Vuosikymmenien ajan voimme vain kuvitella, mikä näkymä Pluton pinnasta voi olla. Nyt meillä on todellinen asia.
Kuvia ja tietoja New Horizonsin Pluuton operaation lentotapahtumasta heinäkuussa 2015 osoitti meille odottamattoman upea ja geologisesti aktiivinen maailma. Tutkijat ovat käyttäneet sanoja, kuten 'maaginen', 'henkeäsalpaava' ja 'tieteellinen ihmemaa' kuvaamaan kauan Pluton kauan odotettuja lähikuvia.
Vaikka tutkijat vielä analysoivat New Horizonsin tietoja, ideoita alkaa muotoilla uuden avaruusaluksen lähettämisestä Plutoon, mutta pika-ajaisella kiertoradalla pikkulennon sijaan.
"Seuraava sopiva tehtävä Plutoon on kiertäjä, joka on varustettu kentällä, jos meillä olisi tarpeeksi rahoitusta molempien suorittamiseen", New Horizonsin päätutkija Alan Stern kertoi Space Magazinelle maaliskuussa.
Tällä viikolla Stern on jakanut sosiaalisessa mediassa New Horizonsin tiedejoukkueen tapaamisia. Mutta erikseen toinen ryhmä alkaa puhua mahdollisesta seuraavasta tehtävästä Plutoon.
Jotkut kohtaukset Pluto Follow On Mission -työpajasta Houstonissa eilen. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25. huhtikuuta 2017
Avaruusaluksen saaminen aurinkokunnan ulkopuolisille alueille mahdollisimman nopeasti tarjoaa haasteita etenkin kyvyssä hidastamaan toimintaansa mahdollistaen kiertoradalle Pluton ympärille. Nopealle ja kevyelle New Horizonille kiertoratamatka oli mahdoton.
Mikä työntöjärjestelmä voi tehdä Pluton kiertoradalla ja / tai laskeutumismatkalla mahdollista?
Muutamia ideoita heitetään ympäri.
Avaruusaloitusjärjestelmä
Yksi konsepti hyödyntää NASA: n suurta, uutta Space Launch -järjestelmää (SLS), jota on parhaillaan kehitteillä mahdollistamaan ihmismatkat Marsiin. NASA kuvaa SLS: ää "suunniteltu olemaan joustava ja kehittyvä ja avaa uusia mahdollisuuksia hyötykuormille, mukaan lukien robotti tieteelliset tehtävät". Jopa ensimmäinen lohko 1 -versio voi tuottaa 70 tonnia (myöhemmät versiot voivat pystyä nostamaan jopa 130 tonnia.) Lohko 1 saa virtansa kahdella viiden segmentin kiinteillä rakettien vahvistimilla ja neljällä nestemäisellä polttoainemoottorilla, ehdotetulla 15 prosentilla. enemmän työntövoimaa laukaisussa kuin Saturn V -raketit, jotka lähettivät astronautit Kuulle.
Mutta välitysmitta Plutoon ei välttämättä ole pelkästään SLS: n paras käyttö.
Ajoneuvon kiihdyttämiseen riittävälle nopeudelle kuluu paljon polttoainetta päästäkseen Plutoon kohtuullisessa ajassa. Esimerkiksi New Horizons oli kaikkien aikojen nopein avaruusalus, joka käytti hajotettua Atlas V -rakettia, jolla oli lisävahvistimet, ja se teki suuren palamisen, kun New Horizons lähti maapallon kiertoradalle. Kevyt avaruusaluksen nopeus maapallolta nopeudella 36 000 mailia tunnissa (noin 58 000 km / tunnissa), sitten Jupiterin painovoima-autolla nostamaan New Horizonsin nopeutta 52 000 mph (83 600 km / h), matkustaen miltei miljoona mailia ( 1,5 miljoonaa km) päivässä 3 miljardin mailin (4,8 miljardia km) matkansa Plutoon. Lento kesti yhdeksän ja puoli vuotta.
