Jahrzehntelang konnten wir uns nur vorstellen, wie die Sicht auf Plutos Oberfläche aussehen könnte. Jetzt haben wir die reale Sache.
Die Bilder und Daten vom Missionsflug der New Horizons in Pluto im Juli 2015 zeigten uns eine unerwartet atemberaubende und geologisch aktive Welt. Wissenschaftler haben Wörter wie "magisch", "atemberaubend" und "wissenschaftliches Wunderland" verwendet, um die lang erwarteten Nahaufnahmen des fernen Pluto zu beschreiben.
Obwohl Wissenschaftler immer noch die Daten von New Horizons analysieren, beginnen sich Ideen zu formulieren, ein weiteres Raumschiff nach Pluto zu schicken, jedoch mit einer langfristigen Orbiter-Mission anstelle eines schnellen Vorbeiflugs.
"Die nächste geeignete Mission für Pluto ist ein Orbiter, der möglicherweise mit einem Lander ausgestattet ist, wenn wir genug Geld haben, um beides zu tun", sagte Alan Stern, der Hauptermittler von New Horizons, im März gegenüber dem Space Magazine.
Diese Woche hat Stern in den sozialen Medien mitgeteilt, dass sich das Wissenschaftsteam von New Horizons trifft. Aber separat beginnt eine andere Gruppe über eine mögliche nächste Mission nach Pluto zu sprechen.
Einige Szenen aus dem Pluto Follow On Mission Workshop in Houston gestern. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern), 25. April 2017
Ein Raumschiff so schnell wie möglich in die äußeren Regionen unseres Sonnensystems zu bringen, ist eine Herausforderung, insbesondere, wenn es so langsam wird, dass es in die Umlaufbahn um Pluto gelangen kann. Für die schnellen und leichten New Horizons war eine Orbitalmission unmöglich.
Welches Antriebssystem könnte eine Pluto-Orbiter- und / oder Lander-Mission ermöglichen?
Ein paar Ideen werden herumgeworfen.
Weltraum-Startsystem
Ein Konzept nutzt das große, neue Space Launch System (SLS) der NASA, das derzeit entwickelt wird, um menschliche Missionen zum Mars zu ermöglichen. Die NASA beschreibt die SLS als "flexibel und entwicklungsfähig konzipiert und eröffnet neue Möglichkeiten für Nutzlasten, einschließlich wissenschaftlicher Robotermissionen". Sogar die erste Version von Block 1 kann 70 Tonnen starten (spätere Versionen können möglicherweise bis zu 130 Tonnen heben). Block 1 wird von zwei Feststoffraketen-Boostern mit fünf Segmenten und vier Flüssigtreibstoffmotoren mit vorgeschlagenen 15% angetrieben mehr Schub beim Start als die Saturn V-Raketen, die Astronauten zum Mond schickten.
Aber eine Orbiter-Mission nach Pluto ist möglicherweise nicht die beste Verwendung des SLS allein.
Es braucht viel Kraftstoff, um ein Fahrzeug so schnell zu beschleunigen, dass es in angemessener Zeit nach Pluto kommt. Zum Beispiel war New Horizons das schnellste Raumschiff, das jemals gestartet wurde. Es verwendete eine aufgemotzte Atlas V-Rakete mit zusätzlichen Boostern und verursachte einen großen Brand, als New Horizons die Erdumlaufbahn verließ. Das leichte Raumschiff raste mit einer Geschwindigkeit von 36.000 Meilen pro Stunde (ca. 58.000 km / h) von der Erde weg und erhöhte dann mithilfe einer Schwerkraftunterstützung von Jupiter die Geschwindigkeit von New Horizons auf 83.600 km / h (52.000 mph). 1,5 Millionen km) pro Tag auf seiner 4,8 Milliarden km langen Reise nach Pluto. Der Flug dauerte neuneinhalb Jahre.
"Um in die Pluto-Umlaufbahn zu gelangen, müsste ein Fahrzeug [wie SLS] auf dieselbe Geschwindigkeit aufladen, sich dann umdrehen und die Hälfte der Fahrt abbremsen, um mit einer Nettogeschwindigkeit von Null relativ zum Planeten zu Pluto zu gelangen", erklärte Stephen Fleming , ein Investor in mehrere Alt-Space-Startups, darunter XCOR Aerospace, Planetary Resources und NanoRacks. „Leider müsste man aufgrund der Tyrannei der Raketengleichung beim Start den gesamten Treibstoff / Treibstoff mitnehmen, um abzubremsen… was bedeutet, dass der Orbiter UND der gesamte Treibstoff in der Anfangsphase beschleunigt werden. Das erfordert logarithmisch mehr Kraftstoff für die anfängliche Verbrennung, und es stellt sich heraus, dass es eine Menge Kraftstoff ist. “
Fleming sagte dem Space Magazine, dass Sie mit dem milliardenschweren SLS zum Starten eines Pluto-Orbiters eine ganze Nutzlast mit Treibmittel starten würden, nur um einen winzigen Pluto-Orbiter zu beschleunigen und abzubremsen.
