Las misiones Vega de la Unión Soviética (en cooperación con algunos gobiernos europeos como Francia y Alemania Occidental) colocaron globos en la atmósfera de Venus en 1985. Fue hace 30 años, la última misión interplanetaria exitosa de la Unión Soviética/Rusia. Hay planes avanzados en papel para aeronaves en la atmósfera de Venus. Pero nunca he oído hablar de algo similar para Urano o Neptuno. De hecho, escucho muy poco sobre cualquier plan de misión para Urano o Neptuno.
¿Sería más difícil poner una aeronave en la atmósfera de los gigantes gaseosos, en comparación con Venus? Es más frío y tiene otra composición y probablemente otro perfil de densidad, y en general menos conocido. ¿Qué dificultades surgirían y cómo podrían superarse? ¿Se dificultaría la comunicación por radio? Observo que los tres planetas mencionados tienen aproximadamente la misma gravedad superficial, muy similar a la de la Tierra (aunque "superficie" podría tener una definición confusa en un gigante gaseoso). Por supuesto, es mucho más difícil llegar a Urano, aunque su pozo de gravedad más profundo y el aerofrenado ayudan, pero pregunto qué se puede hacer con una aeronave una vez que una sonda ha entrado en órbita allí.
Quiero agregar la pregunta secundaria si sería valioso para la investigación de exoplanetas examinar especialmente las atmósferas de Venus, Urano y Neptuno, ya que el tamaño más común de los exoplanetas parece estar entre ellos, y sus atmósferas podrían analizarse con telescopios planeados para el próximo unos años o una década. ¿Existe una sinergia sensata entre el estudio de esos tres planetas aquí y los exoplanetas?
La flotabilidad es un gran problema. Para mantenerse en el aire, la densidad promedio de la envoltura del globo, el gas de sustentación y la góndola debe ser <= la densidad de la atmósfera circundante.
La presión dentro de un globo debe ser igual o ligeramente mayor que la atmósfera que lo rodea, de lo contrario, el globo colapsará. Si observa la ley de los gases ideales, verá que hay dos formas de satisfacer estas dos condiciones: O la masa molar del gas elevador debe ser (sustancialmente) menor que la masa molar de la atmósfera, o la temperatura debe ser (sustancialmente) más alta que la de la atmósfera, o ambas.
En Venus la atmósfera es principalmente CO con una masa molar de 44. Los globos Vega se llenaron con He, masa molar 4. La flotabilidad es proporcional a la diferencia (no a la proporción) de las masas molares, por lo tanto, 40 gramos por mol; de hecho, mucha sustentación. más de lo que tiene un globo de helio en la Tierra para la misma presión ambiental.
La troposfera superior de Urano tiene un 85% de hidrógeno, un 15% de helio para una masa molar promedio de aproximadamente 2,3. Si utiliza el gas de elevación más ligero posible, hidrógeno puro, la flotabilidad es de solo 0,3 gramos por mol, mucho menos que los globos Vega. Sería extremadamente desafiante (básicamente imposible) construir una envoltura de globo, una góndola y una carga útil lo suficientemente livianas para ser soportadas por eso. El hidrógeno también es bastante más difícil de transportar a través del sistema solar que el helio.
La solución es probablemente usar un globo aerostático, siendo el aire la atmósfera de Urano. Todavía será un desafío: aún necesita un volumen de globo mucho mayor para el mismo peso de carga útil que en Venus, y también debe traer una fuente de calor compacta y liviana para calentar toda esa atmósfera. Estas tecnologías aún no se han desarrollado.
La atmósfera de Venus es principalmente CO2, que tiene un peso molar más alto que el N2 o el O2, por lo que un globo lleno de nuestra atmósfera flotaría. Globos llenos de H2 o He aún más.
Pero la atmósfera de Urano es principalmente hidrógeno y helio. Los globos que flotan serían más difíciles. Para obtener una explicación más detallada de este problema, consulte la excelente respuesta de pericynthion.
Hay otros problemas además de hacer que las sondas de globo de Urano sean mucho más difíciles que las sondas de globo de Venus.
La velocidad orbital justo por encima de la atmósfera de Venus es de unos 7 km/s frente a los 15 km/s de Urano. La energía escala con la velocidad al cuadrado. (15/7)^2 es aproximadamente 4,6. Entonces, la entrada en la atmósfera de Urano implicaría arrojar más de 4 veces más energía que la entrada en la atmósfera de Venus.
También se necesita mucho más delta V para llegar a Urano que a Venus. Desde la órbita terrestre baja (LEO) se necesitarían unos 8 km/s para enviar una sonda a lo largo de una transferencia Hohmann a Urano. La inserción de Tran Venus desde LEO es de unos 3,5 km/s.
Si viniera de la tierra a lo largo de una órbita de Hohmann, la sonda se movería a unos 22 km/s cuando alcance la atmósfera de Urano. Y unos 11 km/s al llegar a la atmósfera de Venus. Suponiendo un camino de Hohmann, la entrada atmosférica de Urano es un problema mayor.
El tiempo de viaje de la Tierra a Urano Hohmann es de unos 16 años. El viaje de la Tierra a Venus Hohmann es de unos 5 meses.
La energía solar es una opción para las sondas de Venus, Venus recibe aproximadamente el doble de la insolación de la Tierra. A ~20 AU, Urano recibe alrededor de 1/400 de la insolación que disfruta la Tierra. La sonda uraniana necesitaría energía nuclear.
Mi primera preocupación fue la magnetosfera, pero Venus parece tener poco o ningún campo magnético intrínseco , y el de Urano es algo más fuerte que el de la Tierra, pero no tan ridículamente.
La temperatura y la presión de la atmósfera de Venus a 50-65 km de altitud son bastante manejables, no muy diferentes a las condiciones que se pueden encontrar cerca de la superficie de la Tierra.
La atmósfera de Urano parece ser mucho más fría a presiones comparables. Mantener su dirigible calentado (a grandes altitudes) y su envoltura presurizada (a altitudes más bajas) será el desafío allí.
La comunicación por radio es bastante difícil a la distancia de Urano fuera de la atmósfera; Me imagino que le gustaría que la aeronave tuviera un enlace de radio de baja potencia con un orbitador (usando bandas de frecuencia seleccionadas para una absorción atmosférica mínima) y el orbitador tendría un enlace de comunicación de mayor potencia con la Tierra. Una estrategia similar también podría ser necesaria en la atmósfera de Venus, si eres lo suficientemente profundo; enviar un orbitador con una sonda atmosférica separada probablemente tenga muchas otras ventajas de todos modos.
Con respecto a los exoplanetas: los grandes exoplanetas actualmente parecen ser los "más comunes" porque los planetas masivos en órbitas cercanas alrededor de sus estrellas son los más fáciles de detectar. Si bien podemos aprender algo sobre los exoplanetas de tipo uraniano al estudiar a Urano, aún no serán tan importantes para nosotros a largo plazo como los planetas de tipo más terrestre.
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