Per decenni, potremmo solo immaginare quale potrebbe essere la vista della superficie di Plutone. Ora abbiamo la cosa vera.
Le immagini e i dati del sorvolo della missione di New Horizons di Plutone nel luglio 2015 ci hanno mostrato un mondo inaspettatamente sbalorditivo e geologicamente attivo. Gli scienziati hanno usato parole come "magico", "mozzafiato" e "paese delle meraviglie scientifico" per descrivere le tanto attese viste ravvicinate del lontano Plutone.
Anche se gli scienziati stanno ancora analizzando i dati di New Horizons, le idee stanno iniziando a formulare sull'invio di un altro veicolo spaziale su Plutone, ma con una missione orbiter a lungo termine invece di un rapido sorvolo.
"La prossima missione appropriata per Plutone è un orbita, forse dotato di un lander se avessimo abbastanza fondi per fare entrambe le cose", ha detto a Space Magazine il principale investigatore di New Horizons Alan Stern a marzo.
Questa settimana, Stern ha condiviso sui social media che il team scientifico di New Horizons sta incontrando. Ma, separatamente, un altro gruppo sta iniziando a parlare di una possibile prossima missione su Plutone.
Ieri alcune scene del workshop Pluto Follow On Mission a Houston. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 aprile 2017
Portare un veicolo spaziale nelle regioni esterne del nostro sistema solare il più rapidamente possibile offre sfide, in particolare la capacità di rallentare abbastanza da consentire l'orbita attorno a Plutone. Per i New Horizons veloci e leggeri, una missione orbitale era impossibile.
Quale sistema di propulsione potrebbe rendere possibile una missione orbiter Pluto e / o lander?
Alcune idee vengono lanciate in giro.
Space Launch System
Un concetto sfrutta il grande e nuovo Space Launch System (SLS) della NASA, attualmente in fase di sviluppo per consentire missioni umane su Marte. La NASA descrive lo SLS come "progettato per essere flessibile ed evolutivo e aprirà nuove possibilità per i payload, incluse le missioni scientifiche robotiche". Anche la prima versione del Blocco 1 può lanciare 70 tonnellate (le versioni successive potrebbero essere in grado di sollevare fino a 130 tonnellate). Il Blocco 1 sarà alimentato da doppi booster solidi a cinque segmenti e quattro motori a propellente liquido, con una proposta del 15% più spinta al lancio rispetto ai razzi Saturno V che mandarono gli astronauti sulla Luna.
Ma una missione orbiter su Plutone potrebbe non essere il miglior uso di SLS da solo.
Ci vuole molto carburante per accelerare un veicolo a una velocità abbastanza veloce da raggiungere Plutone in un ragionevole lasso di tempo. Ad esempio, New Horizons è stata la navicella spaziale più veloce mai lanciata, utilizzando un missile Atlas V truccato con booster extra, ha provocato una grande bruciatura quando New Horizons ha lasciato l'orbita terrestre. La navicella spaziale leggera si allontanò dalla Terra a 36.000 miglia all'ora (circa 58.000 km / ora), quindi usò un aiuto di gravità di Giove per aumentare la velocità di New Horizons a 83.000 km / h, viaggiando per quasi un milione di miglia ( 1,5 milioni di km) al giorno nel suo viaggio di 3 miliardi di miglia (4,8 miliardi di km) verso Plutone. Il volo è durato nove anni e mezzo.
"Per entrare nell'orbita di Plutone, un veicolo [come SLS] dovrebbe aumentare fino alla stessa velocità, quindi girarsi e rallentare per metà del viaggio per arrivare a Plutone con una velocità netta di zero rispetto al pianeta", ha spiegato Stephen Fleming , un investitore in diverse startup nello spazio spaziale tra cui XCOR Aerospace, Planetary Resources e NanoRacks. “Sfortunatamente, a causa della tirannia dell'equazione del razzo, dovresti trasportare tutto il carburante / propellente per rallentare con te al lancio ... il che significa accelerare l'orbiter E tutto quel carburante nella fase iniziale. Ciò richiede logaritmicamente più carburante per l'ustione iniziale e risulta essere MOLTO carburante ".
Fleming ha detto a Space Magazine che usando la SLS multimiliardaria per lanciare un orbiter Pluto, finiresti per lanciare un intero carico utile pieno di propellente solo per accelerare e decelerare un piccolo orbiter Pluto.
"Questa è una missione straordinariamente costosa", ha detto.
