Για δεκαετίες, μπορούσαμε να φανταστούμε μόνο ποια είναι η θέα της επιφάνειας του Πλούτωνα. Τώρα, έχουμε το πραγματικό πράγμα.
Οι εικόνες και τα δεδομένα από την πτήση αποστολής του New Horizons του Πλούτωνα τον Ιούλιο του 2015 μας έδειξαν έναν απροσδόκητα εκπληκτικό και γεωλογικά ενεργό κόσμο. Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει λέξεις όπως «μαγική», «μαγευτική» και «επιστημονική χώρα των θαυμάτων» για να περιγράψουν τις πολυαναμενόμενες κοντινές απόψεις του μακρινού Πλούτωνα.
Παρόλο που οι επιστήμονες εξακολουθούν να αναλύουν τα δεδομένα από τους New Horizons, αρχίζουν να διατυπώνονται ιδέες σχετικά με την αποστολή ενός άλλου διαστημικού σκάφους στον Πλούτωνα, αλλά με μια μακροχρόνια αποστολή σε τροχιά αντί για μια γρήγορη πτήση.
«Η επόμενη κατάλληλη αποστολή στον Πλούτωνα είναι ένας τροχιακός, ίσως εξοπλισμένος με έναν εκτοξευτή, αν είχαμε αρκετή χρηματοδότηση για να κάνουμε και τα δύο», δήλωσε ο κύριος ερευνητής των New Horizons, Alan Stern, στο περιοδικό Space Magazine τον Μάρτιο.
Αυτήν την εβδομάδα, ο Stern μοιράστηκε στα κοινωνικά μέσα ενημέρωσης ότι η επιστημονική ομάδα των New Horizons συναντιέται. Αλλά, ξεχωριστά, μια άλλη ομάδα αρχίζει να μιλά για μια πιθανή επόμενη αποστολή στον Πλούτωνα.
Μερικές σκηνές από το εργαστήριο Pluto Follow On Mission στο Χιούστον χθες. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 Απριλίου 2017
Η μεταφορά ενός διαστημικού σκάφους στις εξωτερικές περιοχές του ηλιακού μας συστήματος όσο το δυνατόν γρηγορότερα παρέχει προκλήσεις, ιδίως στο να είμαστε σε θέση να επιβραδύνουμε αρκετά ώστε να μπορέσουμε να περάσουμε σε τροχιά γύρω από τον Πλούτωνα. Για τους γρήγορους και ελαφρούς New Horizons, μια τροχιακή αποστολή ήταν αδύνατη.
Ποιο σύστημα πρόωσης θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή μια αποστολή σε τροχιά ή / και προσγειωτή του Πλούτωνα;
Μερικές ιδέες πετιούνται.
Σύστημα εκτόξευσης χώρου
Μια ιδέα εκμεταλλεύεται το μεγάλο, νέο σύστημα εκτόξευσης διαστήματος (SLS) της NASA, το οποίο βρίσκεται υπό ανάπτυξη για να επιτρέψει ανθρώπινες αποστολές στον Άρη. Η NASA περιγράφει το SLS ως «σχεδιασμένο να είναι ευέλικτο και εξελίξιμο και θα ανοίξει νέες δυνατότητες για ωφέλιμα φορτία, συμπεριλαμβανομένων των ρομποτικών επιστημονικών αποστολών». Ακόμη και η πρώτη έκδοση Block 1 μπορεί να εκτοξεύσει 70 μετρικούς τόνους (οι νεότερες εκδόσεις ενδέχεται να είναι σε θέση να ανυψώσουν έως και 130 μετρικούς τόνους.) Το Block 1 θα τροφοδοτείται από δίδυμους ενισχυτές πυραύλων πέντε τμημάτων και τέσσερις κινητήρες υγρού προωθητικού, με προτεινόμενο 15% περισσότερη ώθηση κατά την εκτόξευση από τους πυραύλους του Κρόνου V που έστειλαν αστροναύτες στη Σελήνη.
Αλλά μια αποστολή τροχιά στον Πλούτωνα μπορεί να μην είναι η καλύτερη χρήση του SLS μόνο.
