Extrasolar Object Interceptor pystyisi jahtaamaan seuraavan Oumuamuan tai Borisovin ja todella palauttamaan näytteen
Entä jos meillä olisi kyky jahtaa alas aurinkokuntamme läpi kulkevia tähtienvälisiä esineitä, kuten Oumuamua tai komeetta Borisov? Tällaisen avaruusaluksen olisi oltava valmis lähtemään hetkessä, ja sillä on kyky lisätä nopeutta ja muuttaa suuntaa nopeasti.
Tämä on ajatus uuden Extrasolar Object Interceptor- ja Sample Return -avaruusaluksiksi kutsutun tehtäväkonseptin takana. Se on saanut tutkimusrahoitusta NASA:lta sen kautta Innovative Advanced Concepts (NIAC) -ohjelma.
'Näytteiden palauttaminen näistä esineistä voi muuttaa perusteellisesti näkemystämme maailmankaikkeudesta ja paikastamme siinä', sanoo Christopher Morrison, insinööri Ultra Safe Nuclear Corporation-Tech (USNC-Tech), joka toimitti ehdotuksen NIAC:lle.
Morrisonin ja hänen tiiminsä ehdottama konsepti on radioisotooppi-sähkökäyttöinen avaruusalus, joka perustuu Chargeable Atomic Battery (CAB) -tekniikkaan, voimajärjestelmään, jota USNC on kehittänyt kaupalliseen käyttöön. Akut ovat kompakteja ja niiden energiatiheys on miljoona kertaa korkeampi kuin huipputekniikan kemiallisten akkujen – sekä fossiilisten polttoaineiden – energiatiheys.
'Radioisotoopeilla on suunnilleen sama määrä kokonaisenergiaa varastoituneena jokaiseen atomiin', Morrison selitti. 'Se, kuinka nopeasti ne vapauttavat sen energian, riippuu puoliintumisajasta. Pu-238:n puoliintumisaika on 88 vuotta, mikä sopii erinomaisesti pitkiin tehtäviin ulkoiseen aurinkokuntaan. USNC-Techin kehittämillä CAB-akuilla on lyhyempi puoliintumisaika ja suurempi tehotiheys. NIAC:ssa käytämme radioisotooppia, jonka puoliintumisaika on viisi vuotta ja tehotiheys yli 30 kertaa Plutonium-238:n (Pu-238) tehotiheys.
Taiteilijan näkemys NASAn New Horizons -avaruusaluksesta kohtaamassa Pluton kaltaisen kohteen kaukaisessa Kuiperin vyöhykkeessä. Kiitokset: NASA/JHUAPL/SwRI/Alex Parker
Pu-238 on NASAn tavallinen ydinvoiman valinta avaruusaluksiinsa. Sitä on käytetty yli kahdessa tusinassa Yhdysvaltojen erittäin onnistuneessa avaruustehtävässä - kuten New Horizonsissa ja Curiosity- ja Perseverance-marskulkijoissa - niiden radioisotooppivoimajärjestelmiin (RPS).
Pu-238 kohtaa kuitenkin joitain haasteita. Pu-238:aa voidaan tuottaa vain rajoitettu määrä (vain 14 unssia (400 grammaa) vuodessa tällä hetkellä, ja seuraavien vuosien aikana 50 unssia (1500 grammaa). Tämä tuskin riittää vastaamaan NASA:n tuleviin operaatiotarpeisiin sen suurissa ohjelmissa.
Pienemmät ohjelmat ja kaupalliset yritykset kohtaavat haasteita paitsi toimituspulman vuoksi, myös siksi, että Pu-238:aa pidetään erityisenä ydinmateriaalina, jolla on asesulkuongelmia. CAB-teknologian radioisotoopit ovat sen sijaan luonteeltaan kaupallisia, itse asiassa monia niistä käytetään voimakkaasti lääketeollisuudessa syövän hoitoon.
Plutonium-238-polttoaine (keramiikan muodossa) hehkuu luonnollisen hajoamisen lämmöllä suojaavan lieriömäisen grafiittikuoren sisällä, kun NASAn Mars-kulkijoiden sähköjärjestelmän lämmönlähteitä kootaan energiaministeriön Idahossa. Kansallinen laboratorio. Kiitos: NASA/DOE
'CAB-akut yhdistettynä sähköiseen propulsioon olisivat hyvin yksinkertaisia järjestelmiä', Morrison kertoi Universe Todaylle. 'Tämä kaikki on todistettua tekniikkaa. Todellinen innovaatio, jota hyödynnämme, on nykyinen sääntely-ympäristö. Ennen vuotta 2019 kaupallisilla yrityksillä ei ollut oikeudellista kehystä ydinvoiman käytölle. Nyt se on virallisesti hyväksytty.'
