Den næste Pluto-mission - en orbiter og lander?

I årtier, vi kunne kun forestille os, hvordan udsigten til Plutos overflade kunne være. Nu, vi har den ægte vare.

Billederne og dataene fra New Horizons' forbiflyvning af Pluto i juli 2015 viste os en uventet fantastisk og geologisk aktiv verden. Forskere har brugt ord som 'magisk, ''betagende' og 'videnskabelige eventyrland' for at beskrive de længe ventede nærbilleder af det fjerne Pluto.

Selvom videnskabsmænd stadig analyserer dataene fra New Horizons, ideer begynder at formulere sig om at sende endnu et rumfartøj til Pluto, men med en langsigtet orbiter-mission i stedet for en hurtig forbiflyvning.

"Den næste passende mission til Pluto er en orbiter, måske udstyret med en lander, hvis vi havde midler nok til at gøre begge dele, " New Horizons' hovedefterforsker Alan Stern fortalte Universe Today i marts.

Denne uge, Stern har delt på sociale medier, at New Horizons' videnskabshold mødes. Men, separat, en anden gruppe begynder at tale om en mulig næste mission til Pluto.

Nogle scener fra Pluto Follow On Mission workshoppen i Houston i går. #TheFutureIsBright #Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

— AlanStern (@AlanStern) 25. april, 2017

Men at få et rumfartøj til de ydre områder af vores solsystem så hurtigt som muligt giver udfordringer, især ved at være i stand til at bremse nok til at gå i kredsløb omkring Pluto. Til de hurtige og lette New Horizons, en orbital mission var umulig.

Hvilket fremdriftssystem kan gøre en Pluto orbiter- og/eller landermission mulig?

Et par ideer bliver kastet rundt.

Space Launch System

Et koncept udnytter NASAs store, nyt Space Launch System (SLS), i øjeblikket under udvikling for at muliggøre menneskelige missioner til Mars. NASA beskriver SLS som "designet til at være fleksibelt og udviklingsvenligt og vil åbne nye muligheder for nyttelast, inkluderet videnskabelige robotmissioner." Selv den første blok 1-version kan affyre 70 metriske tons (senere versioner kan muligvis løfte op til 130 tons). , med et foreslået 15% mere fremstød ved opsendelsen end Saturn V-raketterne, der sendte astronauter til Månen.

Men en orbiter-mission til Pluto er måske ikke den bedste brug af SLS alene.

Det kræver meget brændstof at accelerere et køretøj til hurtig nok hastighed til at komme til Pluto inden for rimelig tid. For eksempel, New Horizons var det hurtigste rumfartøj nogensinde opsendt, ved hjælp af en opsuget Atlas V-raket med ekstra boostere, det udførte en stor forbrænding, da New Horizons forlod Jordens kredsløb. Det lette rumfartøj kørte væk fra Jorden ved 36 000 miles i timen (ca. 58, 000 km/t), brugte derefter en tyngdekraftsassistance fra Jupiter til at øge New Horizons' hastighed til 52, 000 mph (83, 600 km/t), rejser næsten en million miles (1,5 millioner km) om dagen på sin 3 milliarder miles (4,8 milliarder km) rejse til Pluto. Flyveturen tog ni et halvt år.

"For at komme ind i Pluto-kredsløb, et køretøj [som SLS] ville være nødt til at booste op til den samme hastighed, drej derefter og sænk den halve tur for at nå frem til Pluto med en nettohastighed på nul i forhold til planeten, " forklarede Stephen Fleming, en investor i flere alt-space startups, herunder XCOR Aerospace, Planetariske ressourcer og NanoRacks. "Desværre, på grund af raketligningens tyranni, du ville være nødt til at bære alt brændstof/drivmiddel for at bremse med dig ved opsendelsen … hvilket betyder at accelerere orbiteren OG alt det brændstof i den indledende fase. Det kræver logaritmisk mere brændstof til den første forbrænding, og det viser sig at være MEGET brændstof."

