Al decenia, we konden ons alleen maar voorstellen hoe het uitzicht op Pluto's oppervlak zou kunnen zijn. Nutsvoorzieningen, we hebben het echte werk.

De beelden en gegevens van de New Horizons-missie langs Pluto in juli 2015 lieten ons een onverwacht verbluffende en geologisch actieve wereld zien. Wetenschappers hebben woorden gebruikt als 'magisch, ' 'adembenemend' en 'wetenschappelijk wonderland' om de langverwachte close-upbeelden van het verre Pluto te beschrijven.

Hoewel wetenschappers nog steeds de gegevens van New Horizons analyseren, ideeën beginnen te formuleren over het sturen van een ander ruimtevaartuig naar Pluto, maar met een lange-termijn-orbiter-missie in plaats van een snelle vlucht.

"De volgende geschikte missie naar Pluto is een orbiter, misschien uitgerust met een lander als we genoeg geld hadden om beide te doen, "New Horizons' hoofdonderzoeker Alan Stern vertelde Universe Today in maart.

Deze week, Stern heeft op sociale media gedeeld dat het wetenschapsteam van New Horizons bijeenkomt. Maar, afzonderlijk, een andere groep begint te praten over een mogelijke volgende missie naar Pluto.

Enkele scènes uit de Pluto Follow On Mission-workshop in Houston gisteren. #TheFutureIsBright #Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

— AlanStern (@AlanStern) 25 april 2017

Maar om een ​​ruimtevaartuig zo snel mogelijk naar de buitenste regionen van ons zonnestelsel te krijgen, biedt uitdagingen, vooral omdat ze voldoende kunnen vertragen om in een baan rond Pluto te komen. Voor de snelle en lichtgewicht New Horizons, een orbitale missie was onmogelijk.

Welk voortstuwingssysteem zou een Pluto-orbiter- en/of landermissie mogelijk maken?

Er worden wat ideeën rondgestrooid.

Ruimtelanceringssysteem

Eén concept maakt gebruik van NASA's grote, nieuw Space Launch System (SLS), momenteel in ontwikkeling om menselijke missies naar Mars mogelijk te maken. NASA beschrijft de SLS als "ontworpen om flexibel en evolueerbaar te zijn en nieuwe mogelijkheden voor nuttige ladingen te openen, inclusief robotachtige wetenschappelijke missies." Zelfs de eerste versie van Blok 1 kan 70 ton lanceren (latere versies kunnen tot 130 ton optillen). , met een voorgestelde 15% meer stuwkracht bij de lancering dan de Saturn V-raketten die astronauten naar de maan stuurden.

Maar een orbitermissie naar Pluto is misschien niet het beste gebruik van de SLS alleen.

Er is veel brandstof nodig om een ​​voertuig te versnellen zodat het snel genoeg is om Pluto binnen een redelijke tijd te bereiken. Bijvoorbeeld, New Horizons was het snelste ruimtevaartuig ooit gelanceerd, met behulp van een opgevoerde Atlas V-raket met extra boosters, het voerde een grote brandwond uit toen New Horizons de baan om de aarde verliet. Het lichtgewicht ruimtevaartuig snelde weg van de aarde op 36, 000 mijl per uur (ongeveer 58, 000 km/uur), gebruikte toen een zwaartekrachthulp van Jupiter om de snelheid van New Horizons te verhogen tot 52, 000 mph (83, 600 km/u), reist bijna een miljoen mijl (1,5 miljoen km) per dag in zijn 3 miljard mijl (4,8 miljard km) reis naar Pluto. De vlucht duurde negen en een half jaar.

