I decennier kunde vi bara föreställa oss vad utsikten mot Plutos yta kan vara. Nu har vi den verkliga saken.
Bilderna och uppgifterna från New Horizons uppdragsflygning av Pluto i juli 2015 visade oss en oväntat fantastisk och geologiskt aktiv värld. Forskare har använt ord som 'magisk', 'hisnande' och 'vetenskapligt underland' för att beskriva den efterlängtade närbildsbilden från fjärran Pluto.
Trots att forskare fortfarande analyserar uppgifterna från New Horizons, börjar idéer formuleras om att skicka ett annat rymdskepp till Pluto, men med ett långsiktigt orbiteruppdrag istället för en snabb flyby.
"Nästa lämpliga uppdrag till Pluto är en orbiter, kanske utrustad med en lander om vi hade tillräckligt med medel för att göra båda," berättade New Horizons huvudutredare Alan Stern till Space Magazine i mars.
Denna vecka har Stern delat på sociala medier att New Horizons vetenskapsteam träffas. Men separat börjar en annan grupp prata om ett eventuellt nästa uppdrag till Pluto.
Några scener från Pluto Follow On Mission-verkstaden i Houston igår. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 april 2017
Att få ett rymdskepp till de yttre regionerna i vårt solsystem så snabbt som möjligt ger utmaningar, särskilt när vi kan bromsa tillräckligt för att göra det möjligt att gå in i omloppsbana runt Pluto. För de snabba och lätta New Horizons var ett orbitaluppdrag omöjligt.
Vilket framdrivningssystem kan möjliggöra ett Pluto orbiter- och / eller landeruppdrag?
Några idéer kastas runt.
Rymdlanseringssystem
Ett koncept drar nytta av NASA: s stora, nya Space Launch System (SLS), för närvarande under utveckling för att möjliggöra mänskliga uppdrag till Mars. NASA beskriver SLS som "utformad för att vara flexibel och utvecklingsbar och kommer att öppna nya möjligheter för nyttolast, inklusive robotvetenskapliga uppdrag." Till och med den första Block 1-versionen kan lansera 70 ton (senare versioner kan kanske lyfta upp till 130 ton.) Block 1 kommer att drivas av två femsegment solida raketförstärkare och fyra flytande drivmotorer, med föreslagna 15% mer kraft vid lanseringen än Saturn V-raketerna som skickade astronauter till månen.
Men ett orbiteruppdrag till Pluto är kanske inte den bästa användningen av SLS ensam.
Det tar mycket bränsle för att påskynda ett fordon till tillräckligt snabb hastighet för att komma till Pluto på rimlig tid. Exempelvis var New Horizons det snabbaste rymdskeppet som någonsin lanserats, med hjälp av en uppvärmd Atlas V-raket med extra boosters, gjorde den en stor brännskada när New Horizons gick ut från jorden omloppsbana. Det lätta rymdskeppet rusade bort från jorden med 36 000 miles per timme (cirka 58 000 km / timme) och använde sedan en tyngdkraftsassistans från Jupiter för att öka New Horizons hastighet till 52 000 km / h (83 600 km / h) och resa nästan en miljon mil ( 1,5 miljoner km) om dagen i sin 4,8 miljarder km långa resa till Pluto. Flyget tog nio och ett halvt år.
"För att komma in i Pluto-bana måste ett fordon [som SLS] öka upp till samma hastighet och sedan vända och bromsa ner halva resan för att komma fram till Pluto med en nettohastighet på noll i förhållande till planeten," förklarade Stephen Fleming , en investerare i flera alt-space-startups inklusive XCOR Aerospace, Planetary Resources och NanoRacks. ”Tyvärr, på grund av raketekvationens tyranni, skulle du behöva bära allt bränsle / drivmedel för att bromsa med dig vid lanseringen ... vilket innebär att accelerera orbiterna och allt det bränslet i den inledande fasen. Det kräver logaritmiskt mer bränsle för den första bränningen, och det visar sig vara mycket bränsle. ”
Fleming berättade för Space Magazine att du använder SLS med flera miljarder dollar för att lansera en Pluto-orbiter, och du skulle avveckla en ny nyttolast full av drivmedel bara för att påskynda och bromsa en liten Pluto-orbiter.
