Przez dziesięciolecia mogliśmy sobie tylko wyobrazić, jaki może być widok powierzchni Plutona. Teraz mamy prawdziwą rzecz.
Obrazy i dane z misji Plutona w New Horizons w lipcu 2015 r. Pokazały nam nieoczekiwanie oszałamiający i aktywny geologicznie świat. Naukowcy użyli słów takich jak „magiczny”, „zapierający dech w piersiach” i „naukowa kraina czarów”, aby opisać długo oczekiwane zbliżenia odległego Plutona.
Mimo że naukowcy wciąż analizują dane z Nowych Horyzontów, zaczynają się formułować pomysły na wysłanie kolejnego statku kosmicznego do Plutona, ale z długoterminową misją orbitera zamiast szybkiego przelotu.
„Następną odpowiednią misją do Plutona jest orbiter, być może wyposażony w lądownik, gdybyśmy mieli wystarczające fundusze, aby zrobić jedno i drugie”, główny badacz New Horizons Alan Stern powiedział Space Magazine w marcu.
W tym tygodniu Stern udostępnił w mediach społecznościowych, że spotyka się zespół naukowy New Horizons. Ale osobno inna grupa zaczyna rozmawiać o możliwej kolejnej misji na Plutona.
Kilka scen z wczorajszego warsztatu Pluto Follow On Mission w Houston. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 kwietnia 2017 r
Jak najszybsze dotarcie statku kosmicznego do zewnętrznych obszarów naszego Układu Słonecznego stanowi wyzwanie, szczególnie w zakresie wystarczającego spowolnienia, aby umożliwić wejście na orbitę wokół Plutona. Dla szybkich i lekkich New Horizons misja orbitalna była niemożliwa.
Jaki system napędowy może umożliwić misję orbitera i / lub lądownika Plutona?
Rzucanych jest kilka pomysłów.
System uruchamiania przestrzeni kosmicznej
Jedna koncepcja wykorzystuje duży, nowy system kosmicznego startu NASA (SLS), który jest obecnie opracowywany, aby umożliwić ludzkie misje na Marsie. NASA opisuje SLS jako „zaprojektowaną tak, aby była elastyczna i ewoluowalna i otworzy nowe możliwości dla ładunków, w tym zrobotyzowane misje naukowe”. Nawet pierwsza wersja bloku 1 może uruchomić 70 ton metrycznych (późniejsze wersje mogą być w stanie podnieść do 130 ton metrycznych). Blok 1 będzie zasilany przez podwójne pięciosegmentowe silniki rakietowe na paliwo stałe i cztery silniki na paliwo ciekłe, z proponowanym 15% większy nacisk podczas startu niż rakiety Saturn V, które wysłały astronautów na Księżyc.
Ale misja orbitera do Plutona może nie być najlepszym zastosowaniem samego SLS.
Przyspieszenie pojazdu zajmuje wystarczająco dużo paliwa, aby dostać się do Plutona w rozsądnym czasie. Na przykład New Horizons był najszybszym statkiem kosmicznym, jaki kiedykolwiek wystrzelono, wykorzystując udoskonaloną rakietę Atlas V z dodatkowymi wzmacniaczami, dokonał wielkiego poparzenia, gdy New Horizons opuścił orbitę Ziemi. Lekki statek kosmiczny wystrzelił z Ziemi z prędkością 36 000 mil na godzinę (około 58 000 km / h), a następnie wykorzystał wspomaganie grawitacyjne Jowisza, aby zwiększyć prędkość Nowych Horyzontów do 53 000 mil na godzinę (83 600 km / h), podróżując prawie milion mil ( 1,5 miliona km) dziennie podczas podróży o długości 3 miliardów mil (4,8 miliarda km) do Plutona. Lot trwał dziewięć i pół roku.
„Aby wejść na orbitę Plutona, pojazd [taki jak SLS] musiałby przyspieszyć do tej samej prędkości, a następnie zawrócić i zwolnić do połowy podróży, aby dotrzeć do Plutona z prędkością netto zerową względem planety”, wyjaśnił Stephen Fleming , inwestor w kilka startupów kosmicznych, w tym XCOR Aerospace, Planetary Resources i NanoRacks. „Niestety, z powodu tyranii równania rakietowego, musiałbyś nosić ze sobą całe paliwo / paliwo, aby zwalniać ze sobą podczas startu… co oznacza przyspieszenie orbitera ORAZ całe to paliwo w początkowej fazie. Wymaga to logarytmicznie większej ilości paliwa na początkowe spalanie i okazuje się, że to DUŻO paliwa. ”
Fleming powiedział Space Magazine, że używając wielomiliardowego SLS do wystrzelenia orbitera Plutona, skończyłbyś odpalaniem całego ładunku pełnego paliwa, aby przyspieszyć i spowolnić maleńkiego orbitera Plutona.
