I årtier kunne vi kun forestille os, hvad udsigten over Plutos overflade kan være. Nu har vi den rigtige ting.
Billederne og dataene fra New Horizons 'mission flyby af Pluto i juli 2015 viste os en uventet forbløffende og geologisk aktiv verden. Forskere har brugt ord som 'magisk', 'betagende' og 'videnskabeligt vidunderland' til at beskrive de længe ventede nærbilleder af det fjerne Pluto.
Selvom forskere stadig analyserer dataene fra New Horizons, begynder ideer at formulere om at sende et andet rumfartøj til Pluto, men med en langvarig orbiter-mission i stedet for en hurtig flyby.
”Den næste passende mission til Pluto er en orbiter, måske udstyret med en lander, hvis vi havde tilstrækkelig finansiering til at gøre begge dele,” fortalte New Horizons 'hovedundersøger Alan Stern til Space Magazine i marts.
Denne uge har Stern delt på sociale medier, at New Horizons 'videnskabsteam mødes. Men separat begynder en anden gruppe at tale om en mulig næste mission til Pluto.
Nogle scener fra Pluto Follow On Mission-workshop i Houston i går. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25. april 2017
At få et rumfartøj til de ydre regioner i vores solsystem så hurtigt som muligt giver udfordringer, især ved at være i stand til at bremse nok til at gøre det muligt at gå i kredsløb omkring Pluto. For de hurtige og lette New Horizons var en orbital-mission umulig.
Hvilket fremdrivningssystem muliggør en Pluto orbiter- og / eller lander-mission mulig?
Et par ideer smides rundt.
Space Launch System
Et koncept drager fordel af NASAs store, nye Space Launch System (SLS), der i øjeblikket er under udvikling for at muliggøre menneskelige missioner til Mars. NASA beskriver SLS som "designet til at være fleksibel og evolverbar og vil åbne nye muligheder for nyttelast, inklusive robot-videnskabelige missioner." Selv den første Block 1-version kan starte 70 metriske ton (senere versioner kan muligvis løfte op til 130 tons.) Blok 1 vil blive drevet af dobbelt fem-segment solide raketforstærkere og fire flydende drivmotorer med foreslåede 15% mere pres ved lanceringen end Saturn V-raketter, der sendte astronauter til Månen.
Men en orbiter-mission til Pluto er måske ikke den bedste brug af SLS alene.
Det tager meget brændstof at accelerere et køretøj til hurtig nok hastighed til at komme til Pluto på en rimelig tid. F.eks. Var New Horizons det hurtigste rumfartøj, der nogensinde blev lanceret, ved hjælp af en opvarmet Atlas V-raket med ekstra forstærkere, det udførte en stor forbrænding, da New Horizons forlod Jordens bane. Det lette rumfartøj styrtede væk fra Jorden med 36.000 miles i timen (ca. 58.000 km / time) og brugte derefter en tyngdekraftassistent fra Jupiter til at øge New Horizons 'hastighed til 52.000 km / h (83.600 km / t) og rejste næsten en million miles ( 1,5 millioner km) om dagen i sin 4,8 milliarder km lange rejse til Pluto. Flyvningen tog ni og et halvt år.
”For at komme ind i Pluto-bane skulle et køretøj [som SLS] øge op til den samme hastighed og derefter dreje rundt og bremse i halve turen for at ankomme til Pluto med en netthastighed på nul i forhold til planeten,” forklarede Stephen Fleming , en investor i flere alt-space startups inklusive XCOR Aerospace, Planetetary Resources og NanoRacks. ”På grund af raketligningens tyranni skal du desværre bære alt brændstof / drivmiddel for at decelerere med dig ved lanceringen ... hvilket betyder at accelerere orbiteren og alt det brændstof i den indledende fase. Det kræver logaritmisk mere brændstof til den første brænding, og det viser sig at være MEGET brændstof. ”
Fleming fortalte Space Magazine, at du bruger SLS med flere milliarder dollars til at lancere en Pluto-orbiter, og du ville ende med at lancere en hel nyttelast fuld med drivmiddel bare for at fremskynde og decelerere en lille Pluto-orbiter.
”Det er en usædvanligt dyre mission,” sagde han.
