Voimme vuosikymmeniä vain kuvitella, millainen näkymä Pluton pinnalta voisi olla. Nyt meillä on oikea asia.
Kuvat ja tiedot kohteesta New Horizonsin tehtävä Pluton ohilento heinäkuussa 2015 osoitti meille odottamattoman upean ja geologisesti aktiivisen maailman. Tiedemiehet ovat käyttäneet sellaisia sanoja kuin 'maaginen', 'henkeäsalpaava' ja 'tieteellinen ihmemaa' kuvaamaan kauan odotettuja lähikuvia kaukaisesta Plutosta.
Vaikka tutkijat analysoivat edelleen New Horizonsin tietoja, alkavat muotoilla ideoita toisen avaruusaluksen lähettämisestä Plutolle, mutta pitkäkestoisella kiertoratatehtävällä nopean ohilennon sijaan.
'Seuraava sopiva tehtävä Plutolle on kiertorata, joka saattaa olla varustettu laskeutujalla, jos meillä olisi tarpeeksi rahoitusta molempiin', New Horizonsin päätutkija Alan Stern kertoi Universe Todaylle maaliskuussa.
Tällä viikolla Stern on jakanut sosiaalisessa mediassa, että New Horizonsin tiedetiimi kokoontuu. Mutta erikseen, toinen ryhmä alkaa puhua mahdollisesta seuraavasta Pluton tehtävästä.
Muutamia kohtauksia Pluto Follow On Mission -työpajasta Houstonissa eilen. #The FutureIsBright #Takaisin2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25. huhtikuuta 2017
Avaruusaluksen saaminen aurinkokuntamme ulommille alueille mahdollisimman nopeasti tarjoaa haasteita, varsinkin siinä, että pystymme hidastamaan tarpeeksi, jotta se voisi päästä kiertoradalle Pluton ympäri. Nopeille ja kevyille New Horizonsille kiertoratatehtävä oli mahdoton.
Mikä propulsiojärjestelmä voisi tehdä Pluton kiertoradalla ja/tai laskeutumisesta mahdollisen?
Muutama ajatus heittelee ympäriinsä.
Avaruuden laukaisujärjestelmä
Yhdessä konseptissa hyödynnetään NASA:n suurta uutta Space Launch System (SLS) -järjestelmää, joka on parhaillaan kehitteillä mahdollistaakseen ihmisten tehtäviä Marsiin. NASA kuvailee SLS:ää 'joustaviksi ja kehittyväksi suunniteltuiksi ja avaa uusia mahdollisuuksia hyötykuormille, mukaan lukien robottitieteelliset tehtävät'. Jopa ensimmäinen Block 1 -versio voi laukaista 70 tonnia (myöhemmät versiot saattavat pystyä nostamaan jopa 130 tonnia.) Lohko 1 saa voimansa kahdella viisisegmenttisellä kiinteän raketin tehostimella ja neljällä nestemäisellä polttoaineella toimivalla moottorilla ehdotetulla 15 prosentilla. enemmän työntövoimaa laukaisussa kuin Saturn V -raketit, jotka lähettivät astronautit Kuuhun.
Taiteilijan tulkinta NASAn Space Launch System Block 1 -kokoonpanosta Orion-ajoneuvolla. Kuva: NASA
Mutta kiertoratatehtävä Plutoon ei ehkä ole paras SLS:n käyttö yksinään.
Kuluu paljon polttoainetta kiihdyttääkseen ajoneuvon riittävän suureen nopeuteen päästäkseen Plutoon kohtuullisessa ajassa. Esimerkiksi New Horizons oli nopein koskaan laukaistu avaruusalus. Se käytti keitetyllä Atlas V -raketilla lisävahvistimilla ja teki suuren palovamman, kun New Horizons lähti Maan kiertoradalta. Kevyt avaruusalus kiihtyi maasta 36 000 mailia tunnissa (noin 58 000 km/h) ja käytti sitten Jupiterin painovoimaapua New Horizonsin nopeuden nostamiseen 52 000 mailia tunnissa (83 600 km/h) matkalla lähes miljoona mailia ( 1,5 miljoonaa kilometriä päivässä sen 3 miljardin mailin (4,8 miljardin kilometrin) matkalla Plutoon. Lento kesti yhdeksän ja puoli vuotta.
