Decennia lang konden we ons alleen maar voorstellen wat het uitzicht van Pluto's oppervlak zou kunnen zijn. Nu hebben we het echte werk.
De afbeeldingen en gegevens van de New Horizons 'missie van Pluto in juli 2015 toonden ons een onverwacht verbluffende en geologisch actieve wereld. Wetenschappers hebben woorden als ‘magisch’, ‘adembenemend’ en ‘wetenschappelijk wonderland’ gebruikt om de langverwachte close-upbeelden van het verre Pluto te beschrijven.
Hoewel wetenschappers nog steeds de gegevens van New Horizons analyseren, beginnen er ideeën te formuleren over het sturen van een ander ruimtevaartuig naar Pluto, maar met een langlopende orbiter-missie in plaats van een snelle flyby.
"De volgende geschikte missie naar Pluto is een orbiter, misschien uitgerust met een lander als we genoeg geld hadden om beide te doen", vertelde de hoofdonderzoeker van New Horizons, Alan Stern, in maart aan Space Magazine.
Deze week heeft Stern op sociale media gedeeld dat het wetenschapsteam van New Horizons samenkomt. Maar apart begint een andere groep te praten over een mogelijke volgende missie naar Pluto.
Enkele scènes uit de Pluto Follow On Mission-workshop gisteren in Houston. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 april 2017
Zo snel mogelijk een ruimtevaartuig naar de buitenste regionen van ons zonnestelsel brengen, biedt uitdagingen, vooral om voldoende te kunnen vertragen om in een baan rond Pluto te kunnen gaan. Voor de snelle en lichtgewicht New Horizons was een orbitale missie onmogelijk.
Welk voortstuwingssysteem kan een Pluto-baan en / of landingsmissie mogelijk maken?
Er worden een paar ideeën rondgeslingerd.
Space Launch System
Eén concept maakt gebruik van het grote, nieuwe Space Launch System (SLS) van NASA, dat momenteel wordt ontwikkeld om menselijke missies naar Mars mogelijk te maken. NASA beschrijft de SLS als "ontworpen om flexibel en evolueerbaar te zijn en nieuwe mogelijkheden voor payloads te openen, inclusief robotachtige wetenschappelijke missies." Zelfs de eerste Block 1-versie kan 70 ton lanceren (latere versies kunnen mogelijk tot 130 ton tillen.) Block 1 wordt aangedreven door twee vijfdelige massieve raketboosters en vier motoren voor vloeibare stuwstof, met een voorgestelde 15% meer stuwkracht bij de lancering dan de Saturn V-raketten die astronauten naar de maan stuurden.
Maar een orbiter-missie naar Pluto is misschien niet het beste gebruik van de SLS alleen.
Het kost veel brandstof om een voertuig zo snel mogelijk te laten accelereren om in een redelijke tijd bij Pluto te komen. New Horizons was bijvoorbeeld het snelste ruimtevaartuig dat ooit werd gelanceerd, met behulp van een opgevoerde Atlas V-raket met extra boosters, het veroorzaakte een grote brandwond toen New Horizons de baan om de aarde verliet. Het lichtgewicht ruimtevaartuig snelde weg van de aarde met 36.000 mijl per uur (ongeveer 58.000 km / uur) en gebruikte vervolgens een zwaartekrachthulp van Jupiter om de snelheid van New Horizons te verhogen tot 52.000 mph (83.600 km / h), en reisde bijna een miljoen mijl ( 1,5 miljoen km) per dag in zijn reis van 3 miljard mijl (4,8 miljard km) naar Pluto. De vlucht duurde negen en een half jaar.
"Om in de baan van Pluto te komen, zou een voertuig [zoals SLS] diezelfde snelheid moeten opvoeren, dan omdraaien en de helft van de reis vertragen om Pluto te bereiken met een nettosnelheid van nul ten opzichte van de planeet", legt Stephen Fleming uit , een investeerder in verschillende alt-space startups, waaronder XCOR Aerospace, Planetary Resources en NanoRacks. “Helaas, als gevolg van de tirannie van de raketvergelijking, zou je alle brandstof / drijfgas bij je moeten hebben om te vertragen bij de lancering ... wat betekent dat je de orbiter EN al die brandstof in de beginfase moet versnellen. Dat vereist logaritmisch meer brandstof voor de eerste verbranding en het blijkt VEEL brandstof te zijn. ”
Fleming vertelde Space Magazine dat als je de SLS van meerdere miljarden dollars zou gebruiken om een Pluto-orbiter te lanceren, je uiteindelijk een hele lading vol drijfgas zou lanceren om een kleine Pluto-orbiter te versnellen en te vertragen.
'Dat is een buitengewoon dure missie', zei hij.
