Timp de zeci de ani, nu ne puteam imagina decât care ar putea fi viziunea suprafeței lui Pluton. Acum, avem adevăratul lucru.
Imaginile și datele din zborul misiunii New Horizons din Pluton în iulie 2015 ne-au arătat o lume neașteptat de uimitoare și geologic activă. Oamenii de știință au folosit cuvinte precum „magic”, „uluitor” și „minune științifică” pentru a descrie părerile apropiate de mult ale îndepărtatului Pluton.
Chiar dacă oamenii de știință analizează în continuare datele de la New Horizons, încep să se formuleze idei despre trimiterea unei alte nave spațiale către Pluto, dar cu o misiune orbitară pe termen lung în loc de un flyby rapid.
„Următoarea misiune adecvată pentru Pluto este un orbitor, poate dotat cu un debarcător dacă am avea suficientă finanțare pentru a le face pe amândouă”, a declarat, pentru martie, spitalul principal al New Horizons, Alan Stern, în revista Space.
În această săptămână, Stern a împărtășit pe rețelele de socializare că echipa de științe a New Horizons se întâlnește. Dar, separat, un alt grup începe să vorbească despre o posibilă următoare misiune în Pluton.
Câteva scene din atelierul Pluto Follow On Mission din Houston, ieri. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 aprilie 2017
Obținerea unei nave spațiale în regiunile exterioare ale sistemului nostru solar cât mai repede posibil provoacă provocări, în special în a putea încetini suficient pentru a permite intrarea pe orbită în jurul Plutonului. Pentru noile orizonturi rapide și ușoare, o misiune orbitală era imposibilă.
Ce sistem de propulsie ar putea face o misiune de orbitor Pluton și / sau debarcare?
Câteva idei sunt aruncate în jur.
Sistem de lansare a spațiului
Un concept profită de noul mare sistem de lansare spațială (SLS) al NASA, în curs de dezvoltare, pentru a permite misiunile umane pe Marte. NASA descrie SLS drept „proiectată pentru a fi flexibilă și evolutivă și va deschide noi posibilități pentru sarcini utile, inclusiv misiuni științifice robotizate.” Chiar și prima versiune a blocului 1 poate lansa 70 de tone metrice (versiunile ulterioare ar putea fi în măsură să ridice până la 130 de tone metrice.) Blocul 1 va fi alimentat de boostere cu rachete solide cu două segmente de cinci segmente și patru motoare cu propulsant lichid, cu un 15% propus mai multă forță la lansare decât rachetele Saturn V care au trimis astronauți pe Lună.
Dar o misiune orbitară în Pluto ar putea să nu fie cea mai bună utilizare a SLS.
Este nevoie de mult combustibil pentru a accelera un vehicul cu viteză suficient de rapidă pentru a ajunge la Pluto într-un interval de timp rezonabil. De exemplu, New Horizons a fost cea mai rapidă navă spațială lansată vreodată, folosind o rachetă Atlas V suprapusă, cu boostere suplimentare, a efectuat o mare arsură când New Horizons a părăsit orbita Pământului. Nava spațială ușoară s-a îndepărtat de Pământ la 36.000 de mile pe oră (aproximativ 58.000 km / oră), apoi a folosit un ajutor gravitațional de la Jupiter pentru a crește viteza Noilor Orizonturi la 52.000 mph (83.600 km / h), parcurgând aproape un milion de mile ( 1,5 milioane km) pe zi, în călătoria sa de 4 miliarde km (3,8 miliarde de km) către Pluto. Zborul a durat nouă ani și jumătate.
„Pentru a intra pe orbita Pluto, un vehicul [ca SLS] ar trebui să crească până la aceeași viteză, apoi să se întoarcă și să se decelereze pentru jumătate din călătorie pentru a ajunge la Pluto cu o viteză netă de zero față de planetă”, a explicat Stephen Fleming , un investitor în mai multe start-up-uri spațiale, inclusiv XCOR Aerospace, Planetary Resources și NanoRacks. „Din păcate, datorită tiraniei ecuației rachetelor, ar trebui să transportați tot combustibilul / propulsorul pentru a decelera cu voi la lansare ... ceea ce înseamnă accelerarea orbitorului ȘI tot acel combustibil în faza inițială. Aceasta necesită logaritmic mai mult combustibil pentru arderea inițială și se dovedește a fi o mulțime de combustibil. "
Fleming a declarat pentru Space Magazine că folosind SLS-ul de mai multe miliarde de dolari pentru a lansa un orbitor Pluto, veți încheia lansând o întreagă sarcină utilă plină de propulsor doar pentru a accelera și decelera un orbiter minus Pluto.
