ภารกิจพลูโตถัดไป: ยานอวกาศและยานอวกาศ?

Pin
Send
Share
Send

เป็นเวลาหลายสิบปีที่เรานึกภาพออกว่าพื้นผิวของดาวพลูโตเป็นอย่างไร ตอนนี้เรามีของจริง

ภาพและข้อมูลจากพันธกิจของนิวฮอริซอนส์ที่บินผ่านพลูโตในเดือนกรกฎาคม 2558 แสดงให้เราเห็นถึงโลกที่น่าทึ่งและมีชีวิตชีวาทางธรณีวิทยา นักวิทยาศาสตร์ใช้คำต่างๆเช่น 'เสกคาถา' 'น่าทึ่ง' และ 'ทางวิทยาศาสตร์มหัศจรรย์' เพื่ออธิบายมุมมองระยะใกล้ของดาวพลูโตที่อยู่ห่างไกล

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ยังคงวิเคราะห์ข้อมูลจากนิวฮอริซอน แต่แนวคิดก็เริ่มกำหนดให้ส่งยานอวกาศไปยังดาวพลูโตอีกครั้ง แต่ด้วยภารกิจยานอวกาศระยะยาวแทนที่จะเป็นยานบินเร็ว

“ ภารกิจที่เหมาะสมต่อไปของพลูโตคือยานอวกาศบางทีอาจติดตั้งกับคนงานหากเรามีเงินทุนเพียงพอที่จะทำทั้งสองอย่าง” อลันสเติร์นนักวิจัยหลักของนิวฮอริซอนส์บอกกับนิตยสารอวกาศในเดือนมีนาคม

สัปดาห์นี้สเติร์นได้แบ่งปันกับโซเชียลมีเดียที่ทีมวิทยาศาสตร์ของนิวฮอริซอนส์กำลังประชุมกัน แต่แยกจากกันกลุ่มอื่นกำลังเริ่มพูดคุยเกี่ยวกับภารกิจต่อไปที่เป็นไปได้กับพลูโต

บางฉากจากการประชุมเชิงปฏิบัติการพลูโตติดตามบนภารกิจในฮูสตันเมื่อวานนี้ #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

- AlanStern (@AlanStern) 25 เมษายน 2017

การส่งยานอวกาศไปยังพื้นที่รอบนอกของระบบสุริยะของเราให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการที่จะชะลอความเร็วลงเพื่อให้สามารถโคจรรอบพลูโต สำหรับนิวฮอริซันที่รวดเร็วและน้ำหนักเบาภารกิจการโคจรก็เป็นไปไม่ได้

ระบบขับเคลื่อนใดที่อาจทำให้ภารกิจของพลูโตและ / หรือยานแลนเดอร์เป็นไปได้

แนวคิดบางอย่างถูกโยนไปรอบ ๆ

ระบบยิงอวกาศ

แนวคิดหนึ่งใช้ประโยชน์จากระบบเปิดตัวอวกาศ (SLS) ที่ใหญ่และใหม่ของนาซ่าซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการพัฒนาเพื่อเปิดใช้งานภารกิจมนุษย์สู่ดาวอังคาร NASA อธิบาย SLS ว่า“ ถูกออกแบบมาให้มีความยืดหยุ่นและสามารถวิวัฒนาการได้และจะเปิดโอกาสใหม่สำหรับการบรรทุกรวมถึงภารกิจทางวิทยาศาสตร์หุ่นยนต์” แม้แต่บล็อก 1 รุ่นแรกก็สามารถเปิดตัวได้ 70 เมตริกตัน (เวอร์ชั่นต่อมาอาจสามารถยกสูงสุดได้ถึง 130 เมตริกตัน) บล็อก 1 จะถูกขับเคลื่อนโดยทุ่นจรวดท๊อปห้าเซ็กเมนต์และเครื่องยนต์ขับเคลื่อนสี่ของเหลวโดยเสนอ 15% แรงขับที่มากกว่าการปล่อยจรวด Saturn V ที่ส่งนักบินอวกาศไปยังดวงจันทร์