RTG-Ion-voortstuwing
Een betere optie zou kunnen zijn om een aandrijfsysteem van gecombineerde technologieën te gebruiken. Stern noemde een NASA-studie waarin werd gekeken naar het gebruik van de SLS als lanceervoertuig en om het ruimtevaartuig naar Pluto te stimuleren, maar vervolgens een RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) aangedreven ionenmotor te gebruiken om later te remmen voor een orbitale aankomst.
Een RTG produceert warmte uit het natuurlijke verval van plutonium-238 dat niet geschikt is voor wapens, en de warmte wordt omgezet in elektriciteit. Een RTG-ionenmotor zou een krachtiger ionenvoortstuwingssysteem zijn dan de huidige zonne-elektrische ionenmotor op het Dawn-ruimtevaartuig, dat nu in een baan om Ceres draait, in de asteroïdengordel, en het zou de werking in het buitenste zonnestelsel, ver van de zon, mogelijk maken. Deze atoomaangedreven ionenmotor zou een snel rijdend ruimtevaartuig in staat stellen te vertragen en in een baan om de aarde te gaan.
'De SLS zou je een boost geven om naar Pluto te vliegen', zei Stern, 'en het zou eigenlijk twee jaar duren om te remmen met ionenvoortstuwing.'
Stern zei dat de vliegtijd voor zo'n missie naar Pluto zeven en een half jaar zou zijn, twee jaar sneller dan New Horizons.
Fusion Propulsion
Maar de meest opwindende optie is misschien een voorgestelde Fusion-Enabled Pluto Orbiter en Lander-missie die momenteel wordt uitgevoerd in een fase 1-onderzoek in NASA's Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Het voorstel maakt gebruik van een Direct Fusion Drive (DFD) -motor met voortstuwing en vermogen in één geïntegreerd apparaat. DFD biedt een hoge stuwkracht om een vliegtijd van ongeveer 4 jaar naar Pluto mogelijk te maken, plus het kunnen verzenden van een aanzienlijke massa naar een baan, misschien tussen 1000 en 8000 kg.
DFD is gebaseerd op de Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) -fusiereactor die al 15 jaar in ontwikkeling is bij het Princeton Plasma Physics Laboratory.
Als dit voortstuwingssysteem werkt zoals gepland, zou het een Pluto-orbiter en een lander (of mogelijk een rover) kunnen lanceren en voldoende kracht kunnen leveren om een orbiter en al zijn instrumenten te behouden, en ook veel kracht naar een lander kunnen sturen. Dat zou het oppervlaktevoertuig in staat stellen om video terug te sturen naar de orbiter omdat het zoveel kracht zou hebben, volgens Stephanie Thomas van Princeton Satellite Systems, Inc., die de NIAC-studie leidt.
"Ons concept wordt over het algemeen gezien als," wauw, dat klinkt echt gaaf! Wanneer kan ik er een krijgen? ’', Vertelde Thomas aan Space Magazine. Ze zei dat zij en haar team in hun voorstel een prototype Pluto-baan en landingsmissie hadden gekozen, omdat het een goed voorbeeld is van wat er met een fusieraket kan worden gedaan.
Hun fusiesysteem maakt gebruik van een kleine lineaire reeks solenoïde spoelen en hun favoriete brandstof is deuteriumhelium 3, dat een zeer lage productie van neutronen heeft.
'Het past op een ruimtevaartuig, het past op een lanceervoertuig', legde Thomas uit tijdens een NIAC-symposiumlezing (haar lezing begint rond 17.30 uur in de gekoppelde video). "Er is geen lithium of ander gevaarlijk materiaal, het produceert heel weinig schadelijke deeltjes. Het is ongeveer zo groot als een minivan of kleine vrachtwagen. Ons systeem is goedkoper en sneller te ontwikkelen dan andere fusievoorstellen. ”
Het Princeton-team heeft met zijn plasma-verwarmingsexperiment pulsen van 300 milliseconden kunnen produceren, ordes van grootte beter dan enig ander systeem.
'De grootste hindernis is de fusie zelf', zei ze. "We moeten een groter experiment bouwen om de nieuwe verwarmingsmethode te bewijzen, waarvoor een omvang van meer middelen nodig is dan het project tot nu toe heeft ontvangen van het ministerie van Energie," zei Thomas via e-mail. "Het is echter nog steeds klein in het grote geheel van geavanceerde technologieprojecten, ongeveer $ 50 miljoen."
Thomas zei dat DARPA veel meer heeft uitgegeven aan veel technologische initiatieven die uiteindelijk zijn geannuleerd. En het is ook veel minder dan andere fusietechnologieën vereisen voor dezelfde onderzoeksfase, omdat onze machine zo klein is en een eenvoudige spoelconfiguratie heeft. " (Thomas zei, kijk eens naar het budget voor ITER, het internationale megaproject voor onderzoek en engineering op het gebied van kernfusie, dat momenteel meer dan $ 20 miljard bedraagt).