"Päästäkseen Pluton kiertoradalle, ajoneuvon [kuten SLS: n] pitäisi kiihtyä samaan nopeuteen, kääntyä sitten ympäri ja hidastaa puoleen matkaa saapuakseen Plutoon nettonopeudella nolla suhteessa planeettaan", selitti Stephen Fleming , sijoittaja useisiin alt-space-aloittajiin, mukaan lukien XCOR Aerospace, Planetary Resources ja NanoRacks. Valitettavasti rakettiyhtälön tyrannian takia joudut kuljettamaan kaiken polttoaineen / ponneaineen hidastumaan kanssasi käynnistyksen yhteydessä… mikä tarkoittaa kiertoradan ja kaiken kyseisen polttoaineen kiihdyttämistä alkuvaiheessa. Se vaatii logaritmisesti enemmän polttoainetta alkuperäiseen palamiseen, ja se osoittautuu PALJON polttoainetta. "
Fleming kertoi Space Magazine -lehdelle, että käyttämällä multi-miljardin dollarin SLS: ää Pluton kiertoradan käynnistämiseen, sinun pitäisi lopettaa käynnistämällä koko hyötykuorma, joka on täynnä ponneainetta vain pienen Pluton kiertoradan kiihdyttämiseksi ja hidastamiseksi.
"Se on poikkeuksellisen kallis tehtävä", hän sanoi.
RTG-ionikäyttö
Parempi vaihtoehto voisi olla yhdistetyn tekniikan käyttövoimajärjestelmän käyttö. Stern mainitsi NASA: n tutkimuksen, jossa tarkasteltiin SLS: n käyttöä kantorakettina ja avaruusaluksen lisäämistä kohti Plutoa, mutta sitten RTG: llä (Radioisotope Thermoelectric Generator) toimitettua ionimoottoria myöhemmin jarruttaakseen kiertoradan saapumista.
RTG tuottaa lämpöä ei-asteikkoisen plutonium-238: n luonnollisesta hajoamisesta ja lämpö muuttuu sähköksi. RTG-ionimoottori olisi tehokkaampi ionikäyttöjärjestelmä kuin Dawn-avaruusaluksen nykyinen aurinkoenergia-ionimoottori, joka kiertää nyt Ceresä, asteroidihihnassa, plus se mahdollistaisi toiminnan ulkoisessa aurinkojärjestelmässä, kaukana Auringosta. Tämä ydinvoimaloitu ionimoottori mahdollistaisi ylinopeutta käyttävän avaruusaluksen hidastaa ja mennä kiertoradalle.
"SLS auttaisi sinua lentämään ulos Plutoon", Stern sanoi, "ja jarrutuksen toteuttaminen ionikäyttöllä todella vaatii kaksi vuotta."
Stern sanoi, että lentoaika tällaiseen tehtävään Plutoon olisi seitsemän ja puoli vuotta, kaksi vuotta nopeampi kuin New Horizonsissa.
Fuusiopropulsio
Mutta mielenkiintoisin vaihtoehto voi olla ehdotettu fuusioaktivoitu Pluton Orbiter- ja Lander-operaatio, joka on parhaillaan vaiheen 1 tutkimuksen alla NASA: n innovatiivisissa edistyneissä konsepteissa (NIAC).
Ehdotuksessa käytetään Direct Fusion Drive (DFD) -moottoria, jolla on työntövoima ja teho yhdessä integroidussa laitteessa. DFD tarjoaa suuren työntövoiman, jotta Pluton lentoaika on noin 4 vuotta, ja lisäksi se pystyy lähettämään merkittävän massan kiertoradalle, ehkä välillä 1000 - 8000 kg.
DFD perustuu Princeton Field-Reversed Configuration (FFC) -fuusioreaktoriin, jota on kehitetty 15 vuoden ajan Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa.
