I flere tiår kunne vi bare forestille oss hva utsikten til Plutos overflate kan være. Nå har vi den virkelige tingen.
Bildene og dataene fra New Horizons 'oppdrag flyby av Pluto i juli 2015 viste oss en uventet fantastisk og geologisk aktiv verden. Forskere har brukt ord som ‘magisk’, ‘fantastisk’ og ‘vitenskapelig eventyrland’ for å beskrive de etterlengtede nærbildene til det fjerne Pluto.
Selv om forskere fremdeles analyserer dataene fra New Horizons, begynner ideer å formulere ideer om å sende et annet romfartøy til Pluto, men med et langsiktig orbiteroppdrag i stedet for et raskt flyby.
"Det neste passende oppdraget til Pluto er en orbiter, kanskje utstyrt med en lander hvis vi hadde nok midler til å gjøre begge deler," sa New Horizons hovedetterforsker Alan Stern til Space Magazine i mars.
Denne uken har Stern delt på sosiale medier som vitenskapsteamet til New Horizons møter. Men hver for seg begynner en annen gruppe å snakke om et mulig neste oppdrag til Pluto.
Noen scener fra Pluto Follow On Mission-verkstedet i Houston i går. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25. april 2017
Å få et romskip til de ytre områdene av solsystemet vårt så raskt som mulig gir utfordringer, spesielt med å kunne bremse nok til å gå i bane rundt Pluto. For de raske og lette New Horizons var et orbitale oppdrag umulig.
Hvilket fremdriftssystem kan gjøre en Pluto orbiter- og / eller landeroppdrag mulig?
Noen få ideer kastes rundt.
Space Launch System
Ett konsept utnytter NASAs store, nye Space Launch System (SLS), som for tiden er under utvikling for å muliggjøre menneskelige oppdrag til Mars. NASA beskriver SLS som "designet for å være fleksibel og utviklingsbar og vil åpne nye muligheter for nyttelast, inkludert robotvitenskapelige oppdrag." Selv den første Block 1-versjonen kan lansere 70 tonn (senere versjoner kan være i stand til å løfte opp til 130 tonn.) Blokk 1 vil bli drevet av dobbelt femsegment solide rakettforsterkere og fire flytende drivmotorer, med foreslåtte 15% mer skyvekraft ved sjøsetting enn Saturn V-rakettene som sendte astronauter til Månen.
Men et orbiteroppdrag til Pluto er kanskje ikke den beste bruken av SLS alene.
Det tar mye drivstoff for å akselerere et kjøretøy til rask nok hastighet til å komme til Pluto på rimelig tid. For eksempel var New Horizons det raskeste romfartøyet som noen gang ble lansert, ved hjelp av en oppsolert Atlas V-rakett med ekstra boosters, utførte den en stor forbrenning da New Horizons forlot Jorden i bane. Det lette romfartøyet kastet seg bort fra jorden med 36.000 miles per time (ca. 58.000 km / time), og brukte deretter en gravitasjonsassistent fra Jupiter for å øke New Horizons 'hastighet til 52.000 km / h (83.600 km / t), og reiste nesten en million miles ( 1,5 millioner km) om dagen i sin 4,8 milliarder kilometer lange reise til Pluto. Flyturen tok ni og et halvt år.
"For å komme inn i Pluto-bane, vil et kjøretøy [som SLS] måtte øke opp til den samme hastigheten, for så å snu og bremse ned halve turen for å komme til Pluto med en netthastighet på null i forhold til planeten," forklarte Stephen Fleming , en investor i flere oppstart av alt-rom inkludert XCOR Aerospace, Planetary Resources og NanoRacks. "Dessverre, på grunn av tyranni i rakettligningen, må du ta med deg alt drivstoff / drivmiddel for å bremse opp med deg ved oppskytningen ... noe som betyr å akselerere orbiteren og alt det drivstoffet i den innledende fasen. Det krever logaritmisk mer drivstoff for den første forbrenningen, og det viser seg å være MYE drivstoff. "
Fleming sa til Space Magazine at du ville bruke en multi-milliard dollar SLS for å sette i gang en Pluto orbiter, og starte en hel nyttelast full av drivmiddel bare for å akselerere og redusere en liten Pluto orbiter.