Χρειάζεται πολύ καύσιμο για να επιταχύνει ένα όχημα για να φτάσει αρκετά γρήγορα για να φτάσει στον Πλούτωνα σε ένα λογικό χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, το New Horizons ήταν το γρηγορότερο διαστημικό σκάφος που κυκλοφόρησε ποτέ, χρησιμοποιώντας έναν πυραύλο Atlas V με επιπλέον ενισχυτές, έκανε μεγάλο έγκαυμα όταν οι New Horizons αναχώρησαν από την τροχιά της Γης. Το ελαφρύ διαστημικό σκάφος έφτασε μακριά από τη Γη στα 36.000 μίλια την ώρα (περίπου 58.000 χλμ / ώρα), στη συνέχεια χρησιμοποίησε μια βοήθεια βαρύτητας από τον Δία για να αυξήσει την ταχύτητα των New Horizons στα 52.000 mph (83.600 km / h), ταξιδεύοντας σχεδόν ένα εκατομμύριο μίλια ( 1,5 εκατομμύριο χιλιόμετρα) την ημέρα στο ταξίδι των 3 δισεκατομμυρίων μιλίων (4,8 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα) στον Πλούτωνα. Η πτήση διήρκεσε εννιάμισι χρόνια.
«Για να μπει σε τροχιά του Πλούτωνα, ένα όχημα [όπως το SLS] θα έπρεπε να ανέβει στην ίδια ταχύτητα, στη συνέχεια να γυρίσει και να επιβραδύνει για το μισό ταξίδι για να φτάσει στον Πλούτωνα με καθαρή ταχύτητα μηδέν σε σχέση με τον πλανήτη», εξήγησε ο Stephen Fleming , ένας επενδυτής σε αρκετές εκκινήσεις alt-space συμπεριλαμβανομένων των XCOR Aerospace, Planetary Resources και NanoRacks. «Δυστυχώς, λόγω της τυραννίας της εξίσωσης πυραύλων, θα πρέπει να μεταφέρετε όλο το καύσιμο / προωθητικό για να επιβραδύνετε μαζί σας κατά την εκτόξευση… που σημαίνει επιτάχυνση του τροχού ΚΑΙ όλου του καυσίμου στην αρχική φάση. Αυτό απαιτεί λογαριθμικά περισσότερα καύσιμα για την αρχική καύση και αποδεικνύεται ότι είναι πολύ καύσιμο. "
Ο Fleming είπε στο Space Magazine ότι χρησιμοποιώντας το SLS πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων για να εκτοξεύσει έναν τροχιά Pluto, θα καταλήξατε να εκτοξεύσετε ένα ολόκληρο ωφέλιμο φορτίο γεμάτο προωθητικό μόνο για να επιταχύνετε και να επιβραδύνετε έναν μικροσκοπικό τροχιά Pluto.
«Αυτή είναι μια εξαιρετικά δαπανηρή αποστολή», είπε.
RTG-Ion Πρόωση
Μια καλύτερη επιλογή μπορεί να είναι η χρήση ενός συστήματος πρόωσης συνδυασμένων τεχνολογιών. Ο Stern ανέφερε μια μελέτη της NASA που εξέτασε τη χρήση του SLS ως οχήματος εκτόξευσης και για την ενίσχυση του διαστημικού σκάφους προς τον Πλούτωνα, αλλά στη συνέχεια χρησιμοποιώντας έναν κινητήρα ιόντων RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) για αργότερα φρένο για τροχιακή άφιξη.
Ένα RTG παράγει θερμότητα από τη φυσική αποσύνθεση του πλουτωνίου-238 χωρίς όπλα και η θερμότητα μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένας κινητήρας ιόντων RTG θα ήταν ένα πιο ισχυρό σύστημα πρόωσης ιόντων από τον τρέχοντα κινητήρα ηλιακού ηλεκτρικού ιόντος στο διαστημικό σκάφος της Dawn, τώρα σε τροχιά γύρω από τον Ceres, στον αστεροειδή ιμάντα, και θα επέτρεπε τη λειτουργία στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, μακριά από τον Ήλιο. Αυτός ο πυρηνικός κινητήρας ιόντων θα επέτρεπε σε ένα επιταχυνόμενο διαστημικό σκάφος να επιβραδύνει και να μεταβεί σε τροχιά.