Fleming fortalte Universe Today, at brug af SLS på flere milliarder dollar til at lancere en Pluto orbiter, du ville ende med at affyre en hel nyttelast fuld af drivmiddel bare for at accelerere og bremse en lille Pluto orbiter. "Det er en ekstraordinær dyr mission, " han sagde.

RTG-ion fremdrift

En bedre mulighed kunne være at bruge et fremdriftssystem af kombinerede teknologier. Stern nævnte en NASA-undersøgelse, der så på at bruge SLS som løfteraket og for at øge rumfartøjet mod Pluto, men så ved at bruge en RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) drevet ionmotor til senere at bremse for en orbital ankomst.

En RTG producerer varme fra det naturlige henfald af ikke-våbenkvalitet plutonium-238, og varmen omdannes til elektricitet. En RTG-ionmotor ville være et mere kraftfuldt ionfremdriftssystem end den nuværende solcelleelektriske ionmotor på Dawn-rumfartøjet, kredser nu om Ceres, i asteroidebæltet, plus det ville muliggøre drift i det ydre solsystem, langt fra Solen. Denne atomdrevne ionmotor ville sætte et fartfartøj i stand til at bremse og gå i kredsløb.

"SLS ville booste dig til at flyve ud til Pluto, " sagde Stern, "og det ville faktisk tage to år at udføre opbremsningen med ionfremdrift."

Stern sagde, at flyvetiden for en sådan mission til Pluto ville være syv et halvt år, to år hurtigere end New Horizons.

Fusion fremdrift

Men den mest spændende mulighed kan være en foreslået Fusion-Enabled Pluto Orbiter og Lander-mission, der i øjeblikket er under et fase 1-studie i NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC).

Forslaget bruger en Direct Fusion Drive-motor (DFD), der har fremdrift og kraft i én integreret enhed. DFD giver høj trækkraft for at tillade en flyvetid på omkring 4 år til Pluto, plus at være i stand til at sende betydelig masse til kredsløb, måske mellem 1000 til 8000 kg.

DFD er baseret på Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) fusionsreaktoren, der har været under udvikling i 15 år på Princeton Plasma Physics Laboratory.

Hvis dette fremdriftssystem fungerer som planlagt, det kunne affyre en Pluto orbiter og en lander (eller muligvis en rover), og give nok strøm til at vedligeholde en orbiter og alle dens instrumenter, samt sende en masse kraft til en lander. Det ville gøre det muligt for overfladefartøjet at sende video tilbage til orbiteren, fordi det ville have så meget kraft, ifølge Stephanie Thomas fra Princeton Satellite Systems, Inc., der leder NIAC-undersøgelsen.

"Vores koncept bliver generelt modtaget som 'wow, det lyder rigtig fedt! Hvornår kan jeg få en?'" fortalte Thomas til Universe Today. Hun sagde, at hun 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 et lille lineært array af magnetspoler, og deres foretrukne brændstof er deuterium helium 3, som har meget lav neutronproduktion.

"Det passer på et rumfartøj, den passer på en løfteraket, " Thomas forklarede i et NIAC-symposiumforedrag (hendes foredrag starter ca. 17:30 i den linkede video). "Der er intet lithium, eller andre farlige materialer, det producerer meget få skadelige partikler. Det er på størrelse med 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 millisekunders pulser med deres plasmaopvarmningseksperiment, størrelsesordener 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 på den nye opvarmningsmetode, som vil kræve en størrelsesorden flere ressourcer, end projektet hidtil har modtaget fra Energiministeriet, " sagde Thomas via e-mail. "Men, det er stadig lille i det store system af avancerede teknologiprojekter, omkring 50 millioner dollars."

Thomas sagde, at DARPA har brugt meget mere på mange teknologiinitiativer, der endte med at blive aflyst. Og det er også meget mindre end andre fusionsteknologier kræver til samme forskningsstadie, da vores maskine er så lille og har en simpel spolekonfiguration." (Thomas sagde, tag et kig på budgettet for ITER, det internationale megaprojekt for nuklear fusionsforskning og ingeniørarbejde, kører i øjeblikket over 20 milliarder dollars).