'Pluton kiertoradalle päästäkseen ajoneuvon [kuten SLS:n] on kiihdytettävä samaan nopeuteen, sitten käännyttävä ympäri ja hidastettava puolet matkasta päästäkseen Plutoon nettonopeudella nolla suhteessa planeettaan', Stephen Fleming selitti. , sijoittaja useisiin alt-space startupeihin, mukaan lukien XCOR Aerospace, Planetary Resources ja NanoRacks. 'Valitettavasti rakettiyhtälön tyrannian vuoksi joudut kuljettamaan kaikki polttoaine/ponneaine hidastuaksesi mukanasi laukaisun yhteydessä… mikä tarkoittaa kiertoradan JA kaiken polttoaineen kiihdyttämistä alkuvaiheessa. Se vaatii logaritmisesti enemmän polttoainetta alkupolttoa varten, ja se osoittautuu PALJON polttoaineeksi.'
Fleming kertoi Universe Today -lehdelle, että käyttämällä usean miljardin dollarin SLS:ää Pluto-kiertoradan laukaisemiseen, päädyt laukaisemaan kokonaisen hyötykuorman, joka on täynnä ponneainetta vain kiihdyttääksesi ja hidastaaksesi pientä Pluto-kiertorataa.
'Se on poikkeuksellisen kallis tehtävä', hän sanoi.
Röntgen-ionipropulsio
Parempi vaihtoehto voisi olla yhdistettyjen teknologioiden propulsiojärjestelmän käyttö. Stern mainitsi NASAn tutkimuksen, jossa tarkasteltiin SLS:n käyttöä kantorakettina ja avaruusaluksen nostamista kohti Plutoa, mutta sitten RTG:llä (Radioisotope Thermoelectric Generator) toimivaa ionimoottoria jarruttaakseen myöhemmin kiertoradalle saapumista.
RTG tuottaa lämpöä ei-aselaatuisen plutonium-238:n luonnollisesta hajoamisesta, ja lämpö muunnetaan sähköksi. RTG-ionimoottori olisi tehokkaampi ionipropulsiojärjestelmä kuin Dawn-avaruusaluksen nykyinen sähkö-ionimoottori, joka nyt kiertää Ceresiä asteroidivyöhykkeellä, ja lisäksi se mahdollistaisi toiminnan ulkoisessa aurinkokunnassa, kaukana Auringosta. Tämä ydinvoimalla toimiva ionimoottori mahdollistaisi kiihtyvän avaruusaluksen hidastumisen ja kiertoradalle.
Taiteilijan kuva NASAn Dawn-avaruusaluksesta, jonka ionipropulsiojärjestelmä lähestyy Ceres. Kuva: NASA/JPL-Caltech.
'SLS kannustaisi sinua lentämään Plutolle', Stern sanoi, 'ja itse asiassa kestäisi kaksi vuotta jarruttaa ionivoimalla.'
Stern sanoi, että lentoaika tällaiselle Pluto-tehtävälle olisi seitsemän ja puoli vuotta, kaksi vuotta nopeampi kuin New Horizons.
Fuusiopropulsio
Mutta jännittävin vaihtoehto saattaa olla ehdotettu Fusion-Enabled Pluto Orbiter and Lander -lento, joka on parhaillaan NASAn Innovative Advanced Concepts (NIAC) -tutkimuksen vaiheen 1 tutkimuksessa.
Ehdotuksessa käytetään Direct Fusion Drive (DFD) -moottoria, jonka käyttövoima ja teho on yhdessä integroidussa laitteessa. DFD tarjoaa suuren työntövoiman, joka mahdollistaa noin 4 vuoden lentoajan Plutoon ja pystyy lähettämään kiertoradalle huomattavan massan, ehkä 1000-8000 kg.
Direct Fusion Drive -käyttöinen avaruusalus kiertoradalla Pluton ympäri, ja laskeutumislaite on valmiina ottamaan käyttöön oikealta puolelta. Suuret siipimäiset rakenteet ovat säteilijät ja optiset viestintälaserit ovat keskeltä ulottuvilla ristikoilla. Kiitokset: Princeton Satellite Systems, NASA/JHUAPL/SwRI
DFD perustuu Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) -fuusioreaktoriin, jota on kehitetty 15 vuoden ajan. Princetonin plasmafysiikan laboratorio .