"Det är ett utomordentligt dyrt uppdrag," sade han.
RTG-Ion-framdrivning
Ett bättre alternativ kan vara att använda ett framdrivningssystem med kombinerad teknik. Stern nämnde en NASA-studie som såg på att använda SLS som lanseringsfordon och för att öka rymdskeppet mot Pluto, men sedan använda en RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) driven jonmotor för att senare bromsa för en orbital ankomst.
En RTG producerar värme från det naturliga förfallet av icke-vapenklass plutonium-238, och värmen omvandlas till elektricitet. En RTG-jonmotor skulle vara ett kraftfullare jonframdrivningssystem än den nuvarande solelektriska jonmotorn på rymdskeppet Dawn, som nu kretsar kring Ceres, i asteroidbältet, plus det skulle möjliggöra drift i det yttre solsystemet, långt från solen. Denna kärnkraftsdrivna jonmotor skulle göra det möjligt för ett snabbt rymdskepp att bromsa ner och gå i omloppsbana.
"SLS skulle öka dig att flyga ut till Pluto," sade Stern, "och det skulle faktiskt ta två år att göra bromsningen med jonframdrivning."
Stern sa att flygtiden för ett sådant uppdrag till Pluto skulle vara sju och ett halvt år, två år snabbare än New Horizons.
Fusion Propulsion
Men det mest spännande alternativet kan vara ett föreslaget Fusion-aktiverat Pluto Orbiter- och Lander-uppdrag för närvarande under en fas 1-studie i NASA: s Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Förslaget använder en Direct Fusion Drive (DFD) -motor som har framdrivning och kraft i en integrerad enhet. DFD tillhandahåller hög drivkraft för att möjliggöra en flygtid på cirka 4 år till Pluto, plus att kunna skicka en betydande massa till bana, kanske mellan 1000 och 8000 kg.
DFD är baserat på Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) fusionsreaktor som har utvecklats i 15 år på Princeton Plasma Physics Laboratory.
Om detta framdrivningssystem fungerar som planerat kan det starta en Pluto orbiter och en lander (eller eventuellt en rover) och ge tillräckligt med kraft för att upprätthålla en orbiter och alla dess instrument, samt stråla mycket kraft till en lander. Det skulle göra det möjligt för ytfordonet att stråla tillbaka video till omloppsbanan eftersom det skulle ha så mycket kraft, enligt Stephanie Thomas från Princeton Satellite Systems, Inc., som leder NIAC-studien.
”Vårt koncept mottas generellt som” wow, det låter riktigt coolt! När kan jag få en? ", Sa Thomas till Space Magazine. Hon sa att hon och hennes team valde en prototyp Pluto orbiter och landeruppdrag i sitt förslag eftersom det är ett bra exempel på vad som kan göras med en fusionsraket.
Deras fusionssystem använder en liten linjär uppsättning solenoidspolar, och deras bränsle som valts är deuterium helium 3, som har mycket låg neutronproduktion.
"Det passar på ett rymdskepp, det passar på ett lanseringsfordon," förklarade Thomas i ett NIAC-symposiumprat (hennes föredrag börjar cirka 17:30 i den länkade videon). "Det finns inget litium eller andra farliga material, det producerar mycket få skadliga partiklar. Det handlar om storleken på en minivan eller liten lastbil. Vårt system är billigare och snabbare att utveckla än andra fusionsförslag. ”
Princeton-teamet har kunnat producera 300 millisekund pulser med sitt plasmauppvärmningsexperiment, beställningar av storleken bättre än något annat system.
"Det största hinderet är fusionen själv," sade hon. "Vi måste bygga ett större experiment för att avsluta att bevisa den nya uppvärmningsmetoden, som kommer att kräva en storleksordning mer resurser än projektet har fått från Energidepartementet hittills," sa Thomas via e-post. "Det är dock fortfarande litet i det stora schemat för avancerade teknikprojekt, cirka 50 miljoner dollar."