«Το SLS θα σας ώθησε να πετάξετε προς τον Πλούτωνα», είπε ο Στερν, «και θα χρειαστούν πραγματικά δύο χρόνια για να κάνετε το φρενάρισμα με πρόωση ιόντων.»
Ο Στερν είπε ότι ο χρόνος πτήσης για μια τέτοια αποστολή στον Πλούτωνα θα ήταν επτάμισι χρόνια, δύο χρόνια γρηγορότερος από τους New Horizons.
Πρόωση σύντηξης
Όμως, η πιο συναρπαστική επιλογή μπορεί να είναι μια προτεινόμενη αποστολή Pluto Orbiter και Lander με δυνατότητα Fusion, η οποία βρίσκεται επί του παρόντος σε μελέτη Φάσης 1 στο Innovative Advanced Concepts (NIAC) της NASA.
Η πρόταση χρησιμοποιεί κινητήρα Direct Fusion Drive (DFD) που έχει πρόωση και ισχύ σε μία ενσωματωμένη συσκευή. Το DFD παρέχει υψηλή ώθηση για να επιτρέψει χρόνο πτήσης περίπου 4 ετών στον Πλούτωνα, καθώς και να μπορεί να στείλει σημαντική μάζα σε τροχιά, ίσως μεταξύ 1000 έως 8000 kg.
Το DFD βασίζεται στον αντιδραστήρα σύντηξης Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) που βρίσκεται υπό ανάπτυξη για 15 χρόνια στο Princeton Plasma Physics Laboratory.
Εάν αυτό το σύστημα προώθησης λειτουργεί όπως είχε προγραμματιστεί, θα μπορούσε να εκτοξεύσει έναν τροχίσκο του Πλούτωνα και έναν προσγειωτή (ή πιθανώς ένα ρομπότ) και να παρέχει αρκετή ισχύ για να διατηρήσει έναν τροχιά και όλα τα όργανα του, καθώς και να εκπέμψει πολλή δύναμη σε έναν εκφορτωτή. Αυτό θα επέτρεπε στο επιφανειακό όχημα να επιστρέφει βίντεο στον τροχιά επειδή θα είχε τόσο μεγάλη ισχύ, σύμφωνα με τη Stephanie Thomas από την Princeton Satellite Systems, Inc., η οποία είναι επικεφαλής της μελέτης NIAC.
«Η ιδέα μας λαμβάνεται γενικά ως,« Ουάου, ακούγεται πολύ δροσερό! Πότε μπορώ να βρω ένα; »είπε ο Thomas στο Space Magazine. Είπε ότι η ίδια και η ομάδα της επέλεξαν ένα πρωτότυπο αποστολέα Pluto orbiter και lander στην πρότασή τους, επειδή είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του τι μπορεί να γίνει με έναν πυραύλο σύντηξης.
Το σύστημα σύντηξης χρησιμοποιεί μια μικρή γραμμική σειρά πηνίων σωληνοειδών και το καύσιμο επιλογής τους είναι το ήλιο δευτερίου 3, το οποίο έχει πολύ χαμηλή παραγωγή νετρονίων.
«Ταιριάζει σε ένα διαστημικό σκάφος, ταιριάζει σε ένα όχημα εκτόξευσης», εξήγησε ο Τόμας σε μια ομιλία συμποσίου NIAC (η ομιλία της ξεκινά περίπου στις 17:30 στο συνδεδεμένο βίντεο). «Δεν υπάρχει λίθιο ή άλλα επικίνδυνα υλικά, παράγει πολύ λίγα επιβλαβή σωματίδια. Πρόκειται για το μέγεθος ενός μικρού φορτηγού ή ενός μικρού φορτηγού. Το σύστημά μας είναι φθηνότερο και ταχύτερο να αναπτυχθεί από άλλες προτάσεις σύντηξης. "
Η ομάδα του Princeton μπόρεσε να παράγει παλμούς 300 χιλιοστών του δευτερολέπτου με το πείραμα θέρμανσης πλάσματος, τάξεις μεγέθους καλύτερες από οποιοδήποτε άλλο σύστημα.
