Po celé desaťročia sme si len vedeli predstavovať, aký môže byť pohľad na povrch Pluta. Teraz máme to pravé.
Obrázky a údaje z preletu Pluto v New Horizons v júli 2015 nám ukázali nečakane ohromujúci a geologicky aktívny svet. Vedci použili slová ako „magické“, „úchvatné“ a „vedecké zázraky“ na opísanie dlho očakávaných podrobných pohľadov na vzdialené Pluto.
Aj keď vedci stále analyzujú údaje z New Horizons, začínajú sa sformulovať myšlienky o vyslaní inej kozmickej lode do Pluta, ale namiesto rýchleho preletu sa jedná o dlhodobú orbitálnu misiu.
"Ďalšou vhodnou misiou v Plute je orbiter, možno vybavený pristávacím mechanizmom, ak by sme mali dostatok finančných prostriedkov na uskutočnenie oboch," uviedol v marci Space Magazine hlavný vyšetrovateľ New Horizons Alan Stern.
Tento týždeň sa Stern podelil o sociálne médiá, na ktorých sa stretáva vedecký tím New Horizons. Samostatne však iná skupina začína hovoriť o možnej budúcej misii s Plutom.
Niektoré scény z dielne Pluto Follow On Mission v Houstone včera. #FutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@ AlanStern) 25. apríla 2017
Dostať kozmickú loď čo najrýchlejšie do vonkajších oblastí našej slnečnej sústavy predstavuje výzvy, najmä v tom, že je schopná dostatočne spomaliť, aby umožnila ísť na obežnú dráhu okolo Pluta. Pre rýchly a ľahký New Horizons bola orbitálna misia nemožná.
Aký pohonný systém by mohol umožniť misiu Pluto orbiter a / alebo lander?
Niekoľko nápadov sa vyhodilo.
Vesmírny systém
Jedna koncepcia využíva veľký nový vesmírny raketový systém NASA (SLS), ktorý sa v súčasnosti vyvíja, aby umožnil ľudské misie na Mars. NASA popisuje SLS ako „navrhnutý tak, aby bol flexibilný a vyvíjateľný a otvorí nové možnosti pre užitočné zaťaženie vrátane robotických vedeckých misií.“ Dokonca aj prvá verzia bloku 1 môže spustiť 70 metrických ton (novšie verzie by mohli byť schopné zdvihnúť až 130 metrických ton.). Blok 1 bude poháňaný dvojitými päťsegmentovými zosilňovačmi rakiet na tuhé palivo a štyrmi motormi na kvapalné palivo s navrhnutým 15%. pri štarte viac ťahu ako rakety Saturn V, ktoré vysielali astronautov na Mesiac.
Orbitálna misia v Plute však nemusí byť najlepším využitím samotnej SLS.
Na zrýchlenie vozidla na dostatočnú rýchlosť je potrebné veľa paliva, aby ste sa dostali k Pluto v primeranom čase. Napríklad New Horizons bol najrýchlejšou kozmickou loďou, aká kedy bola spustená. Použitím vystrelenej rakety Atlas V s ďalšími zosilňovačmi sa pri vypínaní novej obzory New Horizons veľká obeť vypálila. Ľahká kozmická loď odbehla zo Zeme rýchlosťou 36 000 míľ za hodinu (asi 58 000 km / h), potom použila gravitačnú asistenciu od Jupitera na zvýšenie rýchlosti New Horizons na 83 600 km / h, čo predstavuje takmer milión kilometrov ( 1,5 milióna km) za deň na svojej 4 miliárd kilometrovej ceste do Pluta. Let trval deväť a pol roka.
"Na vstup na obežnú dráhu Pluto by sa vozidlo [ako SLS] muselo zvýšiť na rovnakú rýchlosť, potom sa otočiť a spomaliť o polovicu cesty, aby sa dostalo na Pluto s nulovou čistou rýchlosťou vzhľadom na planétu," vysvetlil Stephen Fleming. , investor v niekoľkých začínajúcich podnikoch v oblasti alt-space vrátane XCOR Aerospace, Planetetary Resources a NanoRacks. „Bohužiaľ, kvôli tyranii raketovej rovnice by ste museli mať pri odpaľovaní všetky palivo / pohonnú hmotu, aby ste s vami spomalili ... čo znamená zrýchlenie orbitra A všetkého paliva v počiatočnej fáze. Vyžaduje to logaritmicky viac paliva na počiatočné spálenie a ukázalo sa, že je NÍZKÉ palivo. “
Fleming povedal časopisu Space Magazine, že pomocou multimiliardovej SLS na spustenie obežnej dráhy Pluto by ste ukončili spustenie celého užitočného zaťaženia plného paliva len na urýchlenie a spomalenie malej dráhy Pluto.