"Om de baan van Pluto binnen te gaan, een voertuig [zoals SLS] zou moeten opvoeren tot diezelfde snelheid, draai je dan om en vertraag voor de helft van de reis om bij Pluto aan te komen met een nettosnelheid van nul ten opzichte van de planeet, " legde Stephen Fleming uit, een investeerder in verschillende alt-space startups, waaronder XCOR Aerospace, Planetaire hulpbronnen en NanoRacks. "Helaas, vanwege de tirannie van de raketvergelijking, je zou alle brandstof / drijfgas moeten dragen om te vertragen bij de lancering ... wat betekent dat je de orbiter moet versnellen EN al die brandstof in de beginfase. Dat vereist logaritmisch meer brandstof voor de eerste verbranding, en het blijkt VEEL brandstof te zijn."

Fleming vertelde Universe Today dat het gebruik van de multi-miljard dollar SLS om een ​​Pluto-orbiter te lanceren, je zou eindigen met het lanceren van een hele lading vol drijfgas om een ​​kleine Pluto-orbiter te versnellen en te vertragen. "Dat is een buitengewoon dure missie, " hij zei.

RTG-ionenaandrijving

Een betere optie zou kunnen zijn om een ​​voortstuwingssysteem 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 stuwen, maar dan met behulp van een RTG (Radioisotope Thermo-elektrische Generator) aangedreven ionenmotor om later te remmen voor een orbitale aankomst.

Een RTG produceert warmte door 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, nu in een baan om Ceres, in de asteroïdengordel, plus het zou werking in het buitenste zonnestelsel mogelijk maken, ver van de zon. Deze nucleair aangedreven 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, "Stern zei, "en het zou eigenlijk twee jaar duren om te remmen met ionenaandrijving."

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-voortstuwing

Maar de meest opwindende optie is misschien een voorgestelde Fusion-Enabled Pluto Orbiter en Lander-missie die momenteel wordt uitgevoerd in een fase 1-studie 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 in staat zijn om substantiële massa naar een baan om de aarde te sturen, misschien tussen de 1000 en 8000 kg.

DFD is gebaseerd op de Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) fusiereactor die al 15 jaar in ontwikkeling is in het Princeton Plasma Physics Laboratory.

Als dit voortstuwingssysteem werkt zoals gepland, het zou een Pluto-orbiter en een lander (of mogelijk een rover) kunnen lanceren, en voldoende kracht leveren om een ​​orbiter en al zijn instrumenten te onderhouden, evenals veel kracht naar een lander sturen. Dat zou het oppervlaktevoertuig in staat stellen video terug te stralen naar de orbiter omdat het zoveel kracht zou hebben, volgens Stephanie Thomas van Princeton Satellite Systems, Inc., die het NIAC-onderzoek leidt.

"Ons concept wordt over het algemeen ontvangen als, 'Wauw, dat klinkt echt gaaf! Wanneer kan ik er een krijgen?'" vertelde Thomas aan Universe Today. Ze zei dat zij en haar team in hun voorstel een prototype Pluto-orbiter en lander-missie hadden gekozen omdat het een geweldig voorbeeld is van wat kan worden gedaan met een fusieraket.

Hun fusiesysteem maakt gebruik van een kleine lineaire reeks solenoïdespoelen, en hun favoriete brandstof is deuterium helium 3, die een zeer lage neutronenproductie heeft.

"Het past op een ruimtevaartuig, het past op een draagraket, Thomas legde uit in een NIAC-symposiumlezing (haar lezing begint omstreeks 17.30 uur in de gelinkte video). "Er is geen lithium, of andere gevaarlijke materialen, het produceert zeer 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 pulsen van 300 milliseconden kunnen produceren met hun plasmaverwarmingsexperiment, 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 orde van grootte meer middelen nodig zijn dan het project tot nu toe van het ministerie van Energie heeft ontvangen, Thomas zei via e-mail. "Echter, het is nog steeds klein in het grote geheel van geavanceerde technologieprojecten, ongeveer $ 50 miljoen."

Thomas zei dat DARPA veel meer heeft uitgegeven aan veel technologie-initiatieven die uiteindelijk zijn geannuleerd. En het is ook veel minder dan andere fusietechnologieën nodig hebben 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, loopt momenteel meer dan $ 20 miljard).