RTG-Ion-fremdrift
En bedre mulighed kan være at bruge et fremdriftssystem med kombinerede teknologier. Stern omtalte en NASA-undersøgelse, der så på at bruge SLS som startkøretøj og for at øge rumfartøjet mod Pluto, men derefter ved hjælp af en RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) drevet ionmotor til senere at bremse for en orbital ankomst.
En RTG producerer varme fra det naturlige forfald af plutonium-238 af ikke-våbenklasse, og varmen omdannes til elektricitet. En RTG-ionmotor ville være et mere kraftfuldt ionfremdrivningssystem end den nuværende solelektriske ionmotor på rumfartøjet Dawn, der nu kredser rundt Ceres i asteroide bæltet, plus det ville muliggøre drift i det ydre solsystem langt fra solen. Denne atomdrevne ionmotor ville gøre det muligt for et hastighedsfartøjs-rumfartøj at bremse og gå i bane.
"SLS ville øge dig til at flyve ud til Pluto," sagde Stern, "og det ville faktisk tage to år at udføre bremsning med ionfremdrift."
Stern sagde, at flyvetiden for en sådan mission til Pluto ville være syv og et halvt år, to år hurtigere end New Horizons.
Fusion fremdrift
Men den mest spændende mulighed kan være en foreslået Fusion-aktiveret Pluto Orbiter og Lander-mission, der i øjeblikket er under en fase 1-undersøgelse i NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Forslaget bruger en Direct Fusion Drive (DFD) -motor, der har fremdrift og kraft i et integreret udstyr. DFD leverer et højt tryk for at give mulighed for en flyvetid på cirka 4 år til Pluto, plus at være i stand til at sende en betydelig masse til kredsløb, måske mellem 1000 til 8000 kg.
DFD er baseret på Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) fusionsreaktor, der har været under udvikling i 15 år på Princeton Plasma Physics Laboratory.
Hvis dette fremdrivningssystem fungerer som planlagt, kan det starte en Pluto-orbiter og en lander (eller muligvis en rover) og give nok kraft til at vedligeholde en orbiter og alle dens instrumenter samt stråle en masse strøm til en lander. Det ville gøre det muligt for overfladekøretøjet at stråle video tilbage til banen, fordi det ville have så meget strøm, ifølge Stephanie Thomas fra Princeton Satellite Systems, Inc., der leder NIAC-undersøgelsen.
”Vores koncept modtages generelt som‘ wow, det lyder virkelig cool! Hvornår kan jeg få en? ”” Thomas fortalte Space Magazine. Hun sagde, at hende og hendes team valgte en prototype Pluto orbiter og lander-mission i deres forslag, fordi det er et godt eksempel på, hvad der kan gøres med en fusionsraket.
Deres fusionssystem bruger en lille lineær række solenoidspoler, og deres valg af brændstof er deuterium helium 3, som har meget lav neutronproduktion.
”Det passer på et rumfartøj, det passer på et lanceringskøretøj,” forklarede Thomas i et NIAC-symposiumforedrag (hendes foredrag starter omkring kl. 17:30 i den tilknyttede video). ”Der er ikke lithium eller andre farlige materialer, det producerer meget få skadelige partikler. Det handler om størrelsen på en minivan eller en lille lastbil. Vores system er billigere og hurtigere at udvikle end andre fusionsforslag. ”
Princeton-teamet har været i stand til at producere 300 millisekund impulser med deres plasmaopvarmningseksperiment, størrelsesordrer bedre end noget andet system.
”Den største hindring er selve fusionen,” sagde hun. ”Vi er nødt til at bygge et større eksperiment for at afslutte beviset for den nye opvarmningsmetode, som vil kræve en størrelsesorden mere ressourcer end projektet har modtaget fra Department of Energy indtil videre,” sagde Thomas via e-mail. ”Det er dog stadig lille i det store program for avancerede teknologiprojekter, omkring $ 50 millioner.”
Thomas sagde, at DARPA har brugt meget mere på mange teknologiinitiativer, som endte annulleret. Og det er også meget mindre end andre fusionsteknologier kræver til den samme forskningsstadie, da vores maskine er så lille og har en enkel spolekonfiguration. ” (Thomas sagde se på budgettet for ITER, den internationale kernefusionsforskning og engineering-megaprojekt, der i øjeblikket løber over 20 milliarder dollars).
