Ist es schwieriger, ein Luftschiff in die uranische als in die venusianische Atmosphäre zu bringen?

Auftrieb ist ein großes Problem. Um in der Luft zu bleiben, muss die durchschnittliche Dichte der Ballonhülle, des Traggases und der Gondel <= der Dichte der umgebenden Atmosphäre sein.

Der Druck in einem Ballon muss gleich oder etwas größer als die umgebende Atmosphäre sein, sonst kollabiert der Ballon. Wenn Sie sich das ideale Gasgesetz ansehen, sehen Sie, dass es zwei Möglichkeiten gibt, diese beiden Bedingungen zu erfüllen: Entweder muss die Molmasse des Auftriebsgases (wesentlich) kleiner sein als die Molmasse der Atmosphäre oder die Temperatur muss (wesentlich) höher sein als der der Atmosphäre oder beides.

Auf der Venus besteht die Atmosphäre hauptsächlich aus CO$_2$mit einer Molmasse von 44. Die Vega-Ballons waren mit He gefüllt, Molmasse 4. Der Auftrieb ist proportional zur Differenz (nicht zum Verhältnis) der Molmassen, also 40 Gramm pro Mol - also ziemlich viel Auftrieb mehr als ein Heliumballon auf der Erde bei gleichem Umgebungsdruck hat.

Die obere Troposphäre von Uranus besteht zu etwa 85 % aus Wasserstoff und zu 15 % aus Helium bei einer durchschnittlichen Molmasse von etwa 2,3. Wenn Sie das leichteste Auftriebsgas verwenden - reiner Wasserstoff - beträgt der Auftrieb nur 0,3 Gramm pro Mol, erheblich weniger als bei den Vega-Ballons. Es wäre äußerst schwierig (im Grunde unmöglich), eine Ballonhülle, eine Gondel und eine Nutzlast zu bauen, die leicht genug sind, um davon getragen zu werden. Wasserstoff ist auch etwas schwieriger durch das Sonnensystem zu transportieren als Helium.

Die Lösung besteht wahrscheinlich darin, einen Heißluftballon zu verwenden, wobei die Luft die uranische Atmosphäre ist. Es wird immer noch eine Herausforderung sein - Sie benötigen immer noch ein viel größeres Ballonvolumen für das gleiche Nutzlastgewicht als auf der Venus, und Sie müssen auch eine kompakte, leichte Wärmequelle mitbringen, um die gesamte Atmosphäre zu erwärmen. Diese Technologien müssen noch entwickelt werden.

Die Atmosphäre der Venus besteht hauptsächlich aus CO2, das ein höheres Molekulargewicht als N2 oder O2 hat, sodass ein mit unserer Atmosphäre gefüllter Ballon Auftrieb hätte. Mit H2 oder He gefüllte Ballons noch mehr.

Aber die Atmosphäre von Uranus besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Luftballons, die schweben, wären schwieriger. Eine ausführlichere Erklärung dieses Problems finden Sie in der hervorragenden Antwort von Pericynthion.

Es gibt andere Probleme, als uranische Ballonsonden viel härter zu machen als venusianische Ballonsonden.

Die Umlaufgeschwindigkeit knapp über der Atmosphäre der Venus beträgt etwa 7 km/s gegenüber etwa 15 km/s für Uranus. Energie skaliert mit Geschwindigkeit im Quadrat. (15/7)^2 ist etwa 4,6. Der Eintritt in die Uranus-Atmosphäre würde also bedeuten, dass mehr als viermal so viel Energie abgegeben wird wie der atmosphärische Eintritt der Venus.

Außerdem braucht es viel mehr Delta V, um Uranus zu erreichen, als die Venus. Vom Low Earth Orbit (LEO) aus würde es etwa 8 km/s dauern, um eine Sonde entlang eines Hohmann-Transfers zum Uranus zu schicken. Tran Venus Insertion von LEO beträgt etwa 3,5 km/s.

Wenn die Sonde auf einer Hohmann-Umlaufbahn von der Erde kommt, würde sie sich mit etwa 22 km/s bewegen, wenn sie die Uranus-Atmosphäre erreicht. Und etwa 11 km/s beim Erreichen der Venusatmosphäre. Geht man von einem Hohmann-Pfad aus, ist der atmosphärische Eintritt von Uranus ein größeres Problem.

Die Reisezeit von Erde zu Uranus Hohmann beträgt etwa 16 Jahre. Die Reise von der Erde zur Venus Hohmann dauert ungefähr 5 Monate.

Solarenergie ist eine Option für Venus-Sonden, die Venus erhält etwa die doppelte Sonneneinstrahlung der Erde. Bei ~20 AE erhält Uranus etwa 1/400 der Sonneneinstrahlung, die die Erde genießt. Die Uranian-Sonde müsste mit Atomkraft betrieben werden.

Meine erste Sorge war die Magnetosphäre, aber die Venus scheint wenig oder kein intrinsisches Magnetfeld zu haben , und das von Uranus ist etwas stärker als das der Erde, aber nicht lächerlich.

Die Temperatur und der Druck der Atmosphäre der Venus in 50-65 km Höhe sind ziemlich handhabbar, nicht anders als Bedingungen, die nahe der Erdoberfläche zu finden sind.

Die Atmosphäre von Uranus scheint bei vergleichbarem Druck viel kälter zu sein. Dort wird es die Herausforderung sein, Ihr Luftschiff (in großen Höhen) beheizt und seine Hülle unter Druck zu halten (in niedrigeren Höhen).

Die Funkkommunikation ist in der Entfernung von Uranus außerhalb der Atmosphäre schwierig genug; Ich stelle mir vor, Sie möchten, dass das Luftschiff eine Funkverbindung mit geringer Leistung zu einem Orbiter hat (unter Verwendung von Frequenzbändern, die für minimale atmosphärische Absorption ausgewählt wurden), und der Orbiter hätte eine Kommunikationsverbindung mit höherer Leistung zurück zur Erde. Eine ähnliche Strategie könnte auch in der venusianischen Atmosphäre notwendig sein, wenn Sie tief genug sind; Das Senden eines Orbiters mit einer separaten Atmosphärensonde hat wahrscheinlich ohnehin viele andere Vorteile.

Apropos Exoplaneten: Große Exoplaneten scheinen derzeit die „häufigsten“ zu sein, weil massereiche Planeten in engen Umlaufbahnen um ihre Sterne am einfachsten zu erkennen sind. Während wir durch das Studium von Uranus vielleicht etwas über Exoplaneten vom Typ Uranus lernen, werden sie für uns auf lange Sicht immer noch nicht so wichtig sein wie eher erdähnliche Planeten.