Extrasolar Object Interceptor kunne jagte interstellare objekter ned, returnere prøver

Hvad hvis vi havde evnen til at jage ned interstellare objekter, der passerer gennem vores solsystem, som 'Oumuamua eller kometen Borisov? Sådan et rumfartøj skal være klar til at gå med et øjebliks varsel, med kapacitet til at øge hastigheden og skifte retning hurtigt.

Det er ideen bag et nyt missionskoncept kaldet Extrasolar Object Interceptor and Sample Return rumfartøjet. Det har modtaget sonderende finansiering fra NASA gennem dets Innovative Advanced Concepts (NIAC) program.

"At bringe prøver tilbage fra disse objekter kan fundamentalt ændre vores syn på universet og vores plads i det, " siger Christopher Morrison, en ingeniør fra Ultra Safe Nuclear Corporation-Tech (USNC-Tech), som indsendte forslaget til NIAC.

Konceptet, som Morrison og hans team foreslår, er et radioisotop-elektrisk fremdriftsrumfartøj, der er afhængig af Chargeable Atomic Battery (CAB) teknologi, et strømsystem, som USNC har udviklet til kommerciel brug. Batterierne er kompakte og besidder en million gange energitætheden i forhold til avancerede kemiske batterier – såvel som fossile brændstoffer.

"Radioisotoper har omtrent den samme mængde total energi lagret i hvert atom, " Morrison forklarede. "Hvor hurtigt de frigiver den energi afhænger af halveringstiden. Pu-238 har en halveringstid på 88 år, fantastisk til lange missioner til det ydre solsystem. CAB-batterierne, vi udvikler hos USNC-Tech, har kortere halveringstider og har en højere effekttæthed. I NIAC, vi bruger en radioisotop med en halveringstid på fem år og en effekttæthed over 30 gange større end Plutonium-238 (Pu-238)."

Pu-238 er NASA's sædvanlige atomkraft til sit rumfartøj. Det er blevet brugt til mere end to dusin meget vellykkede amerikanske rummissioner - såsom New Horizons, og Curiosity and Perseverance Mars-roverne – for deres radioisotop-kraftsystemer (RPS).

Pu-238, står dog over for nogle udfordringer. Kun en begrænset mængde Pu-238 kan produceres (kun 14 ounce (400 gram) hvert år lige nu med en vej mod 50 ounce (1500 g) i løbet af de næste par år). Dette er lige knap nok til at opfylde NASAs fremtidige missionsbehov for dets store programmer.

Mindre programmer og kommercielle virksomheder står over for udfordringer, ikke kun på grund af forsyningsknasen, men også fordi Pu-238 betragtes som et særligt nukleart materiale med bekymringer om ikke-spredning. Radioisotoperne i CAB-teknologien er i stedet kommercielle af natur, faktisk er mange af dem meget brugt i den medicinske industri til kræftbehandlingsterapier.

"CAB-batterier kombineret med elektrisk fremdrift ville være meget enkle systemer, " Morrison fortalte Universe Today. "Dette er alt sammen gennemprøvet teknologi. Den virkelige innovation, vi drager fordel af, er det nuværende lovgivningsmæssige miljø. Før 2019, der var ikke en juridisk ramme for kommercielle virksomheder til at bruge atomkraft. Nu er det officielt sanktioneret."

Præsidentmemo NPSN-20 i 2019 ledede Department of Transportation, og specifikt Federal Aviation Administration, at udvikle et trindelt reguleringssystem, der ville gøre det muligt for kommercielle virksomheder at opsende atomdrevne rumfartøjer.

Morrisons forslag forklarer, at "CAB er nemmere og billigere at fremstille end Pu-238, og sikkerhedskabinettet er stærkt forbedret af CAB's indkapsling af radioaktive materialer i en robust karbidmatrix. Denne teknologi er overlegen fissionssystemer til denne anvendelse, fordi fissionssystemer har brug for en kritisk masse, hvorimod radioisotopsystemer kan være meget mindre og passe på mindre affyringssystemer, reducere omkostninger og kompleksitet."

Det CAB-drevne rumfartøj, døbt "Extrasolar Express, " har en brændstofmasse på lige under et ton. SpaceX's Falcon 9, i modsætning, kan placere over 20 tons i kredsløb. Hvad ville der gøres med al den ekstra plads i løfteraketten?

Morrison forklarer:"Vi kan bytte noget af den masse for et ekstra hastighedsboost væk fra Jorden. Derudover, noget af den ekstra masse kan bruges til at øge sikkerheden ved at inkludere et stort robust skjold, der beskytter radioisotopen og sikrer ingen frigivelse, selv den værste opsendelsesulykke. Når skjoldet først er i et højt kredsløb, kan det skydes ud, og rumfartøjet kan rejse uhindret på sin mission."

Ekstrasolar objekter nu på scenen

Før de to usædvanlige og spændende interstellare objekter brast på scenen i vores solsystem ("Oumuamua i 2017 og Borisov i 2019), havde astronomer ikke overvejet, at omvandrende indskydere fra andre stjernesystemer rutinemæssigt kunne komme forbi. Nu, forskere beregner, at et gennemsnit på syv sådanne objekter passerer inde i Jordens kredsløb hvert år. At finde ud af mere om disse objekter er en lokkende udsigt, siden lige nu, alt, hvad vi kan gøre, er at se dem med teleskoper, mens de suser forbi os.