Presidentin muistio NPSN-20 vuonna 2019 määräsi liikenneministeriön ja erityisesti Federal Aviation Administrationin kehittämään porrastetun sääntelyjärjestelmän, jonka avulla kaupalliset yritykset voivat laukaista ydinkäyttöisiä avaruusaluksia.
Morrisonin ehdotuksessa selitetään, että 'CAB on helpompi ja halvempi valmistaa kuin Pu-238, ja turvallisuutta parantaa huomattavasti CAB:n radioaktiivisten materiaalien kapselointi vankkaan kovametallimatriisin sisään. Tämä tekniikka on parempi kuin fissiojärjestelmät tässä sovelluksessa, koska fissiojärjestelmät tarvitsevat kriittisen massan, kun taas radioisotooppijärjestelmät voivat olla paljon pienempiä ja sopia pienempiin laukaisujärjestelmiin, mikä vähentää kustannuksia ja monimutkaisuutta.
CAB-käyttöisen avaruusaluksen, jota kutsutaan nimellä 'Extrasolar Express', polttoainemassa on hieman alle yksi tonni. SpaceX:n Falcon 9 sitä vastoin pystyy nostamaan yli 20 tonnia kiertoradalle. Mitä kantoraketin ylimääräiselle tilalle tehtäisiin?
Morrison selittää: 'Voimme vaihtaa osan tästä massasta ylimääräiseen nopeuden lisäykseen poispäin Maasta. Lisäksi osa ylimääräisestä massasta voidaan käyttää turvallisuuden lisäämiseen sisällyttämällä siihen suuri, vankka suojus, joka suojaa radioisotooppia ja estää vapautumisen pahimmassakaan laukaisuonnettomuudessa. Kun kilpi on korkealla kiertoradalla, se voidaan sinkoutua ja avaruusalus voi kulkea esteettömästi tehtäväänsä.'
Auringon ulkopuoliset esineet nyt näyttämöllä
Taiteilijan mielikuva Oumuamuasta. Uuden tutkimuksen mukaan esine koostuu molekyylivetyjäästä, mikä selittää sen sikarimaisen muodon. Luotto: ESO/M. Kornmesser
Ennen kuin kaksi epätavallista ja kiehtovaa tähtienvälistä kohdetta puhkesivat aurinkokunnassamme ( Oumuamua vuonna 2017 ja Borisov vuonna 2019) tähtitieteilijät eivät olleet laajalti ajatelleet, että muista tähtijärjestelmistä vaeltavat tunkeilijat voisivat rutiininomaisesti kulkea ohitse. Nyt tutkijat laskevat, että keskimäärin seitsemän tällaista kohdetta kulkee Maan kiertoradalla vuosittain . Lisätietoa näistä kohteista on houkutteleva mahdollisuus, sillä tällä hetkellä voimme vain katsella niitä kaukoputkella, kun ne kiihtyvät ohitsemme.
'Nämä kohteet näyttävät tulevan melko lähelle meitä', Morrison sanoi, 'tehtävän luominen saavuttaa yksi ei ole kysymys etäisyydestä vaan nopeudesta. Tämä muuttaa yhtälön toisin kuin useimmat tehtävät, jotka vaativat pitkäikäisyyttä. Tämä on vain nopeusongelma, koska voit siepata sen ja ottaa näytteen ja palata Maahan niin kauan kuin sinulla ondelta vsuorittaakseen tehtävän.'
Morrison selitti Extrasolar Object Interceptorin ja Sample Returnin mahdollisen tehtäväsuunnitelman: Laukaise Interceptor-avaruusalus kohti Jupiteria ja odota sopivan ekstrasolaarisen kohteen havaitsemista.
'Sinun on ehkä odotettava noin vuosi', hän sanoi, 'mutta mitä tahansa, joudut todennäköisesti suorittamaan tason vaihdon, koska nämä esineet eivät tule sisään ekliptiselle tasollemme. Ajatuksena on lentää kohti Jupiteria, toivottavasti olla hyvässä paikassa tehdä ritsa Jupiterin ympäri, jotta päästään samaan tasosuuntaan kohteen kanssa.'
Taiteilijan käsitys Dawn-avaruusaluksesta, joka saapuu Vestaan. Kuvan luotto: NASA/JPL-Caltech
Avaruusalus saattoi olla kooltaan ja massaltaan samanlainen kuin Dawn-tehtävä, joka käytti myös sähkövoimaa. Mutta Dawnin valtavien aurinkopaneelien sijaan CAB antaisi tarpeeksi tehoa nopean avaruusaluksen luomiseen. Interceptor tarvitsisi suuria lämmönvaimentimia, jotka (kuten Dawnin aurinkopaneelit) olisivat suurin osa avaruusaluksesta.