แต่ภารกิจยานอวกาศของพลูโตอาจไม่ใช่การใช้ SLS ที่ดีที่สุดเพียงอย่างเดียว

ต้องใช้เชื้อเพลิงเป็นจำนวนมากในการเร่งยานพาหนะให้เร็วพอที่จะไปถึงพลูโตในระยะเวลาที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่นนิวฮอริซอนส์เป็นยานอวกาศที่เร็วที่สุดที่เคยปล่อยออกมาโดยใช้จรวด Atlas V ที่ได้รับการเสริมด้วยการเพิ่มแรงพิเศษมันทำการเผาไหม้ครั้งใหญ่เมื่อนิวฮอไรซันออกจากวงโคจรโลก ยานอวกาศที่มีน้ำหนักเบาเร่งความเร็วออกไปจากโลกด้วยความเร็ว 36,000 ไมล์ต่อชั่วโมง (ประมาณ 58,000 กม. / ชม.) จากนั้นใช้แรงดึงดูดของดาวพฤหัสบดีเพื่อเร่งความเร็ว New Horizons ให้เป็น 52,000 ไมล์ต่อชั่วโมง (83,600 km / h) เดินทางเกือบหนึ่งล้านไมล์ 1.5 ล้านกม.) ต่อวันในการเดินทาง 3 พันล้านไมล์ (4.8 พันล้านกิโลเมตร) ไปยังพลูโต เที่ยวบินใช้เวลาเก้าและครึ่งปี

“ ในการเข้าสู่วงโคจรของดาวพลูโตยานพาหนะ [เช่น SLS] จะต้องเร่งความเร็วให้สูงขึ้นจากนั้นหมุนตัวและชะลอความเร็วลงครึ่งหนึ่งเพื่อเดินทางไปถึงพลูโตด้วยความเร็วสุทธิศูนย์ที่สัมพันธ์กับดาวเคราะห์ นักลงทุนใน บริษัท สตาร์ทอัล - สเปซหลายแห่งรวมถึง XCOR Aerospace ทรัพยากรดาวเคราะห์และ NanoRacks “ น่าเสียดายเนื่องจากทรราชของสมการจรวดคุณจะต้องบรรทุกน้ำมันเชื้อเพลิง / จรวดทั้งหมดให้ชะลอตัวลงเมื่อเปิดตัว…ซึ่งหมายถึงการเร่งยานอวกาศและเชื้อเพลิงทั้งหมดในระยะเริ่มแรก ต้องใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นในการเขียนเบื้องต้นและมันก็กลายเป็นเชื้อเพลิงจำนวนมาก”

เฟลมิงบอกกับนิตยสาร Space ว่าด้วยการใช้ SLS มูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์เพื่อเปิดตัวยานพลูโตคุณจะต้องปล่อยมวลบรรทุกเต็มไปด้วยจรวดเพื่อเร่งและชะลอความเร็วของยานอวกาศพลูโต

“ นั่นเป็นภารกิจที่มีราคาแพงมาก” เขากล่าว

แรงขับ RTG-Ion

ตัวเลือกที่ดีกว่าอาจใช้ระบบขับเคลื่อนของเทคโนโลยีแบบรวม สเติร์นกล่าวถึงการศึกษาของนาซ่าที่มองว่าการใช้ SLS เป็นยานส่งและเพื่อเพิ่มยานอวกาศไปยังพลูโต แต่จากนั้นใช้ RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) ขับเคลื่อนเครื่องยนต์ไอออนเพื่อขับเคลื่อนเบรกดวงต่อมา

RTG ผลิตความร้อนจากการสลายตามธรรมชาติของพลูโทเนียมเกรด 238 ที่ไม่ใช่อาวุธและความร้อนจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้า เครื่องยนต์ไอออน RTG จะเป็นระบบขับเคลื่อนไอออนที่ทรงพลังกว่าเครื่องยนต์ไอออนไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันบนยานอวกาศ Dawn ซึ่งตอนนี้โคจรรอบเซเรสในแถบดาวเคราะห์น้อยและมันจะเปิดใช้งานการทำงานในระบบสุริยจักรวาลด้านนอกไกลจากดวงอาทิตย์ เครื่องยนต์ไอออนพลังงานนิวเคลียร์นี้จะช่วยให้ยานอวกาศเร่งความเร็วให้ช้าลงและเข้าสู่วงโคจร