Jos tämä propulsiojärjestelmä toimii suunnitellusti, se voisi laukaista Pluto-kiertoradan ja laskeutujan (tai mahdollisesti mönkijän) ja tarjota riittävästi tehoa kiertoradan ja kaikkien sen instrumenttien ylläpitämiseen sekä paljon tehoa laskeutujalle. Näin pinta-ajoneuvo pystyisi lähettämään videota takaisin kiertoradalle, koska sillä olisi niin paljon tehoa, sanoo Stephanie Thomas Princeton Satellite Systems, Inc:stä, joka johtaa kiertoradalla. NIAC-tutkimus .
'Konseptimme on yleisesti otettu vastaan: 'Vau, kuulostaa todella hienolta! Milloin saan sellaisen?' Thomas kertoi Universe Todaylle. Hän sanoi, että hän ja hänen tiiminsä valitsivat ehdotukseensa prototyypin Pluto-kiertoradalle ja -laskeutujalle, koska se on loistava esimerkki siitä, mitä fuusioraketilla voidaan tehdä.
Heidän fuusiojärjestelmänsä käyttää pientä lineaarista solenoidikäämien sarjaa, ja niiden polttoaineena on deuteriumhelium 3, jolla on erittäin alhainen neutronituotanto.
Fuusiokäyttöinen Pluto Orbiter ja Lander. Tekijät: Stephanie Thomas.
'Se sopii avaruusalukseen, se sopii kantoraketille', Thomas selitti a NIAC-symposiumin puhe (hänen puheenvuoronsa alkaa noin klo 17.30 linkitetyssä videossa) . 'Ei ole litiumia tai muita vaarallisia aineita, se tuottaa hyvin vähän vahingollisia hiukkasia. Se on suunnilleen tila-auton tai pienen kuorma-auton kokoinen. Järjestelmämme on halvempi ja nopeampi kehittää kuin muut fuusioehdotukset.'
Princetonin tiimi on pystynyt tuottamaan plasmalämmityskokeillaan 300 millisekunnin pulsseja, mikä on suuruusluokkaa parempi kuin mikään muu järjestelmä.
'Suurin este on itse fuusio', hän sanoi. 'Meidän on rakennettava isompi kokeilu uuden lämmitystavan todistamiseksi loppuun, mikä vaatii suuruusluokkaa enemmän resursseja kuin mitä hanke on saanut energiaministeriöltä tähän mennessä', Thomas sanoi sähköpostitse. 'Se on kuitenkin edelleen pieni edistyneen teknologian projekteissa, noin 50 miljoonaa dollaria.'
Thomas sanoi, että DARPA on käyttänyt paljon enemmän moniin teknologia-aloitteisiin, jotka päätyivät perumaan. Ja se on myös paljon vähemmän kuin muut fuusioteknologiat vaativat samassa tutkimusvaiheessa, koska koneemme on niin pieni ja siinä on yksinkertainen kelakokoonpano. (Thomas sanoi, että katso budjettia ITER, kansainvälinen ydinfuusiotutkimuksen ja -tekniikan megaprojekti, joka on tällä hetkellä yli 20 miljardia dollaria).
'Yksinkertaisesti sanottuna tiedämme, että menetelmämme lämmittää elektroneja todella hyvin ja voi ekstrapoloida lämmitysioneja, mutta meidän on rakennettava se ja todistettava se', hän sanoi.
Thomas ja hänen tiiminsä työskentelevät parhaillaan 'kasvien tasapaino' -tekniikan parissa – osajärjestelmissä, joita tarvitaan moottorin käyttämiseen avaruudessa, olettaen, että lämmitysmenetelmä toimii tällä hetkellä ennustetulla tavalla.
Mitä tulee itse Pluto-tehtävään, Thomas sanoi, että itse kiertoradalla ei ole mitään erityisiä esteitä, mutta se edellyttäisi muutaman tekniikan skaalaamista, jotta voidaan hyödyntää erittäin suurta tehoa, kuten optista viestintää.