"For at sige det enkelt, vi ved, at vores metode opvarmer elektroner rigtig godt og kan ekstrapolere til opvarmning af ioner, men vi er nødt til at bygge det og bevise det, " hun sagde.

Thomas og hendes team arbejder i øjeblikket på "balance of plant"-teknologien - de delsystemer, der vil være nødvendige for at betjene motoren i rummet, forudsat at opvarmningsmetoden fungerer som forventet.

Med hensyn til selve Pluto-missionen, Thomas sagde, at der ikke er nogen særlige forhindringer på selve orbiteren, men det ville indebære at opskalere nogle få teknologier for at drage fordel af den meget store mængde strøm, der er tilgængelig, såsom den optiske kommunikation.

"Vi kunne dedikere ti eller flere kW strøm til kommunikationslaseren, ikke 10 watt, [som nuværende missioner]", sagde hun. "En anden unik egenskab ved vores koncept er at kunne sende en masse kraft til en lander. Dette ville muliggøre nye klasser af planetariske videnskabelige instrumenter som kraftfulde øvelser. Teknologien til at gøre dette eksisterer, men de specifikke instrumenter skal designes og bygges. Yderligere teknologi, der vil være behov for, og som er under udvikling i forskellige industrier, er lette rumradiatorer, næste generation af superledende ledninger, og langsigtet kryogen opbevaring af deuteriumbrændstoffet."

Thomas sagde, at deres NIAC-forskning går godt.

"Vi blev udvalgt til NIAC fase II studiet, og er i kontraktforhandlinger nu, " sagde hun. "Vi har travlt med at arbejde på modeller med højere kvalitet af motorens fremdrift, designe komponenter af banen, og dimensionering af de forskellige delsystemer, inklusive de superledende spoler, " sagde hun. "Vores nuværende skøn er, at en enkelt 1 til 10 MW motor vil producere mellem 5 og 50 N drivkraft, omkring 10, 000 sek specifik impuls."

Laserzapping til Pluto

En anden futuristisk fremdriftsmulighed er de laserbaserede systemer foreslået af Yuri Milner til hans Breakthrough Starshot-forslag, hvor små cubesats kunne zappes af lasere på Jorden, dybest set "bug zapping" rumfartøjer for at nå utrolige hastigheder (muligvis millioner af miles/km i timen) for at besøge det ydre solsystem eller videre.

"Det ligger ikke rigtig i kortene for os at bruge denne form for teknologi, fordi vi skulle vente årtier, bare på at dette blev udviklet, " sagde Stern. "Men hvis du kunne sende letvægts, billigt rumfartøj med hastigheder som en tiendedel af lysets hastighed baseret på lasere fra Jorden. Vi kunne sende disse små rumfartøjer til hundredvis eller tusindvis af objekter i Kuiper bælterne, og du ville være derude i løbet af to og en halv dag. Du kunne sende et rumfartøj forbi Pluto hver dag. Det ville virkelig ændre spillet."

Den realistiske fremtid

Men selvom alle er enige om, at en Pluto orbiter skal laves, den tidligst mulige dato for en sådan mission er engang mellem begyndelsen af ​​2020'erne og begyndelsen af ​​2030'erne. Men det hele afhænger af anbefalingerne fra det videnskabelige samfunds næste tiårsundersøgelse, som vil foreslå de mest topprioriterede missioner for NASA's Planetary Science Division.

Disse Decadal Surveys er 10-årige "roadmaps", der sætter videnskabelige prioriteter og giver vejledning om, hvor NASA skal sende rumfartøjer, og hvilke typer missioner de skal være. Den sidste Decadal Survey blev offentliggjort i 2011, og det satte planetariske videnskabsprioriteter frem til 2022. Den næste, for 2023-2034, vil sandsynligvis blive offentliggjort i 2022.

New Horizons-missionen var resultatet af forslagene fra 2003 planetarisk videnskab Decadal Survey, hvor videnskabsmænd sagde at besøge Pluto-systemet og verdener udenfor var en topprioritet destination.

Så, hvis du drømmer om en Pluto orbiter, blive ved med at tale om det.