"Simpel gezegd, we weten dat onze methode elektronen heel goed verwarmt en kan extrapoleren naar verwarmingsionen, maar we moeten het bouwen en bewijzen, " ze zei.

Thomas en haar team werken momenteel aan de "balance of plant" -technologie - de subsystemen die nodig zijn om de motor in de ruimte te laten werken, ervan uitgaande dat de verwarmingsmethode werkt zoals momenteel voorspeld.

In termen van de Pluto-missie zelf, Thomas zei dat er geen specifieke hindernissen zijn op de orbiter zelf, maar het zou inhouden dat een paar technologieën worden opgeschaald om te profiteren van de zeer grote hoeveelheid beschikbare stroom, zoals de optische communicatie.

"We zouden tientallen of meer kW aan vermogen kunnen besteden aan de communicatielaser, geen 10 watt, [zoals huidige missies]", zei ze. "Een ander uniek kenmerk van ons concept is dat we veel kracht naar een lander kunnen sturen. Dit zou nieuwe klassen van planetaire wetenschappelijke instrumenten mogelijk maken, zoals krachtige oefeningen. De technologie om dit te doen bestaat, maar de specifieke instrumenten moeten worden ontworpen en gebouwd. Aanvullende technologie die nodig zal zijn die in verschillende industrieën in ontwikkeling is, zijn lichtgewicht ruimteradiatoren, supergeleidende draden van de volgende generatie, en langdurige cryogene opslag voor de deuteriumbrandstof."

Thomas zei dat hun NIAC-onderzoek goed verloopt.

"We zijn geselecteerd voor de NIAC Fase II-studie, en zijn nu in contractonderhandelingen, "zei ze. "We zijn druk bezig met het werken aan betrouwbaardere modellen van de stuwkracht van de motor, het ontwerpen van onderdelen van het traject, en dimensionering van de verschillende subsystemen, inclusief de supergeleidende spoelen, "zei ze. "Onze huidige schattingen zijn dat een enkele motor van 1 tot 10 MW tussen de 5 en 50 N stuwkracht zal produceren, om ongeveer 10, 000 sec specifieke impuls."

Laserzappen naar Pluto

Een andere futuristische voortstuwingsmogelijkheid zijn de op laser gebaseerde systemen die Yuri Milner voorstelt voor zijn Breakthrough Starshot-voorstel, waar kleine kubussen op aarde door lasers kunnen worden gezapt, in feite "bug-zappende" ruimtevaartuigen om ongelooflijke snelheden te bereiken (mogelijk miljoenen mijlen/km per uur) om het buitenste zonnestelsel of daarbuiten te bezoeken.

"Het zit niet in ons om dit soort technologie te gebruiken, omdat we tientallen jaren zouden moeten wachten om dit te ontwikkelen, "Zei Stern. "Maar als je lichtgewicht kon sturen, goedkope ruimtevaartuigen met snelheden zoals een tiende van de lichtsnelheid op basis van lasers van de aarde. We kunnen deze kleine ruimtevaartuigen naar honderden of duizenden objecten in de Kuipergordel sturen, en je zou daar zijn in een kwestie van twee en een halve dag. Je zou elke dag een ruimtevaartuig langs Pluto kunnen sturen. Dat zou echt een game changer zijn."

De realistische toekomst

Maar zelfs als iedereen het erover eens is dat er een Pluto-orbiter moet worden gemaakt, de vroegst mogelijke datum voor een dergelijke missie is ergens tussen het begin van de jaren 2020 en het begin van de jaren 2030. Maar het hangt allemaal af van de aanbevelingen van het volgende decenniumonderzoek van de wetenschappelijke gemeenschap, die 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 naartoe moet sturen en wat voor soort missies ze zouden moeten zijn. De laatste Decadal Survey werd gepubliceerd in 2011, en dat stelde prioriteiten voor 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 van 2003, waar wetenschappers zeiden dat het bezoeken van het Pluto-systeem en de werelden daarbuiten een topprioriteit was.

Dus, als je droomt van een Pluto-orbiter, blijf erover praten.