천왕성 궤도선 및 탐사정

3. 과학적 목표

보이저 2호는 1986년 천왕성계를 스쳐 지나간 이후, 이 얼음 거대 행성을 근접 탐사한 유일한 우주선이다. 최근 외계 행성 연구에서 얼음 거대 행성과 유사한 행성이 흔하게 발견되면서, 태양계 내의 얼음 거대 행성인 천왕성과 해왕성에 대한 심층 연구의 필요성이 커졌다.^[8] 이에 따라 2011-2022 행성 과학 10개년 조사에서는 화성 2020 로버와 유로파 클리퍼 다음으로 중요한 플래그십급 임무로 얼음 거대 행성 궤도선 임무를 권고했다.^[5][6][7]

천왕성과 해왕성 모두 과학적으로 매력적인 탐사 목표이지만, 발사체 가용성, 비행 기간, 비용 등 현실적인 요소를 고려하여 천왕성 궤도선 및 대기 탐사정이 우선적으로 선정되었다.^[5][7][2][3] 일부에서는 해왕성의 위성인 트리톤이 포획된 카이퍼 벨트 천체이자 해양 세계일 가능성이 높아 천체 생물학적 관점에서 더 흥미로운 목표라는 의견도 있었지만,^[12][13] 최종적으로는 천왕성 탐사가 결정되었다.

천왕성 궤도선 및 탐사정 임무는 목성의 갈릴레오 임무와 토성의 카시니 임무의 뒤를 잇는 중요한 플래그십 임무로 평가받는다. 이 임무의 핵심 목표는 천왕성 행성 자체의 기원과 내부 구조, 대기 현상부터 시작하여 복잡한 자기권, 그리고 여러 위성들과 고리 시스템에 이르기까지, 천왕성 시스템 전반에 걸쳐 남아있는 다양한 과학적 의문점들을 해결하는 것이다.^[2] 구체적인 연구 주제는 아래 하위 섹션에서 자세히 다룬다.

미국 항공 우주국(NASA)의 평가 결과, 천왕성 궤도선 및 탐사정은 마스 2020과 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위를 가지는 플래그십 임무로 확정되었다.

3. 1. 기원, 내부 구조 및 대기

• 대기: 얼음 거성인 천왕성 내부에서 열권까지 이어지는 대기 순환의 작동 원리를 규명하고, 기상 현상이 나타나는 층의 3차원적인 대기 구조를 파악한다.
• 기원과 진화: 천왕성이 언제, 어디서, 어떻게 형성되었는지 밝히고, 행성 이동을 포함한 열적, 공간적 진화 과정을 추적한다. 또한, 천왕성 특유의 거의 누운 듯한 역 자전축 기울기가 어떻게 형성되었는지 그 원인을 탐구한다.
• 내부 구조: 천왕성의 전체적인 구성 성분과 깊이에 따라 성분이 어떻게 달라지는지 조사한다. 천왕성 내부에 뚜렷한 경계를 가진 층이 존재하는지, 혹은 물질이 희석된 형태의 핵을 가지고 있는지 확인하고, 이러한 내부 구조가 천왕성의 형성과 자전축 기울기와 어떤 관련이 있는지 연구한다.
• 자전과 날씨: 천왕성의 실제 자전 속도를 정확히 측정하고, 행성 전체가 균일하게 자전하는지 혹은 차등 자전을 하는지 확인한다. 더불어 표면에서 관측되는 빠른 바람이 대기 어느 깊이까지 영향을 미치는지 측정한다.

3. 2. 자기권

• 어떤 다이나모 과정이 천왕성의 복잡한 자기장을 생성하는지 규명한다.
• 천왕성 자기권의 플라스마 기원과 역학을 밝히고, 이것이 태양풍, 천왕성 대기 상층부, 그리고 위성 표면과 어떻게 상호작용하는지 연구한다.

3. 3. 위성 및 고리

• 천왕성의 거대 위성들의 내부 구조와 암석 대 얼음 비율은 무엇이며, 어떤 위성이 상당한 내부 열원이나 해양을 가지고 있는가? 특히 아리엘과 미란다는 해양 세계일 가능성이 있는 위성으로 주목된다.^[13]
• 천왕성의 위성들의 조성과 특성은 이들의 형성과 진화 과정을 어떻게 제약하는가?
• 위성 표면은 어떤 지질학적 역사와 과정을 기록하고 있으며, 이는 외태양계 충돌체 집단에 대해 무엇을 알려주는가? 또한 표면은 어떤 외인성 상호 작용의 증거를 보여주는가?
• 천왕성 고리와 내부의 작은 위성들의 조성, 기원, 역사는 무엇이며, 어떤 과정이 현재의 형태로 만들었는가?

