משימת פלוטו הבאה: אורביטר ונחת?

במשך עשרות שנים יכולנו רק לדמיין מה יכול להיות נוף פניו של פלוטו. עכשיו, יש לנו את הדבר האמיתי.

התמונות והנתונים מהמטוס המשימה של "אופקים חדשים" מפלוטו ביולי 2015 הראו לנו עולם מדהים ופעיל באופן גיאולוגי באופן בלתי צפוי. מדענים השתמשו במילים כמו 'קסום', 'עוצרי נשימה' ו'מופת הפלאות המדעיות 'כדי לתאר את השקפות הקריאה המיוחלות של פלוטו הרחוקה.

למרות שמדענים עדיין מנתחים את הנתונים מ- New Horizons, רעיונות מתחילים לגבש חללית נוספת לפלוטו, אך עם משימת מסלול ארוכת טווח במקום מעבר מהיר.

"המשימה המתאימה הבאה לפלוטו היא מסלול, אולי מצויד במנחת אם היה לנו מספיק מימון בכדי לעשות את שניהם," אמר החוקר הראשי של ניו אופקים, אלן שטרן, למגזין החלל במרץ.

השבוע שיתף שטרן במדיה החברתית כי צוות המדע של האופקים החדשים נפגש. אבל, בנפרד, קבוצה אחרת מתחילה לדבר על משימה הבאה אפשרית לפלוטו.

כמה סצינות מהסדנה של פלוטו המשך במשימה ביוסטון אתמול. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

- AlanStern (@AlanStern) 25 באפריל 2017

השגת חללית לאזורים החיצוניים של מערכת השמש שלנו במהירות האפשרית מספקת אתגרים, במיוחד ביכולת היכולת להאט מספיק כדי לאפשר מעבר למסלול סביב פלוטו. עבור האופקים החדשים המהירים והקלילים, משימה מסלולית הייתה בלתי אפשרית.

איזו מערכת הנעה עשויה לאפשר משימת מסלול ו / או נחתת פלוטו?

כמה רעיונות נזרקים.

מערכת השקת חלל

מושג אחד מנצל את מערכת ההשקה הגדולה והחדשנית של נאס"א (SLS), הנמצאת כעת בפיתוח כדי לאפשר משימות אנושיות למאדים. נאס"א מתארת ​​את ה- SLS כ"מיועד להיות גמיש וניתן להתפתח ויפתח אפשרויות חדשות לעומסי מטען, כולל משימות מדעיות רובוטיות. " אפילו גרסת הבלוק 1 הראשונה יכולה לשגר 70 טון מטרי (גרסאות מאוחרות יותר יוכלו להעלות עד 130 טון מטרי.) בלוק 1 יופעל על ידי שני מאיצי רקטות מוצקים של חמישה קטעים וארבעה מנועי דלק נוזליים, עם 15% מוצעים. דחף יותר בשיגור מאשר רקטות שבתאי V ששלחו אסטרונאוטים לירח.

אך משימת מסלול לפלוטו עשויה לא להיות השימוש הטוב ביותר ב- SLS בלבד.

דרוש הרבה דלק כדי להאיץ רכב במהירות מספקת מספיק כדי להגיע לפלוטו בפרק זמן סביר. לדוגמה, New Horizons הייתה החללית המהירה ביותר ששוגרה אי פעם, תוך שימוש ברקטת אטלס V מרופדת עם דחיפות נוספות, היא ביצעה כוויה גדולה כאשר New Horizons עזב את מסלול כדור הארץ. החללית הקלה התרחקה מכדור הארץ במהירות של 36,000 מיילים לשעה (כ 58,000 קמ"ש), ואז השתמשה בסיוע כוח משיכה של יופיטר כדי להגביר את המהירות של New Horizons ל 52,000 קמ"ש (83,600 קמ"ש), כשהוא נוסע כמעט מיליון מיילים ( 1.5 מיליון ק"מ) ביום במסע של 3 מיליארד ק"מ (4.8 מיליארד ק"מ) לפלוטו. הטיסה ארכה תשע וחצי שנים.

"כדי להיכנס למסלול פלוטו, רכב [כמו SLS] יצטרך להגביר עד לאותה מהירות, ואז להסתובב ולהאט בחצי מהנסיעה כדי להגיע לפלוטו עם מהירות נטו של אפס ביחס לכוכב הלכת," הסביר סטיבן פלמינג. , משקיע במספר חברות סטארט-אפ הכוללות חלל כולל XCOR תעופה וחלל, משאבים פלנטריים ו- NanoRacks. "למרבה הצער, בגלל העריצות של משוואת הטילים, היית צריך לשאת את כל הדלק / הנעה כדי להאט אתך בעת השיגור ... מה שאומר להאיץ את המסלול וכל הדלק הזה בשלב הראשוני. זה דורש לוגריתמית יותר דלק לצורך הכוויה הראשונית, ומתברר שזה הרבה דלק. "

פלמינג אמר למגזין Space כי באמצעות השימוש ב- SLS המגלגל מיליארדי הדולרים לשיגור מסלול פלוטו, תביא בסופו של דבר לשיגור עומס שלם מלא במונע דלק רק כדי להאיץ ולהאיט מסלול פלוטו זעיר.