Thomas sa att DARPA har spenderat mycket mer på många teknikinitiativ som slutade avbrytas. Och det är också mycket mindre än andra fusionstekniker kräver för samma forskningssteg, eftersom vår maskin är så liten och har en enkel spolkonfiguration. " (Thomas sa att titta på budgeten för ITER, den internationella kärnfusionsforskningen och teknikmegaprojektet, som för närvarande går över 20 miljarder dollar).
"För att uttrycka det enkelt, vi vet att vår metod värmer elektroner riktigt bra och kan extrapolera till uppvärmning av joner, men vi måste bygga den och bevisa den," sa hon.
Thomas och hennes team arbetar för närvarande med "balance of plant" -teknologin - de delsystem som kommer att krävas för att driva motorn i rymden, förutsatt att värmemetoden fungerar som för närvarande förutspådd.
När det gäller själva Pluto-uppdraget sa Thomas att det inte finns några speciella hinder på själva omloppsbotten, men det skulle innebära att man skalar upp några tekniker för att dra nytta av den mycket stora mängden tillgängliga kraft, till exempel optisk kommunikation.
”Vi kunde ägna tiotals eller mer kW kraft till kommunikationslaser, inte 10 watt, [som nuvarande uppdrag]” sa hon. ”En annan unik funktion i vårt koncept är att kunna stråla mycket kraft till en lander. Detta skulle möjliggöra nya klasser av planetvetenskapliga instrument som kraftfulla borrar. Tekniken för att göra detta finns men de specifika instrumenten måste utformas och byggas. Ytterligare teknik som kommer att behövas som håller på att utvecklas inom olika branscher är lätta rumsradiatorer, nästa generations superledande ledningar och långvarig kryogen lagring för deuteriumbränslet. ”
Thomas sa att deras NIAC-forskning går bra.
"Vi valdes ut för NIAC fas II-studien och håller på att förhandla om kontrakt nu", sa hon. "Vi är upptagna med att arbeta med högre trovärdighetsmodeller av motorns drivkraft, designa delar av banan och dimensionera de olika delsystemen, inklusive superledande spolar," sade hon. "Våra nuvarande uppskattningar är att en enda motor på 1 till 10 MW kommer att producera mellan 5 och 50 N drivkraft, med ungefär 10 000 sek impuls."
Laserzappning till Pluto
En annan futuristisk framdrivningsmöjlighet är de laserbaserade systemen som Yuri Milner föreslog för sitt Breakthrough Starshot-förslag, där små kuber kan tappas av lasrar på jorden, i princip "bug zapping" rymdskepp för att nå otroliga hastigheter (möjligen miljoner miles / km per timme ) för att besöka det yttre solsystemet eller därefter.
"Det ligger inte riktigt i korten för oss att använda den här typen av teknik, eftersom vi måste vänta i decennier bara för att detta ska utvecklas," sade Stern. ”Men om du skulle kunna skicka lätta, billiga rymdfarkoster med hastigheter som en tiondel ljusets hastighet baserat på lasrar från jorden. Vi kunde skicka dessa lilla rymdfarkoster till hundratals eller tusentals föremål i Kuiper-bälten, och du skulle vara där ute inom två och en halv dag. Du kan skicka ett rymdskepp förbi Pluto varje dag. Det skulle verkligen förändra spelet. ”
Den realistiska framtiden
Men även om alla håller med om att en Pluto-orbiter bör göras, är det tidigast möjliga datumet för ett sådant uppdrag någon gång mellan början av 2020-talet och början av 2030-talet. Men allt beror på rekommendationerna från vetenskapssamhällets nästa decadalundersökning, som kommer att föreslå de mest prioriterade uppdragen för NASA: s planetary science division.
Dessa decadalundersökningar är 10-åriga "färdplaner" som fastställer vetenskapliga prioriteringar och ger vägledning om var NASA ska skicka rymdskepp och vilka typer av uppdrag de ska vara. Den sista decadalundersökningen publicerades 2011 och den fastställde planetvetenskapliga prioriteringar fram till 2022. Den nästa, för 2023-2034, kommer troligen att publiceras 2022.
Uppdraget i New Horizons var resultatet av förslagen från 2003 års planetvetenskap Decadal Survey, där forskare sa att besöka Pluto-systemet och världar bortom var en prioriterad destination.
Så om du drömmer om en Pluto orbiter, fortsätt att prata om det.