«Το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι η ίδια η σύντηξη», είπε. «Πρέπει να χτίσουμε ένα μεγαλύτερο πείραμα για να ολοκληρώσουμε την απόδειξη της νέας μεθόδου θέρμανσης, η οποία θα απαιτεί μια τάξη μεγέθους περισσότερους πόρους από ό, τι το έργο έχει λάβει από το Υπουργείο Ενέργειας μέχρι στιγμής», δήλωσε ο Thomas μέσω email. "Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι μικρό στο μεγάλο σχέδιο έργων προηγμένης τεχνολογίας, περίπου 50 εκατομμύρια δολάρια."
Ο Thomas είπε ότι η DARPA έχει δαπανήσει πολύ περισσότερα για πολλές τεχνολογικές πρωτοβουλίες που κατέληξαν να ακυρωθούν. Και είναι επίσης πολύ λιγότερο από ό, τι άλλες τεχνολογίες σύντηξης απαιτούν για το ίδιο στάδιο έρευνας, καθώς το μηχάνημά μας είναι τόσο μικρό και έχει μια απλή διαμόρφωση πηνίου. " (Ο Thomas είπε ρίξτε μια ματιά στον προϋπολογισμό του ITER, του διεθνούς έργου πυρηνικής σύντηξης για την έρευνα και τη μηχανική, που τρέχει σήμερα πάνω από 20 δισεκατομμύρια δολάρια).
«Για να το θέσουμε απλά, γνωρίζουμε ότι η μέθοδος μας θερμαίνει τα ηλεκτρόνια πολύ καλά και μπορεί να παρεκταθεί στα ιόντα θέρμανσης, αλλά πρέπει να το χτίσουμε και να το αποδείξουμε», είπε.
Η Thomas και η ομάδα της εργάζονται επί του παρόντος στην τεχνολογία «ισορροπίας εργοστασίου» - τα υποσυστήματα που θα απαιτηθούν για τη λειτουργία του κινητήρα στο διάστημα, υποθέτοντας ότι η μέθοδος θέρμανσης λειτουργεί όπως είχε προβλεφθεί σήμερα.
Όσον αφορά την ίδια την αποστολή του Πλούτωνα, ο Τόμας είπε ότι δεν υπάρχουν συγκεκριμένα εμπόδια στον ίδιο τον τροχιά, αλλά θα συνεπαγόταν κλιμάκωση μερικών τεχνολογιών για να επωφεληθεί από την πολύ μεγάλη διαθέσιμη ισχύ, όπως οι οπτικές επικοινωνίες.
«Θα μπορούσαμε να αφιερώσουμε δεκάδες ή περισσότερα kW ισχύος στο λέιζερ επικοινωνίας, όχι 10 watt, [όπως οι τρέχουσες αποστολές]», είπε. «Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό της ιδέας μας είναι να μπορείς να προσφέρεις μεγάλη δύναμη σε ένα lander. Αυτό θα επέτρεπε νέες τάξεις πλανητικών επιστημονικών οργάνων όπως ισχυρές ασκήσεις. Η τεχνολογία για να γίνει αυτό υπάρχει, αλλά τα συγκεκριμένα όργανα πρέπει να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν. Πρόσθετη τεχνολογία που θα χρειαστεί και είναι υπό ανάπτυξη σε διάφορες βιομηχανίες είναι τα ελαφριά καλοριφέρ χώρου, τα καλώδια υπεραγωγών επόμενης γενιάς και η μακροπρόθεσμη κρυογονική αποθήκευση για το καύσιμο δευτερίου. "
Ο Thomas είπε ότι η έρευνά τους στο NIAC πηγαίνει καλά.