Propulsione a ioni RTG
Un'opzione migliore potrebbe essere quella di utilizzare un sistema di propulsione di tecnologie combinate. Stern ha menzionato uno studio della NASA che ha esaminato l'utilizzo dell'SLS come veicolo di lancio e per potenziare il veicolo spaziale verso Plutone, ma poi l'utilizzo di un motore a ioni alimentato a RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) per frenare in seguito per un arrivo orbitale.
Un RTG produce calore dal decadimento naturale del plutonio non armato di grado 238 e il calore viene convertito in elettricità. Un motore a ioni RTG sarebbe un sistema di propulsione agli ioni più potente dell'attuale motore a ioni elettrico solare sulla navicella spaziale Dawn, ora in orbita attorno a Cerere, nella cintura di asteroidi, inoltre consentirebbe il funzionamento nel sistema solare esterno, lontano dal sole. Questo motore a ioni nucleari consentirebbe a un'astronave ad accelerare di rallentare e andare in orbita.
"Lo SLS ti incoraggerebbe a volare verso Plutone", ha detto Stern, "e in realtà ci vorrebbero due anni per frenare con la propulsione ionica".
Stern disse che il tempo di volo per una tale missione su Plutone sarebbe stato di sette anni e mezzo, due anni più veloce di New Horizons.
Propulsione a fusione
Ma l'opzione più interessante potrebbe essere una proposta proposta di missione Pluto Orbiter e Lander abilitata per fusione attualmente nell'ambito di uno studio di Fase 1 sugli Innovative Advanced Concepts (NIAC) della NASA.
La proposta utilizza un motore Direct Fusion Drive (DFD) che ha propulsione e potenza in un dispositivo integrato. DFD offre un'elevata spinta per consentire un tempo di volo di circa 4 anni a Plutone, oltre a essere in grado di inviare una notevole massa in orbita, forse tra 1000 e 8000 kg.
DFD si basa sul reattore a fusione a configurazione inversa di campo di Princeton (PFRC) che è stato in fase di sviluppo per 15 anni presso il laboratorio di fisica del plasma di Princeton.
Se questo sistema di propulsione funziona come previsto, potrebbe lanciare un orbiter Plutone e un lander (o possibilmente un rover) e fornire energia sufficiente per mantenere un orbiter e tutti i suoi strumenti, oltre a trasmettere molta potenza a un lander. Ciò consentirebbe al veicolo di superficie di trasmettere indietro i video all'orbita perché avrebbe così tanta potenza, secondo Stephanie Thomas di Princeton Satellite Systems, Inc., che sta conducendo lo studio NIAC.
"Il nostro concetto è generalmente accolto come" wow, sembra davvero fantastico! Quando posso averne uno? "" Thomas ha detto a Space Magazine. Ha detto che lei e il suo team hanno scelto un prototipo di orbiter Pluto e missione lander nella loro proposta perché è un ottimo esempio di cosa si può fare con un missile a fusione.
Il loro sistema di fusione utilizza un piccolo array lineare di bobine di solenoidi e il loro combustibile preferito è il deuterio elio 3, che ha una produzione di neutroni molto bassa.
"Si adatta a un veicolo spaziale, si adatta a un veicolo di lancio", ha spiegato Thomas in un discorso del simposio della NIAC (il suo discorso inizia alle 17:30 nel video collegato). "Non c'è litio o altri materiali pericolosi, produce pochissime particelle dannose. Ha le dimensioni di un minivan o di un piccolo camion. Il nostro sistema è più economico e più rapido da sviluppare rispetto ad altre proposte di fusione. "
Il team di Princeton è stato in grado di produrre impulsi di 300 millisecondi con il loro esperimento di riscaldamento al plasma, ordini di grandezza migliori di qualsiasi altro sistema.
"Il più grande ostacolo è la fusione stessa", ha detto. "Dobbiamo costruire un esperimento più grande per completare la dimostrazione del nuovo metodo di riscaldamento, che richiederà un ordine di grandezza in più di risorse rispetto a quanto il progetto ha ricevuto finora dal Dipartimento dell'Energia", ha detto Thomas via email. "Tuttavia, è ancora piccolo nel grande schema di progetti tecnologici avanzati, circa $ 50 milioni."