Jos tämä käyttövoimajärjestelmä toimii suunnitellusti, se voi laukaista Pluton kiertoradan ja laskimen (tai mahdollisesti roverin) ja antaa riittävän voiman kiertoradan ja kaikkien sen instrumenttien ylläpitämiseksi, samoin kuin säteilyttää paljon voimaa laskeuttajalle. Tämän ansiosta pinta-ajoneuvo voisi siirtää videota takaisin kiertoradalla, koska sillä olisi niin paljon virtaa, sanoo Stephanie Thomas, Princeton Satellite Systems, Inc., joka johtaa NIAC-tutkimusta.
”Konseptimme vastaanotetaan yleensä nimellä” wow, se kuulostaa todella siistiltä! Milloin saan sellaisen? ”” Thomas kertoi Space Magazinelle. Hän sanoi, että hän ja hänen ryhmänsä valitsivat ehdotukseensa prototyypin Pluton kiertoradalla ja laskeutumisoperaation, koska se on loistava esimerkki siitä, mitä voidaan tehdä fuusiorakettilla.
Heidän fuusiojärjestelmässä käytetään pientä lineaarista solenoidikelajoukkoa, ja heidän valintansa polttoaine on deuteriumhelium 3, jolla on hyvin alhainen neutronituotanto.
”Se sopii avaruusalukseen, sopii kantorakettiin”, Thomas selitti NIAC-symposiumipuheessa (hänen puhe alkaa noin klo 17.30 linkitetyssä videossa). ”Ei ole litiumia tai muita vaarallisia materiaaleja, se tuottaa hyvin vähän vahingollisia hiukkasia. Se on tila-auton tai pienen kuorma-auton kokoinen. Järjestelmämme on halvempi ja nopeampi kehittää kuin muut fuusio-ehdotukset. ”
Princetonin joukkue on pystynyt tuottamaan 300 millisekunnin pulsseja plasmalämmityskokeilullaan, suuruusluokkaa paremmin kuin mikään muu järjestelmä.
"Suurin este on fuusio itse", hän sanoi. "Meidän on rakennettava isompi kokeilu uuden lämmitysmenetelmän todistamisen lopettamiseksi, mikä vaatii suuruusluokkaa enemmän resursseja kuin projekti on tähän mennessä saanut energiaministeriöltä", Thomas sanoi sähköpostitse. "Se on kuitenkin edelleen pieni edistyneiden teknologiaprojektien suuressa järjestelmässä, noin 50 miljoonaa dollaria."
Thomas sanoi, että DARPA on käyttänyt paljon enemmän moniin teknologia-aloitteisiin, jotka lopulta peruutettiin. Ja se on myös paljon vähemmän kuin muut fuusioteknologiat edellyttävät samaa tutkimusvaihetta, koska koneemme on niin pieni ja siinä on yksinkertainen kelakonfiguraatio. " (Thomas sanoi, että katsokaa ITER: n, kansainvälisen ydinfuusion tutkimuksen ja suunnittelun megaprojektin budjettia, jonka nykyinen rahoitus on yli 20 miljardia dollaria).
"Yksinkertaisesti sanottuna tiedämme, että menetelmämme lämmittää elektronit todella hyvin ja voi ekstrapoloida lämmitysioneihin, mutta meidän on rakennettava se ja osoitettava se", hän sanoi.
Thomas ja hänen tiiminsä työskentelevät parhaillaan kasvien tasapainoteknologian avulla - osajärjestelmät, joita tarvitaan moottorin käyttämiseksi avaruudessa olettaen, että lämmitysmenetelmä toimii tällä hetkellä ennustetulla tavalla.
Itse Pluto-tehtävän suhteen Thomas sanoi, että itse kiertäjällä ei ole erityisiä esteitä, mutta siihen sisältyy muutaman tekniikan skaalaaminen, jotta saataisiin hyväksi käytettävissä oleva erittäin suuri määrä energiaa, kuten optinen viestintä.