„To niezwykle droga misja” - powiedział.
Napęd jonowy RTG
Lepszym rozwiązaniem może być zastosowanie układu napędowego połączonych technologii. Stern wspomniał o badaniu NASA, które dotyczyło użycia SLS jako pojazdu startowego i przyspieszenia statku kosmicznego w kierunku Plutona, ale następnie za pomocą silnika jonowego napędzanego RTG (Radioizotope Thermoelectric Generator), aby później zahamować w celu przybycia na orbitę.
RTG wytwarza ciepło z naturalnego rozkładu plutonu 238 innego niż broń, a ciepło jest przekształcane w elektryczność. Silnik jonowy RTG byłby silniejszym jonowym układem napędowym niż obecny słoneczny elektryczny silnik jonowy na statku kosmicznym Dawn, teraz krążącym wokół Ceres, w pasie asteroid, a ponadto umożliwiłby działanie w zewnętrznym układzie słonecznym, daleko od Słońca. Ten napędzany energią jądrową silnik jonowy umożliwiłby przyspieszeniu statku kosmicznego spowolnienie i wejście na orbitę.
„SLS zachęciłoby cię do lotu do Plutona” - powiedział Stern - „a hamowanie za pomocą napędu jonowego zajęłoby dwa lata”.
Stern powiedział, że czas lotu takiej misji na Plutona wyniesie siedem i pół roku, dwa lata szybciej niż Nowe Horyzonty.
Napęd termojądrowy
Jednak najbardziej ekscytującą opcją może być proponowana misja Plutona Orbiter i Lander z włączoną funkcją Fusion, będąca obecnie w fazie badań 1 w ramach innowacyjnych koncepcji zaawansowanych NASA (NIAC).
We wniosku zastosowano silnik Direct Fusion Drive (DFD), który ma napęd i moc w jednym zintegrowanym urządzeniu. DFD zapewnia duży ciąg, aby umożliwić lot do Plutona około 4 lat, a także być w stanie wysłać znaczną masę na orbitę, być może od 1000 do 8000 kg.
DFD jest oparty na reaktorze fuzyjnym Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC), który jest rozwijany od 15 lat w Princeton Plasma Physics Laboratory.
Jeśli ten układ napędowy działa zgodnie z planem, może wystrzelić orbitę Plutona i lądownik (lub ewentualnie łazik) i zapewnić wystarczającą moc do utrzymania orbitera i wszystkich jego instrumentów, a także wysłać dużą moc do lądownika. Umożliwiłoby to powierzchniowemu pojazdowi przesłanie wideo z powrotem na orbitę, ponieważ miałoby tyle mocy, według Stephanie Thomas z Princeton Satellite Systems, Inc., która prowadzi badanie NIAC.
„Nasza koncepcja jest ogólnie przyjęta jako„ wow, to brzmi naprawdę fajnie! Kiedy mogę je zdobyć? ”Thomas powiedział Space Magazine. Powiedziała, że ona i jej zespół wybrali prototypowy orbiter Plutona i misję lądownika w swojej propozycji, ponieważ jest to doskonały przykład tego, co można zrobić za pomocą rakiety fuzyjnej.
Ich system syntezy wykorzystuje mały liniowy układ cewek solenoidowych, a ich paliwem z wyboru jest hel deuterowy 3, który ma bardzo niską produkcję neutronów.
„Pasuje do statku kosmicznego, pasuje do pojazdu startowego” - wyjaśnił Thomas podczas sympozjum NIAC (jej rozmowa zaczyna się około 17:30 w połączonym wideo). „Nie ma litu ani innych niebezpiecznych materiałów, wytwarza bardzo mało szkodliwych cząstek. To mniej więcej rozmiar minivana lub małej ciężarówki. Nasz system jest tańszy i szybszy w opracowaniu niż inne propozycje syntezy jądrowej. ”
Zespół Princeton był w stanie wytworzyć 300 milisekund pulsów w swoim eksperymencie z ogrzewaniem plazmowym, rzędu wielkości lepszym niż jakikolwiek inny system.
„Największą przeszkodą jest sama fuzja” - powiedziała. „Musimy zbudować większy eksperyment, aby zakończyć udowadnianie nowej metody ogrzewania, która będzie wymagała o rząd wielkości więcej zasobów, niż projekt otrzymał do tej pory z Departamentu Energii”, powiedział Thomas za pośrednictwem poczty elektronicznej. „Jednak wciąż jest niewielki w wielkim programie zaawansowanych technologii, około 50 milionów dolarów”.