«Επιλέξαμε για τη μελέτη NIAC Phase II, και είμαστε σε διαπραγματεύσεις για συμβάσεις τώρα», είπε. «Είμαστε απασχολημένοι με την εργασία σε μοντέλα υψηλότερης πιστότητας της ώσης του κινητήρα, σχεδιάζοντας εξαρτήματα της τροχιάς και ταξινομούμε το μέγεθος των διαφόρων υποσυστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των υπερ-αγωγών πηνίων», είπε. "Οι τρέχουσες εκτιμήσεις μας είναι ότι ένας κινητήρας 1 έως 10 MW θα παράγει ώση μεταξύ 5 και 50 N, με περίπου 10.000 δευτερόλεπτα ώθηση."
Laser Zapping στον Πλούτωνα
Μια άλλη δυνατότητα φουτουριστικής πρόωσης είναι τα συστήματα που βασίζονται σε λέιζερ που πρότεινε ο Γιούρι Μίλνερ για την πρόταση του Breakthrough Starshot, όπου τα μικρά cubesats θα μπορούσαν να κτυπηθούν από λέιζερ στη Γη, βασικά διαστημόπλοιο "bug zapping" για να φτάσουν σε απίστευτες ταχύτητες (πιθανώς εκατομμύρια μίλια / χλμ ανά ώρα) ) για να επισκεφθείτε το εξωτερικό ηλιακό σύστημα ή πιο πέρα.
«Δεν είναι πραγματικά χρήσιμο να χρησιμοποιούμε αυτού του είδους την τεχνολογία, γιατί θα πρέπει να περιμένουμε δεκαετίες για να αναπτυχθεί αυτό», είπε ο Stern. «Αλλά αν μπορούσατε να στείλετε ελαφρύ, φθηνό διαστημικό σκάφος σε ταχύτητες όπως το ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός με βάση τα λέιζερ από τη Γη. Θα μπορούσαμε να στείλουμε αυτά τα μικρά διαστημόπλοια σε εκατοντάδες ή χιλιάδες αντικείμενα στις ζώνες Kuiper και θα ήσουν εκεί έξω σε διάστημα δυόμισι ημερών. Θα μπορούσατε να στέλνετε ένα διαστημικό σκάφος μετά τον Πλούτωνα κάθε μέρα. Αυτό θα άλλαζε πραγματικά το παιχνίδι. "
Το Ρεαλιστικό Μέλλον
Αλλά ακόμη και αν όλοι συμφωνήσουν ότι πρέπει να γίνει ένας τροχίσκος του Πλούτωνα, η νωρίτερη δυνατή ημερομηνία για μια τέτοια αποστολή είναι κάπου μεταξύ των αρχών της δεκαετίας του 2020 και των αρχών της δεκαετίας του 2030. Αλλά όλα εξαρτώνται από τις συστάσεις της επόμενης δεκαδικής έρευνας της επιστημονικής κοινότητας, η οποία θα προτείνει τις αποστολές κορυφαίας προτεραιότητας για το τμήμα επιστημονικής επιστήμης της NASA.
Αυτές οι έρευνες Decadal είναι 10ετές «χάρτες πορείας» που καθορίζουν τις επιστημονικές προτεραιότητες και παρέχουν καθοδήγηση σχετικά με το πού πρέπει να στείλει η NASA διαστημικό σκάφος και τι είδους αποστολές πρέπει να είναι. Η τελευταία έρευνα Decadal δημοσιεύθηκε το 2011 και έθεσε τις προτεραιότητες της πλανητικής επιστήμης έως το 2022. Η επόμενη, για το 2023-2034, πιθανότατα θα δημοσιευθεί το 2022.
Η αποστολή New Horizons ήταν το αποτέλεσμα των προτάσεων της έρευνας πλανητικής επιστήμης Decadal 2003, όπου οι επιστήμονες δήλωσαν ότι η επίσκεψη στο σύστημα του Πλούτωνα και σε άλλους κόσμους ήταν ένας προορισμός κορυφαίας προτεραιότητας.
Έτσι, αν ονειρεύεστε έναν τροχίστη του Πλούτωνα, συνεχίστε να το μιλάτε.