'Voimme omistaa kymmeniä kW tai enemmän tehoa viestintälaserille, ei 10 wattia, [kuten nykyiset tehtävät]', hän sanoi. 'Toinen konseptimme ainutlaatuinen ominaisuus on se, että pystymme välittämään paljon voimaa laskeutujalle. Tämä mahdollistaisi uusia luokkia planeettatieteen instrumentteja, kuten tehokkaita poraa. Teknologia tähän on olemassa, mutta erityiset välineet on suunniteltava ja rakennettava. Lisäteknologiaa, jota tarvitaan eri teollisuudenaloilla kehitteillä, ovat kevyet avaruuspatterit, seuraavan sukupolven suprajohtavat johdot ja deuteriumpolttoaineen pitkäaikainen kryogeeninen varastointi.
Thomas sanoi, että heidän NIAC-tutkimuksensa sujuu hyvin.
'Meidät valittiin NIAC Phase II -tutkimukseen, ja olemme parhaillaan sopimusneuvotteluissa', hän sanoi. 'Olemme kiireisiä moottorin työntövoiman tarkempien mallien parissa, lentoradan komponenttien suunnittelussa ja eri osajärjestelmien mitoittamisessa, mukaan lukien suprajohtavat kelat', hän sanoi. 'Nykyiset arviomme ovat, että yksi 1 - 10 MW:n moottori tuottaa 5 - 50 N työntövoimaa noin 10 000 sekunnin ominaisimpulssilla.'
Laserzappaus Plutoon
Toinen futuristinen propulsiomahdollisuus ovat laserpohjaiset järjestelmät, joita Juri Milner ehdotti hänelle Läpimurto Starshot-ehdotus, jossa pieniä kuutiota voitaisiin sipata maan päällä lasereilla, pohjimmiltaan 'bug zapping' -avaruusaluksia saavuttaakseen uskomattomat nopeudet (mahdollisesti miljoonia mailia/km/h) vieraillakseen uloimmassa aurinkokunnassa tai sen ulkopuolella.
'Tällaisen teknologian käyttäminen ei todellakaan ole meille luvassa, koska joutuisimme odottamaan vuosikymmeniä, ennen kuin tämä kehitetään', Stern sanoi. 'Mutta jos voisitte lähettää kevyitä, edullisia avaruusaluksia nopeuksilla, kuten kymmenesosa valon nopeudesta, perustuen maan lasereihin. Voisimme lähettää nämä pienet avaruusalukset satoihin tai tuhansiin Kuiperin vyöhykkeellä oleviin objekteihin, ja olisit siellä kahdessa ja puolessa päivässä. Voit lähettää avaruusaluksen Pluton ohi joka päivä. Se muuttaisi todella peliä.'
Realistinen tulevaisuus
Mutta vaikka kaikki olisivat samaa mieltä siitä, että Pluto-kiertorata pitäisi tehdä, aikaisin mahdollinen päivämäärä tällaiselle tehtävälle on joskus 2020-luvun alun ja 2030-luvun alun välillä. Mutta kaikki riippuu tiedeyhteisön seuraavan vuosikymmenen tutkimuksen suosituksista, jotka ehdottavat NASAn planeettatiedeosaston tärkeimpiä tehtäviä.
Nämä vuosikymmenen tutkimukset ovat 10 vuoden 'tiekarttoja', joissa asetetaan tieteen prioriteetit ja annetaan ohjeita siitä, mihin NASAn tulisi lähettää avaruusaluksia ja minkä tyyppisiä tehtäviä niiden tulisi olla. Viimeisin Decadal Survey julkaistiin vuonna 2011, ja se asetti planeettatieteen painopisteet vuoteen 2022 asti. Seuraava, vuosille 2023-2034, julkaistaan todennäköisesti vuonna 2022.
New Horizons -tehtävä oli tulos vuoden 2003 planeettatieteen vuosikymmentutkimuksen ehdotuksista, joissa tutkijat sanoivat, että Pluto-järjestelmässä ja sen ulkopuolella olevissa maailmoissa vierailu oli ensisijainen kohde.
Joten jos haaveilet Plutosta, jatka puhumista siitä.
New Horizonin heinäkuun 2015 ohilento Plutosta opetti meille paljon tästä planeettasta. Ensinnäkin Pluto on geofyysisesti paljon aktiivisempi kuin ajateltu. Luotto:
NASA/JHUAPL/SwRI.