.

Sonden Enceladus Orbilander ska föra med sig en mängd olika instrument som bland annat kan avgöra om de insamlade proverna från gejsrarna och isens yta innehåller spår av biologiskt liv i form av aminosyror och lipider. Dessutom ska instrument genom att bland annat mäta havets pH-värde och salthalt försöka avgöra om det är beboeligt.

Sonden Orbilander ska först kretsa runt Saturnus måne Enceladus och därefter landa på ytan.

© Claus Lunau

Oavsett om Enceladus Orbilander hittar spår av liv eller ej kommer astronomerna att få viktiga kunskaper om både vårt eget solsystem och andra stjärnsystem.

Frånvaro av liv är en nästan lika viktig upptäckt som liv, menar Shannon M. MacKenzie, som är chefsforskare på Orbilanderexpeditionen till Enceladus.

”Sannolikheten för spridning av liv mellan jorden och yttre solsystemet är liten, så ett fynd av livstecken på Enceladus skulle tyda på ett annat ursprung (än livet på jorden, red.). Om vi omvänt inte hittar några tecken på liv och känner till de förutsättningar som förhindrar det, kan vi börja stipulera begränsningar för andra havsplaneters grad av beboelighet i vårt eget solsystem och i andra”, förklarar Shannon M. MacKenzie för Illustrerad Vetenskap.

Jupiter pressar avgångstiden

Jakten på flytande vatten under tjocka istäcken fortsätter ända ut till drömresornas mest avlägsna destination, dvärgplaneten Pluto. Trots att Pluto år 2006, efter 76 år, fråntogs sin officiella status som planet har expeditionen New Horizons återigen satt dvärgplaneten i astronomernas sökarljus.

Efter en nästan tio år och 4,5 miljarder kilometer lång resa avslöjade sonden New Horizons förbiflygning i juli 2015 att Pluto, trots sin placering i det avlägsna, karga Kuiperbältet, har varit och kanske fortfarande är en i hög grad aktiv planet.

Dvärgplaneten kan bland annat ha glaciärer och så kallade kryovulkaner, som i stället för glödhet magma som på jorden spyr ur sig kall issörja som är rik på ammoniak.

Expeditionen Persephone, som är planerad för uppsändning år 2031, ska nå Pluto efter en 26 år lång färd. Där ska sonden placeras i omloppsbana runt Pluto och under tre år, från 2058 till 2061, på nära håll studera både dvärgplaneten och dess stora måne Charon – utan jämförelse den mest ingående undersökningen av den avlägsna planeten som någonsin gjorts.

Expeditionen Persephones resa till Pluto kommer att bli nästan tre årtionden lång. Sonden ska placeras i omloppsbana runt dvärgplaneten i tre år, där den ska försöka visa att det finns ett hav under isen. Därefter fortsätter färden längre ut i Kuiperbältet. Den långa resan kräver dels att sonden får extra fart av Jupiters gravitation, dels att den utrustas med avancerad teknik för framdrivning.

© Claus Lunau

1. Jupiter slungar sonden mot Pluto

Genom att låta sonden ta en sväng runt Jupiter ger astronomerna den en extra skjuts genom att utnyttja gasjättens gravitation. Då skickas sonden vidare ut i solsystemet i högre hastighet och sparar bränsle, en teknik som kallas gravitationsslunga. Jupiter måste dock stå i rätt position i förhållande till Pluto för att farkostens bana ska nå sin destination.

© Claus Lunau

2. Jonmotor slår loss elektroner från xenon

Sondens jonmotorer har fyllts med den stabila ädelgasen xenon (grön). El som sänds genom gasen slår loss elektroner (röda) från atomerna, så att de övergår till positivt laddade joner (blå). De attraheras av ett elektriskt fält och skjuts ut baktill. Accelerationen är visserligen långsam, men med en jonmotor kan en farkost komma upp i flera hundratusen kilometer i timmen med endast små mängder bränsle.

© Claus Lunau

3. Atombatterier ger el i årtionden

Jonmotorerna, datorer och instrument behöver ström. Eftersom sonden kommer att befinna sig långt från solen i flera årtionden använder Nasa atombatterier i stället för solceller. Ett atombatteri omvandlar energi från radioaktivt sönderfall till el. En del av energin avges som värme genom batteriets kylfenor och håller uppe temperaturen på sondens utrustning i den kalla rymden.

Det är dock avgörande för expeditionen att sonden kommer iväg senast år 2032. Därefter går Jupiter in i en mindre gynnsam del av sin omloppsbana, där rymdfarkosten inte längre kan dra nytta av gasjättens gravitation för att få extra skjuts, berättar expeditionen Persephones chefsforskare, doktor Carly Howett vid Southwest Research Institute.

”Om vi missar Jupiters gravitationsslunga (i början av 2030-talet, red.) får det stor betydelse. Då är det bättre att vänta med uppsändningen tills Jupiter kommer tillbaka i fas, cirka tio år senare”, säger Carly Howett till Illustrerad Vetenskap.

Sonden Persephone ska kretsa runt Pluto i tre år för att försöka hitta bevis för att dvärgplaneten har ett hav under isen.

© Claus Lunau

Liv på Pluto ändrar spelreglerna

Om det visar sig finnas ett flytande hav under Plutos yta kommer det enligt Carly Howett att få stor betydelse för hela vår förståelse av potentialen för liv i universum.

Det beror på att Pluto inte, som exempelvis Enceladus, ligger i omloppsbana runt en gasjätte, som med sin enormt starka gravitation värmer upp månens inre och smälter vattnet under det yttre istäcket. Det skulle alltså vara extra förvånande om Pluto döljer ett hav av samma typ, eftersom dvärgplaneten saknar den energikälla som får vattnet att inta flytande form på några av gasjättarnas månar.

”Om vi missar Jupiters gravitationsslunga är det bättre att vänta med uppsändningen tills Jupiter kommer tillbaka i fas, cirka tio år senare.” Carly Howett, expeditionen Persephones chefsforskare

Dessutom är Pluto mindre än vår egen måne och därmed en så liten himlakropp att astronomer normalt skulle anta att den bara var en död stenklump.

”Den största upptäckten vore om det finns ett hav under ytan. Då kan det i teorin finnas förutsättningar för liv på Pluto. Om så är fallet kan det finnas många andra världar i universum med liv”, säger Carly Howett.

Howett och hennes kollegor på de konkurrerande rymdexpeditionerna är dock tvungna att vänta ytterligare några år innan de får veta om just deras expedition kommer att tilldelas de omkring tre miljarder dollar som behövs.

I början av år 2022 väntas en expertpanel bestående av bland annat astronomer och rymdingenjörer bli klara med en övergripande bedömning av expeditionernas tekniska utmaningar och potentialen i deras vetenskapliga upptäckter.

Dessa slutsatser ska samlas i en rapport som utgör den så kallade Planetary Science Decadal Survey för åren 2023–2032. Sedan är det upp till Nasa och de amerikanska politikerna att besluta vilka av drömresorna som förtjänar skattebetalarnas pengar och ska genomföras.