„Aceasta este o misiune extraordinar de scumpă”, a spus el.
Propulsie RTG-Ion
O opțiune mai bună ar putea fi utilizarea unui sistem de propulsie de tehnologii combinate. Stern a menționat un studiu NASA care a analizat utilizarea SLS ca vehicul de lansare și pentru a stimula nava spațială spre Pluto, dar apoi a folosit un motor cu ioni RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) pentru a frâne mai târziu pentru o sosire orbitală.
Un RTG produce căldură din descompunerea naturală a plutoniei-238 fără arme, iar căldura este transformată în energie electrică. Un motor cu ioni RTG ar fi un sistem de propulsie ionic mai puternic decât actualul motor solar cu ioni electrici pe nava spațială Dawn, care orbitează acum pe Ceres, pe centura de asteroizi, plus că ar permite funcționarea în sistemul solar exterior, departe de Soare. Acest motor cu ioni nucleari ar permite unei nave spațiale cu viteză să încetinească și să intre în orbită.
"SLS-ul te-ar stimula să zbori spre Pluto", a spus Stern, "și ar fi nevoie, de fapt, de doi ani pentru a face frânarea cu propulsie ionică."
Stern a spus că timpul de zbor pentru o astfel de misiune spre Pluto va fi de șapte ani și jumătate, cu doi ani mai rapid decât New Horizons.
Propulsie de fuziune
Dar cea mai interesantă opțiune ar putea fi o misiune propusă pentru Pluton Orbiter și Lander propusă de Fusion, în prezent, în cadrul unui studiu de faza 1 în Conceptele avansate inovatoare ale NASA (NIAC).
Propunerea utilizează un motor Direct Fusion Drive (DFD) care are propulsie și putere într-un singur dispozitiv integrat. DFD oferă o tracțiune ridicată pentru a permite un timp de zbor de aproximativ 4 ani către Pluto, plus să poată trimite o masă substanțială pe orbită, poate între 1000 și 8000 kg.
DFD se bazează pe reactorul de fuziune Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) care a fost în curs de dezvoltare de 15 ani la Princeton Plasma Physics Laborator.
Dacă acest sistem de propulsie funcționează așa cum a fost planificat, ar putea lansa un orbitor Pluto și un lander (sau eventual un rover) și să ofere suficientă putere pentru a menține un orbiter și toate instrumentele sale, precum și ar putea transmite multă putere unui lander. Acest lucru ar permite vehiculului de suprafață să redea video pe orbiter, deoarece ar avea atât de multă putere, potrivit Stephanie Thomas, de la Princeton Satellite Systems, Inc., care conduce studiul NIAC.
„Conceptul nostru este, în general, primit ca,„ wow, sună foarte tare! Când pot primi unul? ”, A declarat Thomas pentru Space Magazine. Ea a spus că ea și echipa sa au ales un prototip pentru misiunea de orbitor Pluton și de aterizare în propunerea lor, deoarece este un exemplu excelent de ceea ce se poate face cu o rachetă de fuziune.
Sistemul lor de fuziune folosește o gamă liniară mică de bobine de solenoide, iar combustibilul lor la alegere este heliul de deuteriu 3, care are o producție foarte mică de neutroni.
„Se potrivește cu o navă spațială, se potrivește cu un vehicul de lansare”, a explicat Thomas într-o discuție a simpozionului NIAC (discuția ei începe în jurul orei 17:30 în videoclipul conectat). „Nu există litiu sau alte materiale periculoase, ci produce foarte puține particule dăunătoare. Este vorba despre dimensiunea unei camionete sau camioane mici. Sistemul nostru este mai ieftin și mai rapid de dezvoltat decât alte propuneri de fuziune. ”
Echipa Princeton a reușit să producă 300 de impulsuri de milisecundă cu experimentul lor de încălzire cu plasmă, ordine de mărime mai bună decât orice alt sistem.
„Cel mai mare obstacol este fuziunea în sine”, a spus ea. „Trebuie să construim un experiment mai mare pentru a termina dovedirea noii metode de încălzire, care va necesita un ordin de mărime mai multe resurse decât proiectul a primit de la Departamentul de Energie până acum”, a spus Thomas prin e-mail. „Cu toate acestea, este încă mic în schema de proiecte avansate de tehnologie avansată, aproximativ 50 de milioane de dolari.”