"Disse genstande ser ud til at komme ret tæt på os, " sagde Morrison, "at skabe en mission for at indhente en er ikke et spørgsmål om afstand, men et spørgsmål om hastighed. Det ændrer ligningen i modsætning til de fleste missioner, som har brug for lang levetid. Dette er bare et hastighedsproblem, fordi du kan opsnappe det og tage en prøve og gå tilbage til Jorden, så længe du har delta v til at udføre missionen."

Morrison forklarede den potentielle missionsplan for Extrasolar Object Interceptor og Sample Return:Start Interceptor-rumfartøjet mod Jupiter og vent på, at et passende ekstrasolar objekt bliver opdaget.

"Du skal måske vente et år eller deromkring, " han sagde, "men uanset hvad, du bliver sandsynligvis nødt til at udføre et flyskifte, fordi disse objekter ikke kommer ind på vores ekliptiske plan. Ideen er at flyve mod Jupiter, forhåbentlig være et godt sted at lave en slangebøsse omkring Jupiter for at komme ind i samme planorientering som objektet."

Rumfartøjet kan i størrelse og masse ligne Dawn-missionen, som også brugte elektrisk fremdrift. Men i stedet for Dawns enorme solpaneler, CAB ville give nok strøm til at skabe et hurtigt rumfartøj. Interceptoren ville have brug for store varmeafvisningsradiatorer, som (ligesom Dawns solpaneler) ville være den største del af rumfartøjet.

Detaljerne i prøvereturneringsdelen er stadig under udarbejdelse, men måske noget, der ligner TAGSAM-prøveoptagelsessystemet, der blev brugt af OSIRIS-REx-missionen.

"Jeg betragter mig selv som mere "Scotty" ved at designe denne Interceptor-mission, men jeg ville få en Spock til at hjælpe med at finde ud af den videnskabelige del, " tænkte Morrison.

CAB'er fremstilles ved hjælp af ikke-radioaktive materialer og "lades" derefter i et strålingsfelt for at skabe en specifik radioisotop. Morrison sagde, at der er en masse forskellige radioisotoper af interesse (for eksempel Cobalt-60 og Thulium-170), og teknologien kan imødekommes til at imødekomme en kundes strømtæthed og levetidsbehov. Mange af CAB-teknologiens potentielle kunder er terrestriske virksomheder, der ser på undervands- eller underjordiske applikationer.

"Teknologien bliver banebrydende til måneopvarmning i wattskala på kort sigt, men NIAC-forslaget repræsenterer den mere sporty version af teknologien."

NIAC-programmet oplyser sig selv som nærende visionære ideer, der kan transformere fremtidige NASA-missioner med skabelsen af ​​gennembrud, og samtidig engagere innovatører og iværksættere som partnere. Selvom Extrasolar Object Interceptor og Sample Return aldrig gør det som en "rigtig" mission, Morrison og USNC vil fortsætte med at arbejde for at gøre deres CAB til en levedygtig strømkilde for både Jorden og rummet.

"Jeg er ekstremt taknemmelig for, at vi modtog NIAC-midler, " sagde Morrison, "vores virksomhed investerer allerede vores egne penge i denne teknologi. Vi vil gerne have, at CAB skal være fremtidens Duracell-batteri til alt, hvad der virker umuligt - som langvarige rummissioner, eller i fjerntliggende miljøer på Jorden."

Ud over CAB-batterier, USNC-virksomheden har udviklet andre nukleare teknologier. "Radioisotoper, der bruges i CAB'er, er varme bjergarter, der producerer ensartet varme over en lang periode. En fissionsreaktor er en anden type nuklear teknologi, der kan tændes og slukkes, op og ned" forklarer Chris. USNC er ved at udvikle en lille modulær fissionsreaktor til brug i det canadiske arktiske område, og dette projekt er hovedfokus for virksomhedens indsats.

"Canada bruger mange hundrede millioner om året på diesel til generatorer til at drive deres små byer i fjerntliggende områder, " sagde Morrison, "og de vil virkelig skifte til at bruge små modulære reaktorer."

Det viser sig, at strømsystemer, der fungerer godt til fjerntliggende steder på Jorden, er gode til fjerntliggende steder i rummet, også. UNSC-Tech, hvor Morrison arbejder, er et datterselskab af USNC med fokus på rumfartsindustrien og avancerede terrestriske systemer. USNC-Tech udvikler fissionsfremdrivningsteknologi med NASA og DARPA samt en måne- og marsreaktor kaldet "Pylon-reaktoren".

"USNC-Tech designer "LEGO" klodserne til rumteknologi. Rummissioner ville bruge den samme grundlæggende jordbaserede teknologi arrangeret i en anden konfiguration for at udrette modige nye ting på nye steder, Morrison forklarede. "Extra Solar Express NIAC er dog nok min favorit."