Wat als we de mogelijkheid hadden om interstellaire objecten te achtervolgen die door ons zonnestelsel gaan, zoals 'Oumuamua of komeet Borisov? Zo'n ruimtevaartuig zou in een oogwenk klaar moeten zijn om te vertrekken, met het vermogen om de snelheid te verhogen en snel van richting te veranderen.

Dat is het idee achter een nieuw missieconcept genaamd de Extrasolar Object Interceptor en Sample Return-ruimtevaartuigen. Het heeft verkennende financiering ontvangen van NASA via zijn programma Innovative Advanced Concepts (NIAC).

"Het terugbrengen van monsters van deze objecten zou onze kijk op het universum en onze plaats daarin fundamenteel kunnen veranderen, " zegt Christopher Morrison, een ingenieur van de Ultra Safe Nuclear Corporation-Tech (USNC-Tech) die het voorstel bij NIAC heeft ingediend.

Het concept dat Morrison en zijn team voorstellen, is een ruimtevaartuig met radio-isotoop-elektrische voortstuwing dat vertrouwt op Chargeable Atomic Battery (CAB)-technologie. een voedingssysteem dat USNC heeft ontwikkeld voor commercieel gebruik. De batterijen zijn compact en hebben een miljoen keer de energiedichtheid van geavanceerde chemische batterijen, evenals fossiele brandstoffen.

"Radio-isotopen hebben ongeveer dezelfde hoeveelheid totale energie opgeslagen in elk atoom, " legde Morrison uit. "Hoe snel ze die energie vrijgeven, hangt af van de halfwaardetijd. Pu-238 heeft een halfwaardetijd van 88 jaar, geweldig voor lange missies naar het buitenste zonnestelsel. De CAB-batterijen die we bij USNC-Tech ontwikkelen, hebben kortere halfwaardetijden en hebben een hogere vermogensdichtheid. In de NIK, we gebruiken een radio-isotoop met een halfwaardetijd van vijf jaar en een vermogensdichtheid van meer dan 30 keer die van Plutonium-238 (Pu-238).

Pu-238 is de gebruikelijke kernenergie van NASA voor zijn ruimtevaartuig. Het is gebruikt voor meer dan twintig zeer succesvolle Amerikaanse ruimtemissies, zoals New Horizons, en de Curiosity and Perseverance Mars-rovers - voor hun radio-isotopenenergiesystemen (RPS).

Pu-238, staat echter voor enkele uitdagingen. Er kan slechts een beperkte hoeveelheid Pu-238 worden geproduceerd (slechts 400 gram per jaar op dit moment met een pad naar 50 ounce (1500 gram) in de komende jaren). Dit is net genoeg om te voldoen aan de toekomstige missiebehoeften van NASA voor zijn grote programma's.

Kleinere programma's en commerciële bedrijven staan ​​niet alleen voor uitdagingen vanwege de krapte op het aanbod, maar ook omdat Pu-238 wordt beschouwd als een speciaal nucleair materiaal met non-proliferatieproblemen. De radio-isotopen in de CAB-technologie zijn daarentegen commercieel van aard, in feite worden veel van hen intensief gebruikt in de medische industrie voor therapieën voor kankerbehandeling.

"CAB-batterijen in combinatie met elektrische aandrijving zouden heel eenvoudige systemen zijn, Morrison vertelde Universe Today. "Dit is allemaal bewezen technologie. De echte innovatie waarvan we profiteren, is de huidige regelgeving. vóór 2019, er was geen wettelijk kader voor commerciële bedrijven om kernenergie te gebruiken. Nu is het officieel goedgekeurd."

Presidentiële memo NPSN-20 in 2019 regisseerde het ministerie van Transport, en in het bijzonder de Federal Aviation Administration, om een ​​getrapt regelgevingssysteem te ontwikkelen dat commerciële bedrijven in staat zou stellen om nucleair aangedreven ruimtevaartuigen te lanceren.

Het voorstel van Morrison legt uit dat de "CAB gemakkelijker en goedkoper te produceren is dan Pu-238 en dat de veiligheidssituatie aanzienlijk wordt verbeterd door de inkapseling van radioactieve materialen door de CAB in een robuuste carbidematrix. Deze technologie is superieur aan splijtingssystemen voor deze toepassing omdat splijtingssystemen een kritische massa nodig hebben, terwijl radio-isotopensystemen veel kleiner kunnen zijn en op kleinere lanceersystemen passen, kosten en complexiteit verminderen."

Het door CAB aangedreven ruimtevaartuig, genaamd de "Extrasolar Express, " heeft een brandstofmassa van iets minder dan een ton. SpaceX's Falcon 9, in tegenstelling tot, kan meer dan 20 ton in een baan om de aarde brengen. Wat zou er gedaan worden met alle extra ruimte in het draagraket?

Morrison legt uit:"We kunnen een deel van die massa inruilen voor een extra snelheidsboost buiten de aarde. een deel van de extra massa kan worden gebruikt om de veiligheid te vergroten door een groot robuust schild op te nemen dat de radio-isotoop beschermt en ervoor zorgt dat zelfs het slechtste lanceringsongeval niet vrijkomt. Eenmaal in een hoge baan kan het schild worden uitgeworpen, en het ruimtevaartuig kan ongehinderd reizen op zijn missie."

Extrasolaire objecten nu ter plaatse

Voordat de twee ongewone en intrigerende interstellaire objecten in ons zonnestelsel op het toneel verschenen ("Oumuamua in 2017 en Borisov in 2019) hadden astronomen niet algemeen aangenomen dat rondzwervende indringers van andere sterrenstelsels routinematig zouden kunnen passeren. wetenschappers berekenen dat er elk jaar gemiddeld zeven van dergelijke objecten in de baan van de aarde passeren. Meer te weten komen over deze objecten is een aanlokkelijk vooruitzicht, sinds nu, het enige wat we kunnen doen is ze met telescopen bekijken terwijl ze langs ons razen.

