چرا رسیدن کاوشگر اروپا کلیپر به سیاره مشتری بسیار زمان‌بر است؟

هفته‌ی گذشته، کاوشگر اروپا کلیپر ماجراجویی خود برای کاوش کوچک‌ترین قمر از میان اقمار چهار‌گانه‌ی بزرگ سیاره مشتری را به امید جمع‌آوری سرنخ‌هایی از حیات آغاز کرد. پرتاب این کاوشگر به خاطر طوفان میلتون چهار روز به تأخیر افتاد؛ اما این مدت در مقایسه با پنج سال و نیم زمان مورد نیاز برای رسیدن به مدار مشتری ناچیز است. حتی پس از رسیدن به مشتری تقریبا یک سال طول می‌کشد تا کاوشگر جدید ناسا بتواند برای شروع وظیفه‌ی اصلی خود به اروپا نزدیک شود.

کاوشگر اروپا کلیپر عمدتا به دلیل محافظت از خود دربرابر ذرات باردار شتاب‌گرفته توسط میدان مغناطیسی قدرتمند مشتری، به بزرگ‌ترین فضاپیمای سیاره‌ای ناسا تبدیل شده است؛ به‌طوری که وزن آن به حدود ۳۲۴۱ کیلوگرم می‌رسد. درحالی‌که کاوشگرهای وویجر با وزن فقط یک‌چهارم اروپا کلیپر به ترتیب در مدت ۱۸ و ۲۳ ماه به نزدیک‌ترین فاصله‌شان از مشتری رسیدند. بااین‌حال تنها دلیل سفر طولانی اروپا کلیپر، وزن زیاد آن نیست. این کاوشگر باید سوخت بیشتری را با خود حمل کند. بنابراین اگر در همان مسیر وویجرها سفر می‌کرد، مشکلی برای پیشروی سریع نداشت.

یکی از دلایل سفر طولانی اروپا کلیپر، مسیر تعیین‌شده برای این کاوشگر است. اروپا کلیپر به‌جای اینکه مسیری مستقیم را برای رسیدن به بزرگ‌ترین سیاره منظومه شمسی طی کند، در ابتدا به سمت مریخ می‌رود تا از گرانش این سیاره کمک می‌گیرد. کاوشگر در آنجا بخشی از سرعت مداری مریخ را برای افزایش سرعت خود می‌رباید. نسبت جرم بین دو جسم آن‌قدر زیاد است که تعیین تأثیر کاوشگر بر سرعت سیاره با ابزارهای موجود امکان‌پذیر نیست؛ اما درعوض مریخ تاثیری چشمگیر بر اروپا کلیر می‌گذارد.

بااین‌حال بازدید از مریخ همچنان انحراف چندانی از مسیر اصلی به شمار نمی‌رود؛ چرا که مریخ بین زمین و مشتری قرار می‌گیرد. این مسیر زمانی عجیب می‌شود که اروپا کلیپر پس از گذر از کنار مریخ، به جای حرکت به سمت منظومه‌ی شمسی بیرونی، دور می‌زند و به سمت زمین بازمی‌گردد تا از گرانش زمین برای شتاب‌دادن به خود در مسیر رسیدن به مقصد نهایی، کمک بگیرد.

حرکت حلقوی کاوشگر به این معنی است که مسیر کامل به سمت مشتری ۲٫۹ میلیارد کیلومتر یا تقریبا ۲۰ برابر فاصله‌ی زمین و خورشید خواهد بود. با درنظر گرفتن این مسئله که در نزدیک‌ترین حالت مشتری تنها ۵۹۰ میلیون کیلومتر از ما فاصله دارد و بیش از یک میلیارد کیلومتر هم دور نمی‌شود، کلیپر مسیری طولانی را در پیش خواهد داشت.

با این‌حال مسیر کاوشگر کلیپر در مقایسه با کاوشگر جوس که در آوریل ۲۰۲۳ پرتاب شد و پس از کلیپر به مشتری می‌رسد، کوتاه‌تر است. گرفتن مقداری سرعت اضافی ازطریق کمک‌های گرانشی می‌تواند سفرهای فضایی را سریع‌تر کند؛ اما قطعا سفر بدین شیوه به اندازه‌ی پرتاب مستقیم به سمت هدف، سریع نخواهد بود. پس چرا چنین کاری انجام می‌دهیم؟

تفاوت اصلی فضاپیماهایی مثل اروپا کلیپر، جوس و جونو از یک سو با کاوشگرهایی مثل وویجر از سوی دیگر، این است که آیا هدف کاوشگرها حضور بلندمدت است یا گذر از نزدیکی آن‌ها. اگر درصدد بازدید سریع باشید (یا حتی بخواهید خود را به هدف بکوبید)، سرعت شما اهمیت چندانی نخواهد داشت. با این‌حال یک کاوشگر برای قرارگرفتن در مدار یک جرم باید درنهایت با سرعتی مشابه با آن جرم در مدار خورشید قرار بگیرد.

اینکه می‌توانیم فضاپیماها را به راحتی در مدار مریخ و زهره قرار دهیم یا حتی روی سطح آن‌ها فرود بیاوریم، چندان به فاصله‌ی آن‌ها از ما بستگی ندارد؛ بلکه این سیاره‌ها با سرعتی نه چندان متفاوت با زمین به دور خورشید می‌چرخند. وقتی کاوشگری را پرتاب می‌کنیم، به‌لطف رانش ارائه‌شده به‌وسیله‌ی موشک پرتابگر، با سرعتی یکسان با زمین به دور خورشید می‌چرخد. تغییردادن سرعت فضاپیما تا زمان تطبیق با سرعت نزدیک‌ترین همسایگان کار چندان دشواری نیست؛ اما سیاره مشتری مقصدی متفاوت است.

سرعت مداری دیگر غول‌های گازی به مراتب متفاوت‌تر با زمین است و به همین دلیل فرستادن کاوشگر به آن‌ها دشوارتر است. برای مثال، بخش عمده‌ی جرم پرتاب فضاپیمای کاسینی از سوخت تشکیل شده بود.

همچنین لازم است کاوشگر جوس فاصله‌ای طولانی‌تر را برای دریافت کمک گرانشی طی کند که شامل یک مسیر بی‌سابقه به کمک ماه و زمین بود؛ زیرا با موشک آریان ۵ پرتاب شده بود. این موشک قدرت بالابرنده‌ی کمتری نسبت به فالکون هوی دارد که برای پرتاب اروپا کلیپر به کار رفت. طرح‌های پیشین کلیپر به دنبال پرتاب آن با اسپیس لانچ سیستم (SLS)، موشک بزرگ جدید ناسا بود که می‌توانست تکانه‌ی کافی برای رسیدن به مشتری به صورت مستقیم را فراهم کند؛ اما SLS هنوز موشکی مطمئن محسوب نمی‌شود.

تمام دلایل فوق نشان می‌دهند که چرا با وجود اهمیت علمی فرستادن کاوشگر به اورانوس و نپتون، هنوز مأموریتی برای این مقاصد برنامه‌ریزی نشده است؛ زیرا سرمایه‌گذاری برای مقصدی که رسیدن به آن ده‌ها سال به طول می‌انجامد می‌تواند بسیار دشوار باشد. این مشکل موجب شده است که برخی کارشناسان برای فرستادن فضاپیما به مدار نپتون، ایده‌های خطرناک و عجیب را به‌جای مسیر مستقیم پیشنهاد کنند.