”Kort sagt, vi ved, at vores metode opvarmer elektroner virkelig godt og kan ekstrapolere til opvarmning af ioner, men vi er nødt til at bygge den og bevise den,” sagde hun.
Thomas og hendes team arbejder i øjeblikket på "balance mellem anlæg" -teknologien - de undersystemer, der kræves for at betjene motoren i rummet, under forudsætning af, at opvarmningsmetoden fungerer som for tiden forudsagt.
Med hensyn til selve Pluto-missionen sagde Thomas, at der ikke er nogen særlige forhindringer på selve orbiteren, men det ville indebære opskalering af et par teknologier for at drage fordel af den meget store mængde, der er tilgængelig, såsom optisk kommunikation.
”Vi kunne dedikere ti eller flere kW strøm til kommunikationslaser, ikke 10 watt [som aktuelle missioner]” sagde hun. ”Et andet unikt træk ved vores koncept er at være i stand til at stråle en masse magt til en lander. Dette ville gøre det muligt for nye klasser af planetvidenskabelige instrumenter som magtfulde bor. Teknologien til at gøre dette findes, men de specifikke instrumenter skal designes og bygges. Yderligere teknologi, der er behov for, der er under udvikling i forskellige brancher, er letvægtsradiatorer, næste generations superledende ledninger og langvarig kryogen opbevaring af deuteriumbrændstof. ”
Thomas sagde, at deres NIAC-forskning går godt.
”Vi blev valgt til NIAC fase II-undersøgelsen og er i kontraktforhandlinger nu,” sagde hun. ”Vi er travlt med at arbejde på modeller med højere trofasthed af motorens drivkraft, designe baneelementerne og dimensionere de forskellige delsystemer, inklusive superledende spoler,” sagde hun. ”Vores nuværende estimater er, at en enkelt 1 til 10 MW motor vil producere mellem 5 og 50 N kraft, med ca. 10.000 sek specifik impuls.”
Laserzapping til Pluto
En anden futuristisk fremdrivningsmulighed er de laserbaserede systemer, der er foreslået af Yuri Milner til sit gennembrud Starshot-forslag, hvor små cubesats kunne zappes af lasere på Jorden, dybest set ”bug zapping” rumfartøj for at nå utrolige hastigheder (muligvis millioner af miles / km i timen ) for at besøge det ydre solsystem eller derover.
”Det ligger ikke rigtig i kortene for os at bruge denne form for teknologi, fordi vi skulle vente i årtier, bare på at dette bliver udviklet,” sagde Stern. ”Men hvis du kunne sende let, billigt rumfartøj i hastigheder som en 10.-hastighed på lysets hastighed baseret på lasere fra Jorden. Vi kunne sende disse små rumfartøjer til hundreder eller tusinder af objekter i Kuiper-bælterne, og du ville være derude i løbet af to og en halv dag. Du kan sende et rumfartøj forbi Pluto hver dag. Det ville virkelig ændre spil. ”
Den realistiske fremtid
Men selvom alle er enige om, at en Pluto-orbiter skal gøres, er den tidligst mulige dato for en sådan mission et eller andet tidspunkt mellem de tidlige 2020'ere og de tidlige 2030'ere. Men det hele afhænger af de henstillinger, der er fremsat af det videnskabelige samfunds næste dekadaleundersøgelse, som vil antyde de mest prioriterede missioner for NASAs afdeling for planetarisk videnskab.
Disse decadalundersøgelser er 10-årige "køreplaner", der sætter videnskabelige prioriteter og giver vejledning om, hvor NASA skal sende rumfartøjer, og hvilke typer missioner de skal være. Den sidste Decadal-undersøgelse blev offentliggjort i 2011, og den satte planlægningsvidenskabelige prioriteringer gennem 2022. Den næste, for 2023-2034, vil sandsynligvis blive offentliggjort i 2022.
New Horizons-missionen var resultatet af forslagene fra 2003 planetariske videnskabs Decadal Survey, hvor videnskabsmænd sagde, at besøg i Pluto-systemet og verdener ud over det var en prioriteret destination.
Så hvis du drømmer om en Pluto orbiter, skal du fortsætte med at tale om det.