"זו משימה יקרה במיוחד," אמר.

הנעה של RTG-Ion

אפשרות טובה יותר יכולה להיות להשתמש במערכת הנעה של טכנולוגיות משולבות. שטרן הזכיר מחקר של נאס"א שהתייחס לשימוש ב- SLS ככלי השיגור וכדי להגביר את החללית לכיוון פלוטו, אך לאחר מכן השתמש במנוע יון המופעל על ידי RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) כדי להפסיק מאוחר יותר להגיע למסלול.

מכשיר RTG מייצר חום מהתפרקות טבעית של פלוטוניום 238 שאינו נשק. החום מומר לחשמל. מנוע יון RTG יהיה מערכת הנעה יונית חזקה יותר ממנוע היונים החשמלי השמש הנוכחי בחללית השחר, המקיף כעת את סרס בחגורת האסטרואידים, ובנוסף הוא יאפשר הפעלה במערכת השמש החיצונית, הרחק מהשמש. מנוע יון גרעיני מונע זה יאפשר לחללית מהירה להאט ולהיכנס למסלול.

"ה- SLS היה מגביר אותך לטוס לפלוטו," אמר שטרן, "ולמעשה ייקח שנתיים לבצע את הבלימה בהנעת יונים."

שטרן אמר שזמן הטיסה למשימה כזו לפלוטו יהיה שבע וחצי שנים, שנתיים מהירות יותר מ- New Horizons.

הנעת היתוך

אולם האפשרות המרגשת ביותר עשויה להיות משימה המוצעת באמצעות היתוך פלוטו אורביטר ולנדרר שנמצאת כעת תחת מחקר שלב 1 במושגים החדשניים המתקדמים של נאס"א (NIAC).

ההצעה משתמשת במנוע Direct Fusion Drive (DFD) שיש לו הנעה וכוח במכשיר משולב אחד. DFD מספק דחף גבוה המאפשר זמן טיסה של כ -4 שנים לפלוטו, ובנוסף מסוגל לשלוח מסה משמעותית למסלול, אולי בין 1000 ל 8000 ק"ג.

DFD מבוסס על כור היתוך פרינסטון שדה הפוך (PFRC) שנמצא בפיתוח מזה 15 שנה במעבדה לפיזיקה בפלזמה של פרינסטון.

אם מערכת ההנעה הזו עובדת כמתוכנן, היא יכולה לשגר מסלול פלוטו ונחתת (או אולי רובר), ולספק מספיק כוח לתחזק מסלול וכל כליו, כמו גם להקציף כוח רב לנחת. זה יאפשר לרכב השטח להקרין את הווידיאו למסלול, מכיוון שיהיה לו כל כך הרבה כוח, על פי סטפני תומאס, מפרינסטון לוויני מערכות, בע"מ, המובילה את מחקר NIAC.

"הרעיון שלנו מתקבל בדרך כלל כ'וואו, זה נשמע ממש מגניב! מתי אוכל להשיג כזה? '"תומאס אמר למגזין החלל. היא אמרה שהיא והצוות שלה בחרו בהצעתם יישום אבטיפוס של פלוטו ומסלול נחת, מכיוון שזו דוגמה נהדרת למה שניתן לעשות עם רקטת היתוך.

מערכת ההיתוך שלהם משתמשת במערך לינארי קטן של סלילי סולנואיד, והדלק שלהם לפי בחירה הוא Deuterium Helium 3, שיש לו ייצור נויטרונים נמוך מאוד.

"זה מתאים לחללית, זה מתאים לרכב שיגור," הסביר תומאס בשיחת סימפוזיון של NIAC (שיחתה מתחילה בערך בשעה 17:30 בסרטון המקושר). "אין ליתיום, או חומרים מסוכנים אחרים. הוא מייצר מעט מאוד חלקיקים מזיקים. זה בערך בגודל של מיניוואן או משאית קטנה. המערכת שלנו זולה ומהירה יותר לפיתוח מאשר הצעות היתוך אחרות. "

צוות פרינסטון הצליח לייצר קטניות של 300 אלפיות השנייה עם ניסוי חימום הפלזמה שלהם, סדרי גודל טובים יותר מכל מערכת אחרת.

"המכשול הגדול ביותר הוא המיזוג עצמו," אמרה. "עלינו לבנות ניסוי גדול יותר כדי לסיים את הוכחת שיטת החימום החדשה, שתדרוש סדר גודל גדול יותר משאבים ממה שהפרויקט קיבל עד כה ממחלקת האנרגיה," אמר תומאס באמצעות אימייל. "עם זאת, זה עדיין קטן בתכנית הגדולה של פרויקטים טכנולוגיים מתקדמים, כ- 50 מיליון דולר."