"Das ist eine außerordentlich teure Mission", sagte er.
RTG-Ionenantrieb
Eine bessere Option könnte die Verwendung eines Antriebssystems aus kombinierten Technologien sein. Stern erwähnte eine NASA-Studie, in der es darum ging, den SLS als Trägerrakete zu verwenden und das Raumschiff in Richtung Pluto zu befördern, dann aber einen mit RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) betriebenen Ionenmotor zu verwenden, um später für eine Orbitalankunft zu bremsen.
Ein RTG erzeugt Wärme aus dem natürlichen Zerfall von Plutonium-238 ohne Waffenqualität, und die Wärme wird in Elektrizität umgewandelt. Ein RTG-Ionenmotor wäre ein leistungsstärkeres Ionenantriebssystem als der derzeitige solarelektrische Ionenmotor des Raumfahrzeugs Dawn, das jetzt Ceres im Asteroidengürtel umkreist, und würde den Betrieb im äußeren Sonnensystem fernab der Sonne ermöglichen. Dieser kerngetriebene Ionenmotor würde es einem schnell fahrenden Raumschiff ermöglichen, langsamer zu werden und in die Umlaufbahn zu gelangen.
"Der SLS würde Sie dazu bringen, nach Pluto zu fliegen", sagte Stern, "und es würde tatsächlich zwei Jahre dauern, um mit Ionenantrieb zu bremsen."
Stern sagte, die Flugzeit für eine solche Mission nach Pluto würde siebeneinhalb Jahre betragen, zwei Jahre schneller als New Horizons.
Fusionsantrieb
Die aufregendste Option könnte jedoch eine geplante Mission für fusionsfähige Pluto Orbiter und Lander sein, die derzeit in einer Phase-1-Studie in den Innovative Advanced Concepts (NIAC) der NASA untersucht wird.
Der Vorschlag verwendet einen DFD-Motor (Direct Fusion Drive), der Antrieb und Leistung in einem integrierten Gerät bietet. DFD bietet einen hohen Schub, um eine Flugzeit von etwa 4 Jahren nach Pluto zu ermöglichen, und kann eine beträchtliche Masse in den Orbit befördern, möglicherweise zwischen 1000 und 8000 kg.
DFD basiert auf dem Fusionsreaktor PFRC (Princeton Field-Reversed Configuration), der seit 15 Jahren im Princeton Plasma Physics Laboratory entwickelt wird.
Wenn dieses Antriebssystem wie geplant funktioniert, kann es einen Pluto-Orbiter und einen Lander (oder möglicherweise einen Rover) starten und genügend Leistung bereitstellen, um einen Orbiter und alle seine Instrumente zu warten sowie einem Lander viel Leistung zu übertragen. Dies würde es dem Oberflächenfahrzeug ermöglichen, Videos zum Orbiter zurückzusenden, weil es so viel Leistung hätte, so Stephanie Thomas von Princeton Satellite Systems, Inc., die die NIAC-Studie leitet.
„Unser Konzept wird allgemein als‚ Wow, das klingt wirklich cool! Wann kann ich eins bekommen? “, Sagte Thomas gegenüber dem Space Magazine. Sie sagte, sie und ihr Team hätten in ihrem Vorschlag einen Prototyp einer Pluto-Orbiter- und Lander-Mission ausgewählt, da dies ein großartiges Beispiel dafür ist, was mit einer Fusionsrakete getan werden kann.
Ihr Fusionssystem verwendet eine kleine lineare Anordnung von Magnetspulen, und ihr Brennstoff der Wahl ist Deuteriumhelium 3, das eine sehr geringe Neutronenproduktion aufweist.
"Es passt auf ein Raumschiff, es passt auf eine Trägerrakete", erklärte Thomas in einem Vortrag des NIAC-Symposiums (ihr Vortrag beginnt gegen 17:30 Uhr im verlinkten Video). „Es gibt kein Lithium oder andere gefährliche Materialien, es entstehen nur sehr wenige schädliche Partikel. Es ist ungefähr so groß wie ein Minivan oder ein kleiner LKW. Unser System ist billiger und schneller zu entwickeln als andere Fusionsvorschläge. “
Das Princeton-Team konnte mit seinem Plasmaerwärmungsexperiment 300-Millisekunden-Impulse erzeugen, die um Größenordnungen besser sind als bei jedem anderen System.
"Die größte Hürde ist die Fusion selbst", sagte sie. „Wir müssen ein größeres Experiment durchführen, um die neue Heizmethode zu testen, die eine Größenordnung mehr Ressourcen erfordert, als das Projekt bisher vom Energieministerium erhalten hat“, sagte Thomas per E-Mail. "Im großen Rahmen der Projekte für fortschrittliche Technologie ist es jedoch immer noch klein, etwa 50 Millionen US-Dollar."
Thomas sagte, dass DARPA viel mehr für viele Technologieinitiativen ausgegeben hat, die schließlich abgesagt wurden. Und es ist auch viel weniger als andere Fusionstechnologien für die gleiche Forschungsstufe erfordern, da unsere Maschine so klein ist und eine einfache Spulenkonfiguration hat. “ (Thomas sagte, werfen Sie einen Blick auf das Budget für ITER, das internationale Megaprojekt für Kernfusionsforschung und -technik, das derzeit über 20 Milliarden US-Dollar umfasst).