Thomas a spus că DARPA a cheltuit mult mai mult pentru multe inițiative tehnologice care au sfârșit anulate. De asemenea, este mult mai puțin decât necesită alte tehnologii de fuziune pentru aceeași etapă de cercetare, deoarece mașina noastră este atât de mică și are o configurație simplă a bobinei. " (Thomas a spus să arunceți o privire asupra bugetului pentru ITER, megaproiectul internațional de cercetare în domeniul fuziunii nucleare și inginerie, care are în prezent peste 20 de miliarde de dolari).
„Pentru a spune simplu, știm că metoda noastră încălzește foarte bine electronii și poate extrapola la ioni de încălzire, dar trebuie să o construim și să o dovedim”, a spus ea.
Thomas și echipa ei lucrează în prezent la tehnologia „echilibrul instalațiilor” - subsistemele care vor fi necesare pentru funcționarea motorului în spațiu, presupunând că metoda de încălzire funcționează așa cum se prevede în prezent.
În ceea ce privește misiunea Pluto în sine, Thomas a spus că nu există obstacole particulare pe orbitarul în sine, dar ar presupune extinderea câtorva tehnologii pentru a profita de cantitatea foarte mare de energie disponibilă, cum ar fi comunicațiile optice.
„Am putea dedica zeci sau mai mulți kW de putere laserului de comunicare, nu 10 watt, [ca misiunile actuale]”, a spus ea. „O altă caracteristică unică a conceptului nostru este aceea de a transmite multă putere unui debarcat. Acest lucru ar permite noi clase de instrumente științifice planetare, precum exerciții puternice. Tehnologia pentru a face acest lucru există, dar instrumentele specifice trebuie proiectate și construite. Tehnologia suplimentară care va fi necesară în curs de dezvoltare în diverse industrii sunt radiatoarele spațiale ușoare, cablurile supraconductoare de generație viitoare și depozitarea criogenică pe termen lung a combustibilului pentru deuteriu. "
Thomas a spus că cercetările lor NIAC merg bine.
„Am fost selectați pentru studiul NIAC de faza II și suntem în negocieri contractuale acum”, a spus ea. „Suntem ocupați la modele de fidelitate mai mare a tracțiunii motorului, la proiectarea componentelor traiectoriei și la dimensionarea diferitelor subsisteme, inclusiv bobine supraconductoare”, a spus ea. „Estimările noastre actuale sunt că un singur motor de 1 până la 10 MW va produce între 5 și 50 N impuls, cu un impuls specific de aproximativ 10.000 sec.”
Lansarea laser la Pluton
O altă posibilitate de propulsie futuristă este sistemele bazate pe laser, propuse de Yuri Milner pentru propunerea sa Breakthrough Starshot, în care cubesatele mici ar putea fi lovite de lasere pe Pământ, în principiu, navele spațiale „bug zapping” pentru a atinge viteze incredibile (posibil milioane de mile / km pe oră. ) pentru a vizita sistemul solar exterior sau mai departe.
„Nu este cu adevărat în cărți să folosim acest tip de tehnologie, pentru că va trebui să așteptăm zeci de ani doar ca aceasta să se dezvolte”, a spus Stern. „Dar dacă ați putea trimite nave spațiale ușoare, ieftine, la viteze de la 10% viteza luminii bazate pe lasere de pe Pământ. Am putea trimite aceste mici nave spațiale către sute sau mii de obiecte din centurile Kuiper și ai fi aflat acolo peste două zile și jumătate. Puteți trimite o navă spațială trecută de Pluto în fiecare zi. S-ar schimba într-adevăr jocul. ”
Viitorul realist
Dar chiar dacă toată lumea este de acord că ar trebui să se facă un orbitor Pluto, cea mai devreme dată posibilă pentru o astfel de misiune este cândva între începutul anilor 2020 și începutul anilor 2030. Dar totul depinde de recomandările formulate de următorul sondaj decadal al comunității științifice, care va sugera cele mai prioritare misiuni pentru Divizia de Științe Planetare a NASA.
Aceste sondaje decadale sunt „foile de parcurs” de zece ani care stabilesc prioritățile științifice și oferă îndrumări către unde NASA ar trebui să trimită nave spațiale și ce tipuri de misiuni ar trebui să fie. Ultimul sondaj Decadal a fost publicat în 2011 și care a stabilit prioritățile științelor planetare până în 2022. Următorul, pentru 2023-2034, va fi publicat probabil în 2022.
Misiunea New Horizons a fost rezultatul sugestiilor din 2003, Decad Survey, unde oamenii de știință au spus că vizitarea sistemului Pluton și a lumilor de dincolo este o destinație prioritară.
Așadar, dacă visezi un orbiter Pluto, continuă să vorbești despre asta.