"Voisimme omistaa kymmeniä tai enemmän kilowatteja viestintälaserille, ei 10 wattia, [kuten nykyiset tehtävät]", hän sanoi. ”Konseptin toinen ainutlaatuinen piirre on kyky siirtää paljon voimaa laskeuttajalle. Tämä mahdollistaisi uudet planeettatieteellisten instrumenttiluokkien, kuten tehokkaat harjoitukset. Tätä varten on olemassa tekniikka, mutta erityiset instrumentit on suunniteltava ja rakennettava. Lisäteknologiaa, jota tarvitaan kehitettävänä eri teollisuudenaloilla, ovat kevyet avaruuspatterit, seuraavan sukupolven suprajohtavat johdot ja deuteriumpolttoaineen pitkäaikainen kryogeeninen varastointi. "
Thomas sanoi, että heidän NIAC-tutkimuksensa menee hyvin.
"Meidät valittiin NIAC: n toisen vaiheen tutkimukseen ja olemme parhaillaan sopimusneuvotteluissa", hän sanoi. "Pyrimme työskentelemään moottorin työntövoiman korkeamman varmuuden mallien suunnittelussa, suunnittelemalla radan komponentteja ja mitoittamalla eri osajärjestelmät, mukaan lukien suprajohtavat kelat", hän sanoi. "Nykyisten arvioidemme mukaan yksi 1–10 megawatin moottori tuottaa 5–50 N työntövoimaa noin 10 000 sekunnin omilla impulsseilla.“
Laservieritys Plutoon
Toinen futuristinen työntömahdollisuus on Juri Milnerin Breakthrough Starshot-ehdotukseen ehdottamat laserpohjaiset järjestelmät, joissa pienet kuutiot voitaisiin saada zappaamaan lasereilla maapallolla, pohjimmiltaan "bug zapping" -aluksen päästämään uskomattomaan nopeuteen (mahdollisesti miljoonia maileja / km tunnissa) ) vierailla ulkoisessa aurinkokunnassa tai sen ulkopuolella.
"Meillä ei oikeastaan ole korteissa sitä, että me käyttäisimme tällaista tekniikkaa, koska meidän oli odotettava vuosikymmeniä vain tämän kehittämiseksi", Stern sanoi. ”Mutta jos voisit lähettää kevyitä, halpoja avaruusaluksia nopeuksilla, kuten yhden kymmenesosan valonopeudesta, joka perustuu Maan lasereihin. Voisimme lähettää nämä pienet avaruusalukset sadoille tai tuhansille esineille Kuiper-vyöllä, ja sinä olisit siellä kahden ja puolen päivän sisällä. Voit lähettää avaruusaluksen Pluton ohitse joka päivä. Se olisi todella pelimuutosta. ”
Realistinen tulevaisuus
Mutta vaikka kaikki ovatkin yhtä mieltä siitä, että Pluton kiertäjä olisi tehtävä, varhaisin mahdollinen päivä tällaiseen operaatioon on joskus 2020-luvun alkupuolen ja 2030-luvun alkupuolen välillä. Mutta kaikki riippuu tiedeyhteisön seuraavan dekadaalitutkimuksen esittämistä suosituksista, jotka ehdottavat NASA: n planeettatieteellisen osaston tärkeimpiä tehtäviä.
Nämä vuosikymmenten tutkimukset ovat kymmenvuotisia ”etenemissuunnitelmia”, jotka asettavat tieteen painopisteet ja antavat ohjeita siitä, mihin NASAn tulisi lähettää avaruusalukset ja minkä tyyppisiä tehtäviä niiden tulisi olla. Viimeinen vuosikymmenen kysely julkaistiin vuonna 2011, ja se asetti planeettatieteen painopisteet vuoteen 2022 mennessä. Seuraava, vuosille 2023-2034, julkaistaan todennäköisesti vuonna 2022.
New Horizons -operaatio oli seurausta vuoden 2003 planeettatutkimuksen vuosikymmenen tutkimuksen ehdotuksista, joissa tutkijoiden mukaan Pluto-järjestelmän ja muiden maailmojen vierailu oli ensisijainen kohde.
Joten jos haaveilet Pluton kiertoradalta, jatka puhumista siitä.