"Det er et ekstremt dyrt oppdrag," sa han.
RTG-ion-fremdrift
Et bedre alternativ kan være å bruke et fremdriftssystem med kombinerte teknologier. Stern nevnte en NASA-studie som så på å bruke SLS som utskytningsbil og for å øke romskipet mot Pluto, men deretter ved hjelp av en RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) drevet ionemotor for senere å bremse for en orbital ankomst.
En RTG produserer varme fra det naturlige forfallet av ikke-våpenklasse plutonium-238, og varmen blir omgjort til strøm. En RTG-ionemotor ville være et kraftigere jonframdriftssystem enn den nåværende solelektriske ionemotoren på romfartøyet Dawn, som nå går i bane rundt Ceres, i asteroidebeltet, pluss at det ville muliggjøre drift i det ytre solsystemet, langt fra solen. Denne atomdrevne ionemotoren ville gjøre det mulig for et hurtigkjørende romfartøy å bremse og gå i bane.
"SLS vil øke deg til å fly ut til Pluto," sa Stern, "og det vil faktisk ta to år å gjøre oppbremsingen med ionepropulsjon."
Stern sa flytiden for et slikt oppdrag til Pluto ville være syv og et halvt år, to år raskere enn New Horizons.
Fusion Propulsion
Men det mest spennende alternativet kan være et foreslått Fusion-Enabled Pluto Orbiter og Lander-oppdrag som for tiden er under en fase 1-studie i NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Forslaget bruker en Direct Fusion Drive (DFD) motor som har fremdrift og kraft i ett integrert apparat. DFD gir høy skyvekraft for å gi en flytid på cirka 4 år til Pluto, i tillegg til å kunne sende betydelig masse til bane, kanskje mellom 1000 til 8000 kg.
DFD er basert på Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) fusjonsreaktor som har vært under utvikling i 15 år ved Princeton Plasma Physics Laboratory.
Hvis dette fremdriftssystemet fungerer som planlagt, kan det starte en Pluto orbiter og en lander (eller muligens en rover), og gi nok kraft til å opprettholde en orbiter og alle dens instrumenter, samt stråle mye kraft til en lander. Det ville gjøre det mulig for overflatekjøretøyet å stramme tilbake videoen til banen, fordi den ville ha så mye krefter, ifølge Stephanie Thomas fra Princeton Satellite Systems, Inc., som leder NIAC-studien.
“Konseptet vårt blir generelt mottatt som‘ wow, det høres veldig kult ut! Når kan jeg få en? ”, Sa Thomas til Space Magazine. Hun sa at hennes og hennes team valgte en prototype Pluto orbiter og lander-oppdrag i sitt forslag, fordi det er et flott eksempel på hva som kan gjøres med en fusjonsrakett.
Fusjonssystemet deres bruker et lite lineært utvalg av magnetventiler, og deres drivstoff som er valgt er deuterium helium 3, som har meget lav nøytronproduksjon.
"Det passer på et romfartøy, det passer på et kjøretøy," forklarte Thomas i et NIAC-symposiumforedrag (foredraget hennes starter omtrent klokka 17:30 i den tilknyttede videoen). "Det er ikke litium eller andre farlige materialer. Det produserer veldig få skadelige partikler. Det handler om størrelsen på en minibuss eller liten lastebil. Systemet vårt er billigere og raskere å utvikle enn andre fusjonsforslag. "
Princeton-teamet har vært i stand til å produsere 300 millisekund pulser med sitt plasmaoppvarmingseksperiment, størrelsesordrer bedre enn noe annet system.
"Det største hinderet er selve fusjonen," sa hun. "Vi må bygge et større eksperiment for å fullføre beviset på den nye oppvarmingsmetoden, som vil kreve en størrelsesorden mer ressurser enn prosjektet har mottatt fra energidepartementet så langt," sa Thomas via e-post. "Imidlertid er det fremdeles lite i den store planen for avanserte teknologiprosjekter, omtrent 50 millioner dollar."
Thomas sa at DARPA har brukt mye mer på mange teknologitiltak som endte opp kansellert. Og det er også mye mindre enn andre fusjonsteknologier krever for samme trinn i forskningen, siden maskinen vår er så liten og har en enkel spolekonfigurasjon. " (Thomas sa å se på budsjettet for ITER, den internasjonale kjernefusjonsforsknings- og ingeniørmegaprosjektet, som for tiden løper over 20 milliarder dollar).