Thomas ha affermato che DARPA ha speso molto di più in molte iniziative tecnologiche che sono state cancellate. Ed è anche molto meno di quanto le altre tecnologie di fusione richiedano per la stessa fase di ricerca, dal momento che la nostra macchina è così piccola e ha una semplice configurazione a bobina ". (Thomas ha detto di dare un'occhiata al budget per ITER, il megaprogetto internazionale di ricerca e ingegneria sulla fusione nucleare, che attualmente gestisce oltre $ 20 miliardi).
"Per dirla semplicemente, sappiamo che il nostro metodo riscalda gli elettroni molto bene e può estrapolare gli ioni di riscaldamento, ma dobbiamo costruirlo e dimostrarlo", ha detto.
Thomas e il suo team stanno attualmente lavorando alla tecnologia "balance of plant" - i sottosistemi che saranno necessari per far funzionare il motore nello spazio, supponendo che il metodo di riscaldamento funzioni come previsto attualmente.
In termini della stessa missione di Plutone, Thomas ha detto che non ci sono particolari ostacoli sull'orbita stessa, ma implicherebbe il ridimensionamento di alcune tecnologie per sfruttare l'enorme quantità di energia disponibile, come le comunicazioni ottiche.
"Potremmo dedicare decine o più kW di potenza al laser di comunicazione, non 10 watt, [come le missioni attuali]", ha affermato. “Un'altra caratteristica unica del nostro concetto è la capacità di trasmettere molto potere a un lander. Ciò consentirebbe a nuove classi di strumenti di scienza planetaria come potenti esercitazioni. La tecnologia per farlo esiste ma gli strumenti specifici devono essere progettati e costruiti. La tecnologia aggiuntiva che sarà in fase di sviluppo in vari settori sono i radiatori spaziali leggeri, i cavi superconduttori di nuova generazione e lo stoccaggio criogenico a lungo termine per il combustibile al deuterio. "
Thomas ha detto che la loro ricerca sulla NIAC sta andando bene.
"Siamo stati selezionati per lo studio di fase II della NIAC e ora stiamo negoziando contratti", ha affermato. "Siamo impegnati a lavorare su modelli ad alta fedeltà della spinta del motore, progettando componenti della traiettoria e dimensionando i vari sottosistemi, comprese le bobine superconduttive", ha affermato. "Le nostre stime attuali indicano che un singolo motore da 1 a 10 MW produrrà una spinta compresa tra 5 e 50 N, a circa 10.000 secondi di impulso specifico."
Zapping laser su Plutone
Un'altra possibilità di propulsione futuristica sono i sistemi basati su laser proposti da Yuri Milner per la sua proposta Breakthrough Starshot, in cui piccoli cubesati potrebbero essere zappati dai laser sulla Terra, in sostanza un veicolo spaziale "bug zapping" per raggiungere velocità incredibili (forse milioni di miglia / km all'ora ) per visitare il sistema solare esterno o oltre.
"Non è davvero nelle carte per noi usare questo tipo di tecnologia, perché dovremmo aspettare decenni solo per sviluppare questo", ha detto Stern. “Ma se tu potessi inviare un veicolo spaziale leggero ed economico a velocità come un decimo della velocità della luce basata sui laser della Terra. Potremmo inviare questi piccoli veicoli spaziali a centinaia o migliaia di oggetti nelle Cinture di Kuiper, e saresti là fuori nel giro di due giorni e mezzo. Potresti inviare un veicolo spaziale oltre Plutone ogni giorno. Sarebbe davvero un cambio di gioco. "
Il futuro realistico
Ma anche se tutti concordano sul fatto che dovrebbe essere fatto un orbiter Plutone, la prima data possibile per una tale missione è tra l'inizio dei primi del 2020 e l'inizio dei 2030. Ma tutto dipende dalle raccomandazioni formulate dal prossimo sondaggio decadale della comunità scientifica, che suggerirà le missioni più prioritarie per la divisione di scienza planetaria della NASA.
Questi Decadal Surveys sono "roadmap" decennali che definiscono le priorità scientifiche e forniscono indicazioni su dove la NASA dovrebbe inviare i veicoli spaziali e quali tipi di missioni dovrebbero essere. L'ultimo Decadal Survey è stato pubblicato nel 2011 e ciò ha fissato le priorità della scienza planetaria fino al 2022. Il prossimo, per il 2023-2034, sarà probabilmente pubblicato nel 2022.
La missione New Horizons è stata il risultato dei suggerimenti del Decadal Survey planetario del 2003, in cui gli scienziati hanno affermato che visitare il sistema Plutone e mondi oltre era una destinazione prioritaria.
Quindi, se stai sognando un orbita di Plutone, continua a parlarne.