"Deze objecten lijken redelijk dicht bij ons te komen, ' zei Morrison, "Het creëren van een missie om iemand in te halen is geen kwestie van afstand maar een kwestie van snelheid. Dat verandert de vergelijking in tegenstelling tot de meeste missies, die een lange levensduur nodig hebben. Dit is gewoon een snelheidsprobleem, omdat je het kunt onderscheppen en een monster kunt pakken en terug naar de aarde kunt gaan zolang je de delta v hebt om de missie te volbrengen."

Morrison legde het mogelijke missieplan uit voor de Extrasolar Object Interceptor en Sample Return:Lanceer het Interceptor-ruimtevaartuig in de richting van Jupiter en wacht tot een geschikt extrasolair object wordt gedetecteerd.

"Misschien moet je een jaar wachten, " hij zei, "maar wat er ook gebeurt, je zult waarschijnlijk een vliegtuigwissel moeten uitvoeren, omdat deze objecten niet binnenkomen op ons ecliptisch vlak. Het idee is om naar Jupiter te vliegen, hopelijk op een goede plek zijn om een ​​katapult rond Jupiter te maken om in hetzelfde vlak als het object te komen."

Het ruimtevaartuig kan qua grootte en massa vergelijkbaar zijn met de Dawn-missie, die ook elektrische voortstuwing gebruikte. Maar in plaats van Dawn's enorme zonnepanelen, de CAB zou voldoende stroom leveren om een ​​snel ruimtevaartuig te creëren. De Interceptor zou grote warmteafstotende radiatoren nodig hebben, die (zoals de zonnepanelen van Dawn) het grootste deel van het ruimtevaartuig zouden zijn.

De details van het Sample Return gedeelte worden nog uitgewerkt, maar misschien iets dat lijkt op het TAGSAM-monsteracquisitiesysteem dat wordt gebruikt door de OSIRIS-REx-missie.

"Ik beschouw mezelf meer als de "Scotty" van het ontwerpen van deze Interceptor-missie, maar ik zou een Spock halen om het wetenschappelijke gedeelte te helpen uitvogelen, ' Mompelde Morrison.

CAB's worden vervaardigd met behulp van niet-radioactieve materialen en vervolgens "opgeladen" in een stralingsveld om een ​​specifieke radio-isotoop te creëren. Morrison zei dat er veel verschillende radio-isotopen van belang zijn (bijvoorbeeld Cobalt-60 en Thulium-170) en dat de technologie kan worden aangepast aan de vermogensdichtheid en levensduur van een klant. Veel van de potentiële klanten van CAB-technologie zijn terrestrische bedrijven die naar toepassingen onder water of ondergronds kijken.

"De technologie wordt op korte termijn gepionierd voor watt-schaal maanverwarmingstoepassingen, maar het NIAC-voorstel vertegenwoordigt de sportievere versie van de technologie."

Het NIAC-programma beschouwt zichzelf als het koesteren van visionaire ideeën die toekomstige NASA-missies zouden kunnen transformeren met het creëren van doorbraken, terwijl vernieuwers en ondernemers als partners worden betrokken. Zelfs als de Extrasolar Object Interceptor en Sample Return het nooit halen als een "echte" missie, Morrison en USNC zullen blijven werken om van hun CAB een levensvatbare energiebron voor zowel de aarde als de ruimte te maken.

"Ik ben enorm dankbaar dat we NIAC-financiering hebben ontvangen, ' zei Morrison, "Ons bedrijf investeert al ons eigen geld in deze technologie. We willen dat de CAB de Duracell-batterij van de toekomst wordt voor alles wat onmogelijk lijkt, zoals langdurige ruimtemissies, of in afgelegen omgevingen op aarde."

Naast CAB-batterijen, het USNC-bedrijf heeft andere nucleaire technologieën ontwikkeld. "Radio-isotopen die in CAB's worden gebruikt, zijn hete rotsen die gedurende een lange periode consistente warmte produceren. Een splijtingsreactor is een ander type nucleaire technologie die kan worden in- en uitgeschakeld, op en neer", legt Chris uit. USNC ontwikkelt een kleine modulaire kernsplijtingsreactor voor gebruik in het Canadese Noordpoolgebied en dit project is de belangrijkste focus van de inspanningen van het bedrijf.

"Canada besteedt vele honderden miljoenen per jaar aan diesel voor generatoren om hun kleine steden in afgelegen gebieden van stroom te voorzien. ' zei Morrison, "en ze willen echt overstappen op het gebruik van kleine modulaire reactoren."

Het blijkt dat energiesystemen die goed werken voor afgelegen locaties op aarde, goed zijn voor afgelegen locaties in de ruimte, te. UNSC-Tech, waar Morrison werkt, is een dochteronderneming van USNC gericht op de lucht- en ruimtevaartindustrie en geavanceerde terrestrische systemen. USNC-Tech ontwikkelt splijtingsvoortstuwingstechnologie met NASA en DARPA, evenals een maan- en Marsreactor die de "Pylon-reactor" wordt genoemd.

"USNC-Tech ontwerpt de 'LEGO'-stenen voor nucleaire technologie in de ruimte. Ruimtemissies zouden dezelfde fundamentele aardse technologie gebruiken die in een andere configuratie is gerangschikt om dappere nieuwe dingen op nieuwe plaatsen te bereiken, Morrison legde uit. "De Extra Solar Express NIAC is echter waarschijnlijk mijn favoriet."