Thomas powiedział, że DARPA wydało znacznie więcej na wiele inicjatyw technologicznych, które ostatecznie zostały anulowane. Jest także o wiele mniejszy niż inne technologie syntezy jądrowej wymagane na tym samym etapie badań, ponieważ nasza maszyna jest tak mała i ma prostą konfigurację cewki ”. (Thomas powiedział, że rzucił okiem na budżet ITER, międzynarodowego projektu badań i syntezy jądrowej, który obecnie kosztuje ponad 20 miliardów dolarów).
„Mówiąc prościej, wiemy, że nasza metoda naprawdę dobrze nagrzewa elektrony i możemy ekstrapolować na ogrzewanie jonów, ale musimy je zbudować i udowodnić” - powiedziała.
Thomas i jej zespół pracują obecnie nad technologią „bilansu roślin” - podsystemami, które będą wymagane do pracy silnika w przestrzeni kosmicznej, zakładając, że metoda ogrzewania działa zgodnie z obecnie przewidywanymi.
Jeśli chodzi o samą misję Plutona, Thomas powiedział, że nie ma żadnych szczególnych przeszkód na samym orbicie, ale wymagałoby to skalowania kilku technologii, aby skorzystać z bardzo dużej dostępnej mocy, takiej jak komunikacja optyczna.
„Możemy poświęcić dziesiątki lub więcej kW na laser komunikacyjny, a nie 10 watów [jak w obecnych misjach]” - powiedziała. „Kolejną wyjątkową cechą naszej koncepcji jest możliwość przekazania dużej mocy lądownikowi. Umożliwiłoby to nowe klasy instrumentów nauki planetarnej, takie jak potężne wiertła. Technologia do tego celu istnieje, ale konkretne instrumenty należy zaprojektować i zbudować. Dodatkową technologią, która będzie potrzebna do opracowania w różnych gałęziach przemysłu, są lekkie grzejniki kosmiczne, przewody nadprzewodzące nowej generacji oraz długoterminowe przechowywanie kriogeniczne paliwa deuterowego. ”
Thomas powiedział, że ich badania NIAC idą dobrze.
„Zostaliśmy wybrani do badania fazy II NIAC i jesteśmy obecnie w trakcie negocjacji umów”, powiedziała. „Pracujemy nad modelami o większej wierności ciągu silnika, projektujemy elementy trajektorii i dobieramy rozmiary różnych podsystemów, w tym cewek nadprzewodzących” - powiedziała. „Według naszych obecnych szacunków pojedynczy silnik o mocy 1–10 MW będzie wytwarzał ciąg o mocy od 5 do 50 N, przy impulsie właściwym około 10 000 sekund”.
Laser Zapping do Plutona
Inną futurystyczną możliwością napędu są układy laserowe zaproponowane przez Yuri Milnera w jego przełomowej propozycji Starshot, w której małe sześciany mogłyby zostać zaatakowane przez lasery na Ziemi, w zasadzie statek kosmiczny „przebijający robaki”, aby osiągnąć niewiarygodne prędkości (prawdopodobnie miliony mil / km na godzinę ), aby odwiedzić zewnętrzny układ słoneczny lub poza nim.
„Używanie tego rodzaju technologii nie jest tak naprawdę w naszych kartach, ponieważ będziemy musieli czekać dziesięciolecia, aby to się rozwinęło” - powiedział Stern. „Ale gdybyś mógł wysłać lekki, niedrogi statek kosmiczny z prędkościami równymi 1/10 prędkości światła opartej na laserach z Ziemi. Moglibyśmy wysłać te małe statki kosmiczne do setek lub tysięcy obiektów w Pasach Kuipera, a ty byłbyś tam za dwa i pół dnia. Możesz wysłać statek kosmiczny obok Plutona każdego dnia. To naprawdę zmieniłoby grę. ”
Realistyczna przyszłość
Ale nawet jeśli wszyscy zgodzą się, że należy wykonać orbitę Plutona, najwcześniejsza możliwa data takiej misji przypada między wczesnymi latami 2020 a początkami lat 30. XX wieku. Ale wszystko zależy od zaleceń sformułowanych w następnej dekadowej ankiecie społeczności naukowej, która zasugeruje najbardziej priorytetowe misje dla Planetary Science Division NASA.
Te badania dekadowe to 10-letnie „mapy drogowe”, które wyznaczają priorytety naukowe i dostarczają wskazówek, gdzie NASA powinna wysłać statek kosmiczny i jakie powinny być misje. Ostatnie badanie dekadalne zostało opublikowane w 2011 r. I wyznaczyło priorytety nauki planetarnej do 2022 r. Następne badanie na lata 2023–2034 zostanie prawdopodobnie opublikowane w 2022 r.
Misja Nowe Horyzonty była wynikiem sugestii z badań planetarnych Decadal Survey z 2003 r., W których naukowcy stwierdzili, że odwiedzanie systemu Plutona i światów poza nim było najwyższym priorytetem.
Więc jeśli marzysz o orbicie Plutona, mów o tym dalej.