תומאס אמר כי DARPA השקיע הרבה יותר ביוזמות טכנולוגיות רבות שבסופו של דבר בוטלו. וזה גם הרבה פחות ממה שטכנולוגיות היתוך אחרות דורשות לאותו שלב של מחקר, מכיוון שהמכונה שלנו כל כך קטנה ובעלת תצורת סליל פשוטה. " (תומאס אמר שתסתכל על התקציב של ITER, המחקר הבינלאומי לאיחוי גרעיני והנדסה בינלאומי, שעובר כיום מעל 20 מיליארד דולר).

"במילים פשוטות, אנו יודעים שהשיטה שלנו מחממת אלקטרונים ממש טוב ויכולה להיחלץ לחימום יוני, אך עלינו לבנות אותה ולהוכיח אותה," אמרה.

תומאס וצוותה עובדים כעת על טכנולוגיית "איזון המפעל" - מערכות המשנה אשר יידרשו להפעיל את המנוע בחלל, בהנחה ששיטת החימום תעבוד כפי שנצפה כרגע.

מבחינת משימת פלוטו עצמה, תומאס אמר כי אין מכשולים מיוחדים במסלול עצמו, אך זה כרוך בהרחבה של כמה טכנולוגיות בכדי לנצל את כמות הכוח הגדולה מאוד הזמינה, כמו למשל התקשורת האופטית.

"נוכל להקדיש לייזר תקשורת עשרות קילוואט או יותר כוח, ולא 10 וואט, [כמו משימות נוכחיות]", אמרה. תכונה ייחודית נוספת של הרעיון שלנו היא היכולת להקצות כוח רב לנחת. זה יאפשר כיתות חדשות של מכשירים מדעיים פלנטריים כמו מקדחות עוצמתיות. הטכנולוגיה לעשות זאת קיימת אך צריך לתכנן ולבנות את המכשירים הספציפיים. טכנולוגיה נוספת שתידרש לפיתוח בתעשיות שונות הן רדיאטורים בחלל קל, חוטי מוליך-על מהדור הבא, ואחסון קריוגני לטווח ארוך לדלק הדויטריום. "

תומאס אמר כי המחקר שלהם ב- NIAC מתנהל כשורה.

"נבחרנו למחקר שלב II ב- NIAC ונמצאים כעת במשא ומתן על חוזים", אמרה. "אנו עסוקים בעבודה על דגמי נאמנות גבוהה יותר של דחף המנוע, בעיצוב רכיבי מסלול המידות, ולגודל את מערכות המשנה השונות, כולל סלילי המוליכים העל," אמרה. "ההערכות הנוכחיות שלנו הן שמנוע יחיד עד 10 מגה-ואט מייצר ייצר בין דחף של 5 ל -50 N, במהירות דחף ספציפית של 10,000 שניות."

מיפוי לייזר לפלוטו

אפשרות נוספת להנעה עתידנית היא המערכות מבוססות הלייזר שהציע יורי מילנר להצעת "Breakthrough Starshot" שלו, בהן ניתן יהיה למפות לייזר על כדור הארץ קוביות קטנות קטנות, בעצם חללית "מיפוי באגים" כדי להגיע למהירויות מדהימות (אולי מיליוני מיילים / קמ"ש לשעה) ) לבקר במערכת השמש החיצונית או מעבר לה.

"לא באמת נמצא בכרטיסים להשתמש בטכנולוגיה מסוג זה, מכיוון שנצטרך לחכות עשרות שנים רק כדי שזה יתפתח", אמר שטרן. "אבל אם היית יכול לשלוח חלליות קלות ולא יקרות במהירויות כמו עשירית במהירות האור על בסיס לייזרים מכדור הארץ. נוכל לשלוח את החללית הקטנה הזו למאות או אלפי חפצים בחגורות קויפר, ואתה תהיה שם בחוץ של יומיים וחצי. אתה יכול לשלוח חללית על פני פלוטו בכל יום. זה באמת ישתנה במשחק. "

העתיד הריאליסטי

אך גם אם כולם מסכימים שיש לבצע מסלול פלוטו, התאריך המוקדם ביותר למשימה כזו הוא מתישהו בין תחילת שנות העשרים לתחילת 2030. אך הכל תלוי בהמלצות שהוצגו בסקר העשירונים הבא של הקהילה המדעית, אשר יציעו את המשימות העדיפות ביותר עבור חטיבת המדע הפלסטיני של נאס"א.

סקרי Decadal אלה הם "מפת דרכים" של 10 שנים שקובעות סדרי עדיפויות מדעיים ומספקים הנחיות לאן נאס"א צריכה לשלוח חלליות ואילו סוגי משימות עליהן להיות. סקר Decadal האחרון פורסם בשנת 2011 וזה קבע את סדר העדיפויות של מדעי הפלנטה עד שנת 2022. הסבירה הבאה, לשנים 2023-2034, תפורסם ככל הנראה בשנת 2022.

המשימה של "אופקים חדשים" הייתה תוצאה של ההצעות מסקר Decadal מדע פלנטרי משנת 2003, שם אמרו מדענים כי ביקור במערכת פלוטו ובעולמות שמעבר להם הוא יעד בראש סדר העדיפויות.

לכן, אם אתה חולם על מסלול פלוטו, המשך לדבר על זה.