4. 임무 상세 정보

또한, 뉴 프론티어 계획에서도 천왕성을 목표로 하는 궤도선 개발 연구가 권고된 바 있다.^[24]

4. 1. 궤도선 탑재 장비

4. 2. 대기 탐사정 탑재 장비

5. 발사

2020년대 SLS을 이용한 발사가 계획되었다.^[30][31][32] 이 미션은 평가 결과 마스 2020, 유로파 클리퍼에 이어 세 번째 우선순위를 가진 플래그십 미션으로 선정되었다. 발사체로는 보잉에서 개발한 스페이스 런치 시스템(SLS)이 제안되었다.^[18][19]

천왕성까지 항해하는 데 화학 추진 방식이 가능하지만, 태양 전력 추진 방식(NEXT 이온 슬러스터)도 고려되었다. 태양 전력 추진은 우주선의 전체 질량을 늘릴 수 있다는 장점이 있어 미션 설계의 한 가지 선택지로 검토되었다.^[20][21][22]

6. 지원, 개발, 투자

천왕성 궤도선 및 탐사정 프로젝트는 NASA와 제트추진연구소가 중심이 되어 추진될 가능성이 있으며, 보잉과 같은 항공우주 기업의 기술 지원이나 개발 참여가 이루어질 수 있다.

참조

_[1] 논문 Journey to an Ice Giant System: Uranus Orbiter and Probe https://drive.google[...] NASA 2021-06-07
_[2] 서적 Origins, Worlds, and Life: A Decadal Strategy for Planetary Science and Astrobiology 2023-2032 https://nap.national[...] National Academies Press 2022-04-30
_[3] 뉴스 Planetary science decadal endorses Mars sample return, outer planets missions https://spacenews.co[...] SpaceNews 2022-04-19
_[4] 웹사이트 Plutonium availability constrains plans for future planetary missions https://spacenews.co[...] 2023-05-03
_[5] 웹사이트 Visions and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013–2022 https://solarsystem.[...] 2021-04-20
_[6] 웹사이트 New SLS mission options explored via new Large Upper Stage http://www.nasaspace[...] NASASpaceFlight 2013-11-20
_[7] 웹사이트 SDO-12345: Ice Giants Decadal Study https://www.nap.edu/[...] National Academy of Sciences 2010-06-03
_[8] 웹사이트 Ice Giants Pre-Decadal Survey Mission Study Report (June 2017) https://www.lpi.usra[...] 2024-02-13
_[9] 뉴스 It’s time to explore Uranus and Neptune again — and here's how NASA could do it https://www.theverge[...] The Verge 2017-06-16
_[10] 뉴스 Revisiting the ice giants: NASA study considers Uranus and Neptune missions http://www.planetary[...] The Planetary Society 2017-06-21
_[11] 뉴스 NASA Completes Study of Future ‘Ice Giant’ Mission Concepts https://www.nasa.gov[...] NASA TV 2017-06-20
_[12] 논문 Exploration Strategy for the Outer Planets 2023–2032: Goals and Priorities https://baas.aas.org[...] 2021-04-20
_[13] 논문 NASA Roadmap to Ocean Worlds
_[14] 문서 THE CASE FOR A URANUS ORBITER http://www.lpi.usra.[...]
_[15] 간행물 Small Next-generation Atmospheric Probe (SNAP) Concept https://link.springe[...]
_[16] 문서 Vision and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013-2022 http://solarsystem.n[...]
_[17] 문서 Uranus and Neptune Orbiter and Probe Concept Studies, Ice Giants Decadal Study http://sites.nationa[...]
_[18] 웹사이트 New SLS mission options explored via new Large Upper Stage http://www.nasaspace[...] NASASpaceFlight 2013-11-20
_[19] 웹사이트 Space Launch System Exploration, Science, Security http://www.boeing.co[...]
_[20] 뉴스 It’s time to explore Uranus and Neptune again - and here's how NASA could do it https://www.theverge[...] The Verge 2017-06-16
_[21] 뉴스 Revisiting the ice giants: NASA study considers Uranus and Neptune missions http://www.planetary[...] The Planetary Society 2017-06-21
_[22] 뉴스 NASA Completes Study of Future ‘Ice Giant’ Mission Concepts https://www.nasa.gov[...] NASA TV 2017-06-20
_[23] 간행물 Small Next-generation Atmospheric Probe (SNAP) Concept https://ntrs.nasa.go[...] NASA
_[24] 문서 THE CASE FOR A URANUS ORBITER http://www.lpi.usra.[...]
_[25] 웹인용 Vision and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013–2022 http://solarsystem.n[...] 2018-09-08
_[26] 문서 THE CASE FOR A URANUS ORBITER http://www.lpi.usra.[...]
_[27] 뉴스 NASA's New Frontier Mission Will Search For Alien Life Or Reveal The Solar System's History http://www.ibtimes.c[...] IB Times 2017-12-20
_[28] 뉴스 Back to Saturn? Five Missions Proposed to Follow Cassini https://www.nytimes.[...] The New York Times 2017-09-15
_[29] 간행물 Inner Workings: Icy ocean worlds offer chances to find life http://www.pnas.org/[...] PNAS 2017-05-02
_[30] 웹인용 Uranus and Neptune Orbiter and Probe Concept Studies, Ice Giants Decadal Study http://sites.nationa[...] 2018-09-08
_[31] 웹인용 New SLS mission options explored via new Large Upper Stage http://www.nasaspace[...] NASASpaceFlight 2013-11-20
_[32] 웹인용 Space Launch System Exploration, Science, Security http://www.boeing.co[...]