"Om het simpel te zeggen, we weten dat onze methode elektronen heel goed verwarmt en kan extrapoleren naar verwarmingsionen, maar we moeten het bouwen en bewijzen," zei ze.
Thomas en haar team werken momenteel aan de "balans van de plant" -technologie - de subsystemen die nodig zijn om de motor in de ruimte te laten draaien, ervan uitgaande dat de verwarmingsmethode werkt zoals momenteel wordt voorspeld.
In termen van de Pluto-missie zelf zei Thomas dat er geen specifieke hindernissen zijn voor de orbiter zelf, maar het zou een paar technologieën moeten opschalen om te profiteren van de zeer grote hoeveelheid beschikbare stroom, zoals de optische communicatie.
"We zouden tientallen of meer kW vermogen kunnen wijden aan de communicatielaser, niet 10 watt, [zoals huidige missies]", zei ze. “Een ander uniek kenmerk van ons concept is dat we veel vermogen naar een lander kunnen uitstralen. Dit zou nieuwe klassen van instrumenten voor planetaire wetenschap mogelijk maken, zoals krachtige oefeningen. De technologie om dit te doen bestaat, maar de specifieke instrumenten moeten worden ontworpen en gebouwd. Bijkomende technologie die in verschillende industrieën in ontwikkeling zal zijn, zijn lichtgewicht ruimtestralers, supergeleidende draden van de volgende generatie en cryogene opslag voor deuteriumbrandstof op lange termijn. ”
Thomas zei dat hun NIAC-onderzoek goed gaat.
"We zijn geselecteerd voor het NIAC Fase II-onderzoek en zijn nu in contractonderhandelingen", zei ze. "We zijn druk bezig met het ontwikkelen van modellen van de stuwkracht van de motor, het ontwerpen van componenten van het traject en het dimensioneren van de verschillende subsystemen, inclusief de supergeleidende spoelen," zei ze. "Onze huidige schattingen zijn dat een enkele motor van 1 tot 10 MW tussen 5 en 50 N stuwkracht zal produceren, met een specifieke impuls van ongeveer 10.000 seconden."
Laserzappen naar Pluto
Een andere futuristische voortstuwingsmogelijkheid zijn de lasergebaseerde systemen die Yuri Milner voor zijn Breakthrough Starshot-voorstel heeft voorgesteld, waarbij kleine kubuszatten door lasers op aarde kunnen worden gezapt, in feite een ruimtevaartuig dat bugs zapt om ongelooflijke snelheden te bereiken (mogelijk miljoenen mijlen / km per uur) ) om het buitenste zonnestelsel of daarbuiten te bezoeken.
"Het zit niet echt in de kaart om dit soort technologie te gebruiken, omdat we tientallen jaren moeten wachten voordat dit wordt ontwikkeld," zei Stern. 'Maar als je lichtgewicht, goedkope ruimtevaartuigen zou kunnen sturen met snelheden van één tot tiende van de lichtsnelheid gebaseerd op lasers van de aarde. We zouden dit kleine ruimtevaartuig naar honderden of duizenden objecten in de Kuipergordels kunnen sturen, en binnen twee en een halve dag zou je daar zijn. Je kunt elke dag een ruimtevaartuig voorbij Pluto sturen. Dat zou echt het spel veranderen. '
De realistische toekomst
Maar zelfs als iedereen het erover eens is dat er een Pluto-orbiter moet worden gedaan, is de vroegst mogelijke datum voor een dergelijke missie ergens tussen begin 2020 en begin 2030. Maar het hangt allemaal af van de aanbevelingen van het volgende decenniumonderzoek van de wetenschappelijke gemeenschap, dat de missies met de hoogste prioriteit voor NASA's Planetary Science Division zal voorstellen.
Deze Decadal Surveys zijn 10-jarige "roadmaps" die wetenschappelijke prioriteiten stellen en richtlijnen geven over waar NASA ruimtevaartuigen heen moet sturen en welke soorten missies ze zouden moeten zijn. De laatste Decadal Survey werd in 2011 gepubliceerd en dat stelde prioriteiten voor de planetaire wetenschap tot 2022. De volgende, voor 2023-2034, zal waarschijnlijk in 2022 worden gepubliceerd.
De New Horizons-missie was het resultaat van de suggesties van de planetaire wetenschap Decadal Survey uit 2003, waarin wetenschappers zeiden dat een bezoek aan het Pluto-systeem en de werelden daarbuiten een topprioriteit was.
Dus, als je droomt van een Pluto-orbiter, blijf er dan over praten.