"Je to mimoriadne nákladná misia," uviedol.
Pohon RTG-ión
Lepšou možnosťou by mohlo byť použitie pohonného systému kombinovaných technológií. Stern sa zmienil o štúdii NASA, ktorá sa zaoberala použitím SLS ako štartovacieho vozidla a posilnením kozmickej lode smerom k Pluto, ale potom pomocou iónového motora poháňaného RTG (Radioizotope Thermoelectric Generator) na neskoršiu brzdu pre orbitálny príchod.
RTG vyrába teplo z prirodzeného rozkladu plutónia 238 bez zbrane a teplo sa premieňa na elektrinu. Iránový motor RTG by bol výkonnejším iónovým hnacím systémom ako súčasný solárny elektrický iónový motor na kozmickej lodi Dawn, ktorý teraz obieha Ceres, v asteroidovom páse a navyše by umožňoval prevádzku vo vonkajšej slnečnej sústave ďaleko od Slnka. Tento jadrový motor s jadrovým pohonom by umožnil spomaliť vesmírnu loď a ísť na obežnú dráhu.
„SLS by vás povzbudil, aby ste odleteli do Pluta,“ povedal Stern, „a skutočne by to trvalo dva roky, kým by ste zabrzdili iontovým pohonom.“
Stern povedal, že čas letu na takúto misiu do Pluta bude sedem a pol roka, dva roky rýchlejšie ako New Horizons.
Pohon jadrovej syntézy
Najzaujímavejšou možnosťou by však mohla byť navrhovaná misia Pluto Orbiter a Lander s podporou fúzie, ktorá je v súčasnosti predmetom štúdie fázy 1 v Inovatívnych pokrokových koncepciách agentúry NASA (NIAC).
V návrhu sa používa motor s priamou fúziou (DFD), ktorý má pohon a výkon v jednom integrovanom zariadení. DFD poskytuje vysoký ťah, aby umožnil letu Pluto približne 4 roky, plus je schopný vyslať podstatnú hmotnosť na obežnú dráhu, pravdepodobne medzi 1 000 až 8 000 kg.
DFD je založený na fúznom reaktore Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC), ktorý sa vyvíjal 15 rokov v laboratóriu fyziky plazmy Princeton.
Ak tento pohonný systém funguje podľa plánu, mohol by vypustiť plutú orbiter a lander (alebo možno rover) a poskytnúť dostatok energie na to, aby udržal obežnú dráhu a všetky jej nástroje, ako aj pre pozemného lúča vyslal veľa energie. Podľa Stephanie Thomas z Princeton Satellite Systems, Inc., ktorá vedie štúdiu NIAC, by to umožnilo pozemnému vozidlu nasmerovať späť späť na obežnú dráhu orbiter, pretože by malo toľko energie.
„Náš koncept je všeobecne prijímaný tak, ako to znie naozaj cool! Kedy ich môžem získať? “Povedal Thomas časopisu Space Magazine. Povedala, že ona a jej tím vybrali vo svojom návrhu prototypu Pluto orbiter a lander misiu, pretože je to vynikajúci príklad toho, čo sa dá urobiť s fúznou raketou.
Ich fúzny systém využíva malé lineárne pole cievok solenoidu a ich výberom paliva je hélium deutérium 3, ktoré má veľmi nízku produkciu neutrónov.
"To sa hodí na kozmickú loď, to sa hodí na štartovacie vozidlo," vysvetlil Thomas v rozhovore pre sympózium NIAC (jej rozhovor sa začína okolo 17:30 v pripojenom videu). „Neexistuje žiadne lítium alebo iné nebezpečné materiály, produkuje veľmi málo škodlivých častíc. Ide o veľkosť minivanu alebo malého nákladného auta. Náš systém je lacnejší a rýchlejší na vývoj ako iné návrhy fúzie. “
Tím Princeton bol schopný experimentom s plazmovým ohrevom vyprodukovať 300 milisekúnd, čo je rádovo o niečo lepšie ako ktorýkoľvek iný systém.
"Najväčšou prekážkou je samotná fúzia," uviedla. "Potrebujeme vybudovať väčší experiment, aby sme dokončili skúšku nového spôsobu vykurovania, ktorý si bude vyžadovať rádovo viac zdrojov, ako projekt doteraz dostával od ministerstva energetiky," uviedol Thomas e-mailom. „Vo veľkej schéme progresívnych technologických projektov je však stále malý, okolo 50 miliónov dolárov.“
Thomas uviedol, že program DARPA vynaložil oveľa viac na mnohé technologické iniciatívy, ktoré skončili zrušené. A je to tiež oveľa menej ako iné technológie jadrovej syntézy, ktoré si vyžadujú rovnakú fázu výskumu, pretože náš stroj je taký malý a má jednoduchú konfiguráciu cievok. “ (Thomas povedal, že sa pozrieme na rozpočet projektu ITER, medzinárodného výskumného a inžinierskeho megaprojektu jadrovej syntézy, ktorý v súčasnosti zaberá viac ako 20 miliárd dolárov).