"Um es einfach auszudrücken, wir wissen, dass unsere Methode Elektronen sehr gut erwärmt und auf erhitzende Ionen extrapoliert werden kann, aber wir müssen sie bauen und beweisen", sagte sie.
Thomas und ihr Team arbeiten derzeit an der „Balance of Plant“ -Technologie - den Subsystemen, die für den Betrieb des Motors im Weltraum erforderlich sind, vorausgesetzt, die Heizmethode funktioniert wie derzeit vorhergesagt.
In Bezug auf die Pluto-Mission selbst sagte Thomas, dass es keine besonderen Hürden für den Orbiter selbst gibt, aber es würde bedeuten, einige Technologien zu vergrößern, um die sehr große verfügbare Energiemenge wie die optische Kommunikation zu nutzen.
"Wir könnten dem Kommunikationslaser zehn oder mehr kW Leistung widmen, nicht 10 Watt [wie bei aktuellen Missionen]", sagte sie. „Ein weiteres einzigartiges Merkmal unseres Konzepts ist die Möglichkeit, einem Lander viel Kraft zuzuführen. Dies würde neue Klassen planetarwissenschaftlicher Instrumente wie leistungsstarke Bohrer ermöglichen. Die Technologie dafür ist vorhanden, aber die spezifischen Instrumente müssen entworfen und gebaut werden. Zusätzliche Technologie, die in verschiedenen Branchen entwickelt wird, sind leichte Weltraumheizkörper, supraleitende Drähte der nächsten Generation und eine kryogene Langzeitspeicherung für den Deuteriumbrennstoff. “
Thomas sagte, dass ihre NIAC-Forschung gut läuft.
"Wir wurden für die NIAC-Phase-II-Studie ausgewählt und befinden uns derzeit in Vertragsverhandlungen", sagte sie. "Wir arbeiten derzeit an Modellen mit höherer Wiedergabetreue für den Schub des Motors, entwerfen Komponenten der Flugbahn und dimensionieren die verschiedenen Subsysteme, einschließlich der supraleitenden Spulen", sagte sie. "Unsere aktuellen Schätzungen gehen davon aus, dass ein einzelner Motor mit 1 bis 10 MW einen Schub zwischen 5 und 50 N bei einem spezifischen Impuls von etwa 10.000 Sekunden erzeugt."
Laser Zapping auf Pluto
Eine weitere futuristische Antriebsmöglichkeit sind die von Yuri Milner für seinen Breakthrough Starshot-Vorschlag vorgeschlagenen laserbasierten Systeme, bei denen kleine Cubesats von Lasern auf der Erde gezappt werden könnten, im Grunde genommen Raumfahrzeuge, die unglaubliche Geschwindigkeiten erreichen (möglicherweise Millionen von Meilen / km pro Stunde) ) das äußere Sonnensystem oder darüber hinaus zu besuchen.
"Es ist nicht wirklich in Sicht, dass wir diese Art von Technologie einsetzen, denn wir müssten Jahrzehnte warten, bis sie entwickelt ist", sagte Stern. „Aber wenn Sie leichte, kostengünstige Raumschiffe mit einer Geschwindigkeit von einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit senden könnten, die auf Lasern von der Erde basiert. Wir könnten diese kleinen Raumschiffe zu Hunderten oder Tausenden von Objekten in den Kuipergürteln schicken, und Sie wären in zweieinhalb Tagen da draußen. Sie könnten jeden Tag ein Raumschiff an Pluto vorbei schicken. Das würde das Spiel wirklich verändern. “
Die realistische Zukunft
Aber selbst wenn alle zustimmen, dass ein Pluto-Orbiter durchgeführt werden sollte, liegt der frühestmögliche Termin für eine solche Mission irgendwann zwischen den frühen 2020ern und den frühen 2030ern. Aber alles hängt von den Empfehlungen der nächsten dekadischen Umfrage der wissenschaftlichen Gemeinschaft ab, die die Missionen mit der höchsten Priorität für die Planetary Science Division der NASA vorschlagen wird.
Diese dekadischen Umfragen sind 10-Jahres-Roadmaps, die wissenschaftliche Prioritäten setzen und Hinweise geben, wohin die NASA Raumfahrzeuge senden soll und welche Arten von Missionen sie sein sollen. Die letzte dekadische Umfrage wurde 2011 veröffentlicht und legte die Prioritäten der Planetenforschung bis 2022 fest. Die nächste für 2023-2034 wird voraussichtlich 2022 veröffentlicht.
Die Mission New Horizons war das Ergebnis der Vorschläge des Decadal Survey der Planetenforschung 2003, bei dem Wissenschaftler sagten, der Besuch des Pluto-Systems und der Welten dahinter sei ein Ziel mit höchster Priorität.
Wenn Sie also von einem Pluto-Orbiter träumen, sprechen Sie weiter darüber.