"For å si det enkelt, vi vet at metoden vår varmer opp elektroner veldig godt og kan ekstrapolere til å varme opp ioner, men vi må bygge den og bevise den," sa hun.
Thomas og hennes team jobber for tiden med “balansen mellom anlegg” -teknologien - delsystemene som vil være nødvendige for å betjene motoren i verdensrommet, forutsatt at oppvarmingsmetoden fungerer som for øyeblikket forutsagt.
Når det gjelder selve Pluto-oppdraget, sa Thomas at det ikke er noen spesielle hindringer på selve baneren, men det vil innebære å skalere opp noen få teknologier for å dra nytte av den veldig store mengden strøm som er tilgjengelig, for eksempel optisk kommunikasjon.
"Vi kunne dedikert titalls eller mer kW kraft til kommunikasjonslaseren, ikke 10 watt, [som nåværende oppdrag]," sa hun. ”Et annet unikt trekk ved konseptet vårt er å kunne stråle mye kraft til en lander. Dette vil gjøre det mulig for nye klasser av planetariske vitenskapelige instrumenter som kraftige øvelser. Teknologien for å gjøre dette eksisterer, men de spesifikke instrumentene må designes og bygges. Ekstra teknologi som vil være nødvendig som er under utvikling i forskjellige bransjer er lette romradiatorer, neste generasjons superledende ledninger og langvarig kryogen lagring for deuteriumdrivstoffet. ”
Thomas sa at deres NIAC-forskning går bra.
"Vi ble valgt ut til NIAC fase II-studien, og er i kontraktsforhandlinger nå," sa hun. "Vi er opptatt med å jobbe med høyere troskapsmodeller av motorens skyvkraft, designe deler av banen og dimensjonere de forskjellige undersystemene, inkludert superledende spoler," sa hun. "Våre nåværende estimater er at en enkelt 1 til 10 MW motor vil produsere mellom 5 og 50 N skyvekraft, med omtrent 10 000 sek spesifikk impuls."
Laserzapping til Pluto
En annen futuristisk fremdriftsmulighet er de laserbaserte systemene som er foreslått av Yuri Milner for sitt Breakthrough Starshot-forslag, hvor små kubber kan bli zappet av lasere på jorden, i utgangspunktet "bug zapping" romskip for å oppnå utrolige hastigheter (muligens millioner av miles / km i timen ) å besøke det ytre solsystemet eller utover.
"Det ligger egentlig ikke i kortene for oss å bruke denne typen teknologi, fordi vi må vente i flere tiår bare for at dette skal utvikles," sa Stern. “Men hvis du kunne sendt lette, rimelige romfartøyer i hastigheter som en tiendedel av lysets hastighet basert på lasere fra Jorden. Vi kunne sendt disse små romfartøyene til hundrevis eller tusenvis av objekter i Kuiper Belts, og du ville være der ute i løpet av to og et halvt døgn. Du kan sende et romfartøy forbi Pluto hver dag. Det ville virkelig endre seg. "
Den realistiske fremtiden
Men selv om alle er enige om at en Pluto-orbiter skal gjøres, er den tidligst mulige datoen for et slikt oppdrag en gang mellom begynnelsen av 2020 og begynnelsen av 2030-årene. Men alt avhenger av anbefalingene som er lagt frem av det vitenskapelige samfunns neste dekadiske undersøkelse, som vil antyde de mest prioriterte oppdragene for NASAs Planetary Science Division.
Disse Decadal-undersøkelsene er 10-årige "veikart" som setter vitenskapelige prioriteringer og gir veiledning om hvor NASA skal sende romfartøyer og hvilke typer oppdrag de skal være. Den siste Decadal Survey ble publisert i 2011, og den satte planleggende vitenskapelige prioriteringer gjennom 2022. Den neste, for 2023-2034, vil trolig bli publisert i 2022.
The New Horizons-oppdraget var et resultat av forslagene fra planetenes vitenskap Decadal Survey fra 2003, der forskere sa at å besøke Pluto-systemet og verdener utover var et prioritert mål.
Så hvis du drømmer om en Pluto orbiter, fortsett å snakke om det.