"Zjednodušene povedané, vieme, že naša metóda skutočne zahrieva elektróny veľmi dobre a môže extrapolovať na zahrievanie iónov, ale musíme ju vybudovať a dokázať," uviedla.
Thomas a jej tím v súčasnosti pracujú na technológii „rovnováhy rastlín“ - subsystémoch, ktoré budú potrebné na prevádzku motora vo vesmíre, za predpokladu, že spôsob vykurovania funguje tak, ako sa v súčasnosti predpokladá.
Pokiaľ ide o samotnú misiu Pluto, Thomas uviedol, že neexistujú žiadne konkrétne prekážky pre samotný orbiter, ale vyžadovalo by to rozšírenie niekoľkých technológií, aby sa využilo veľmi veľké množstvo dostupnej energie, ako napríklad optická komunikácia.
"Mohli by sme venovať komunikačnému laseru desiatky alebo viac kW, nie 10 wattov [ako súčasné misie]," uviedla. „Ďalšou jedinečnou črtou našej koncepcie je schopnosť preniesť veľa energie na lander. To by umožnilo nové triedy nástrojov planetárnej vedy, ako sú výkonné cvičenia. Technológia na tento účel existuje, ale konkrétne nástroje je potrebné navrhnúť a postaviť. Ďalšou potrebnou technológiou, ktorá sa vyvíja v rôznych priemyselných odvetviach, sú ľahké vesmírne radiátory, supravodivé vodiče budúcej generácie a dlhodobé kryogénne skladovanie paliva na deutérium. “
Thomas povedal, že ich výskum NIAC sa darí.
"Boli sme vybraní pre štúdiu fázy II NIAC a teraz sa práve rokujeme o zmluvách," uviedla. "Sme zaneprázdnení prácou na modeloch s vyššou vernosťou ťahu motora, navrhovaní komponentov trajektórie a dimenzovaní rôznych subsystémov vrátane supravodivých cievok," uviedla. „Naše súčasné odhady sú také, že jeden motor s výkonom 1 až 10 MW bude produkovať ťah medzi 5 a 50 N, pri špecifickom impulze približne 10 000 sekúnd.“
Laserové prepínanie na Pluto
Ďalšou futuristickou možnosťou pohonu sú laserové systémy, ktoré navrhol Jurij Milner pre svoj návrh prelomovej hviezdy, kde malé kubatúry by sa dali prepnúť pomocou laserov na Zemi. ) na návštevu vonkajšej slnečnej sústavy alebo mimo nej.
"Nie je to naozaj v kartách, aby sme mohli používať tento druh technológie, pretože by sme museli čakať desaťročia, kým sa to rozvinie," uviedol Stern. „Ak by ste však mohli poslať ľahkú a lacnú kozmickú loď rýchlosťou ako jedna desiata, rýchlosť svetla založená na laseroch zo Zeme. Mohli by sme poslať tieto malé kozmické lode stovkám alebo tisíckam objektov v Kuiperských pásoch a vy ste tam boli za dva a pol dňa. Každý deň by ste mohli poslať kozmickú loď okolo Pluta. To by sa naozaj zmenilo. “
Realistická budúcnosť
Ale aj keď každý súhlasí s tým, že by sa mal vykonať orbiter Pluto, najskorší možný dátum takejto misie je niekedy medzi začiatkom 20. a začiatkom 20. rokov 20. storočia. Všetko však záleží na odporúčaniach vydaných v nasledujúcom dekadálnom prieskume vedeckej komunity, ktorý navrhne najdôležitejšie misie pre divíziu planetárnej vedy NASA.
Tieto dekadálne prieskumy sú 10-ročné „cestovné mapy“, ktoré stanovujú vedecké priority a poskytujú usmernenie o tom, kam by NASA mala vysielať kozmickú loď a aké typy misií by mali byť. Posledný dekadálny prieskum bol uverejnený v roku 2011 a stanovuje priority v oblasti planéty do roku 2022. Ďalší prieskum na roky 2023 - 2034 bude pravdepodobne uverejnený v roku 2022.
Misia New Horizons bola výsledkom návrhov z Decadal Survey z roku 2003, kde vedci uviedli, že návšteva systému Pluto a svetov mimo nich je najvyššou prioritou.
Takže, ak snívate o orbiteri Pluto, stále o tom rozprávajte.