Näytteen palautusosan yksityiskohtia kehitetään edelleen, mutta ehkä jotain samanlaista kuin OSIRIS-REx-operaation käyttämä TAGSAM-näytteenottojärjestelmä.
'Pidän itseäni enemmän tämän Interceptor-tehtävän suunnittelussa 'scottyna', mutta hankkisin Spockin auttamaan tieteessä', Morrison pohti.
CAB:t valmistetaan käyttämällä ei-radioaktiivisia materiaaleja ja sitten 'varataan' säteilykentässä tietyn radioisotoopin luomiseksi. Morrison sanoi, että kiinnostavia radioisotooppeja (esim. Cobalt-60 ja Thulium-170) on paljon, ja tekniikka voidaan vastata asiakkaan tehotiheyden ja käyttöiän tarpeisiin. Monet CAB-teknologian potentiaalisista asiakkaista ovat maanpäällisiä yrityksiä, jotka etsivät vedenalaisia tai maanalaisia sovelluksia.
Micro Modular Reactor (MMR™) -järjestelmä on neljännen sukupolven ydinenergiajärjestelmä, joka toimittaa turvallista, puhdasta ja kustannustehokasta sähköä ja lämpöä syrjäisille kaivoksille, teollisuudelle ja yhteisöille. Se on Kanadan johtava SMR-projekti ja ensimmäinen niin sanottu fissioparisto-konsepti maailmanlaajuisesti. Luotto: USNC
'Teknologia on edelläkävijä wattimittaisen kuun lämmityssovelluksissa lähitulevaisuudessa, mutta NIAC-ehdotus edustaa tekniikan urheilullisempaa versiota.'
NIAC-ohjelma väittää itseään vaalivana visionäärisiä ideoita, jotka voivat muuttaa NASAn tulevia tehtäviä luomalla läpimurtoja samalla kun innovaattorit ja yrittäjät saadaan kumppaneiksi. Vaikka Extrasolar Object Interceptor and Sample Return ei koskaan tekisi siitä 'todellista' tehtävää, Morrison ja USNC jatkavat työtä tehdäkseen CAB:staan elinkelpoisen virtalähteen sekä Maalle että avaruudelle.
'Olen erittäin kiitollinen, että saimme NIAC-rahoituksen', Morrison sanoi, 'yrityksemme sijoittaa jo omia varojamme tähän teknologiaan. Haluamme CAB:n olevan tulevaisuuden Duracell-akku kaikkeen, mikä näyttää mahdottomalta – kuten pitkiä avaruustehtäviä tai etäisissä ympäristöissä maan päällä.”
USNC:n suunnittelukonsepti Advanced Nuclear Thermal Propulsion -järjestelmälle helpottaa nopeaa kuljetusta Kuuhun ja Marsiin. Luotto: USNC
CAB-akkujen lisäksi USNC-yhtiö on kehittänyt muita ydinteknologioita. 'CAB:issa käytetyt radioisotoopit ovat kuumia kiviä, jotka tuottavat tasaista lämpöä pitkän ajan kuluessa. Fissioreaktori on erityyppinen ydinteknologia, joka voidaan kytkeä päälle ja pois, ylös ja alas”, Chris selittää. USNC kehittää pientä modulaarista fissioreaktoria käytettäväksi Kanadan arktisella alueella, ja tämä projekti on yhtiön toiminnan pääpaino.
'Kanada käyttää satoja miljoonia vuodessa dieseliin generaattoreihin, jotka käyttävät sähköä syrjäisillä alueilla sijaitseviin pieniin kaupunkeihinsa', Morrison sanoi, 'ja he todella haluavat siirtyä käyttämään pieniä modulaarisia reaktoreita.'
Osoittautuu, että sähköjärjestelmät, jotka toimivat hyvin syrjäisissä paikoissa maapallolla, ovat hyviä myös syrjäisille paikoille avaruudessa. UNSC-Tech, jossa Morrison työskentelee, on USNC:n tytäryhtiö, joka keskittyy ilmailuteollisuuteen ja kehittyneisiin maanpäällisiin järjestelmiin. USNC-Tech kehittää fissiopropulsioteknologiaa NASAn ja DARPA:n kanssa sekä Kuun ja Marsin reaktoria, jota kutsutaan 'pylväsreaktoriksi'.
”USNC-Tech suunnittelee LEGO-palikoita avaruusydinteknologiaan. Avaruustehtävät käyttäisivät samaa maanpäällistä perustavaa laatua olevaa teknologiaa eri konfiguraatioissa saavuttaakseen rohkeita uusia asioita uusissa paikoissa, Morrison selitti. 'Extra Solar Express NIAC on kuitenkin luultavasti suosikkini.'
Pääkuvan kuvateksti:Taiteilijan kuvaus Extrasolar Object Interceptorista. Luotto: Christopher Morrison