“ SLS จะกระตุ้นให้คุณบินออกไปที่พลูโต” สเติร์นกล่าว“ และจริง ๆ แล้วมันต้องใช้เวลาสองปีในการเบรกด้วยการขับเคลื่อนด้วยไอออน”

สเติร์นกล่าวว่าเวลาบินของภารกิจดังกล่าวไปยังพลูโตจะเป็นเวลาเจ็ดปีครึ่งซึ่งเร็วกว่านิวฮอริซอนสองปี

แรงขับของฟิวชั่น

แต่ตัวเลือกที่น่าตื่นเต้นที่สุดอาจเป็นภารกิจพลูโต Orbiter และฟิวชั่นที่เปิดใช้งานในปัจจุบันภายใต้การศึกษาระยะที่ 1 ในแนวคิดขั้นสูง (NASAC) ของนาซ่า

ข้อเสนอนี้ใช้เอ็นจิ้น Direct Fusion Drive (DFD) ที่มีแรงขับและพลังงานในอุปกรณ์รวมหนึ่งเครื่อง DFD ให้แรงขับสูงเพื่อให้เวลาบินประมาณ 4 ปีถึงดาวพลูโตรวมทั้งสามารถส่งมวลจำนวนมากไปยังวงโคจรอาจอยู่ระหว่าง 1,000 ถึง 8000 กิโลกรัม

DFD ตั้งอยู่บนพื้นฐานของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นฟิวชั่นที่ตรงกันข้ามสนามบินพรินซ์ตัน (PFRC) ที่อยู่ระหว่างการพัฒนาเป็นเวลา 15 ปีที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสม่าพรินซ์ตัน

หากระบบขับเคลื่อนนี้ทำงานได้ตามแผนที่วางไว้มันก็สามารถส่งยานอวกาศพลูโตและยานอวกาศ (หรืออาจเป็นรถแลนด์โรเวอร์) และให้พลังมากพอที่จะรักษายานอวกาศและเครื่องมือทั้งหมดรวมทั้งลำแสงจำนวนมากให้กับคนงาน นั่นจะทำให้ยานพาหนะพื้นผิวสามารถส่งสัญญาณวิดีโอกลับไปยังยานอวกาศได้เนื่องจากมันจะมีพลังมากตามที่ Stephanie Thomas จาก Princeton Satellite Systems, Inc. ซึ่งเป็นผู้นำในการศึกษาของ NIAC กล่าว

“ แนวคิดของเราได้รับโดยทั่วไปในฐานะ ‘ว้าวฟังดูเจ๋งจริงๆ! ฉันจะได้รับเมื่อไหร่” โทมัสบอกนิตยสารอวกาศ เธอบอกว่าเธอและทีมของเธอเลือกยานอวกาศพลูโตและผู้ปฏิบัติภารกิจต้นแบบในข้อเสนอเพราะมันเป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งที่สามารถทำได้ด้วยจรวดฟิวชั่น

ระบบฟิวชั่นของพวกเขาใช้อาร์เรย์เชิงเส้นเล็ก ๆ ของขดลวดโซลินอยด์และเชื้อเพลิงที่เลือกคือดิวทีเรียมฮีเลียม 3 ซึ่งมีการผลิตนิวตรอนต่ำมาก

“ มันเหมาะกับยานอวกาศมันเหมาะกับยานเปิดตัว” โทมัสอธิบายในการประชุมสัมมนาของ NIAC (การพูดคุยของเธอเริ่มประมาณ 17:30 น. ในวิดีโอที่เชื่อมโยง) “ ไม่มีลิเทียมหรือวัสดุอันตรายอื่น ๆ มันผลิตอนุภาคที่สร้างความเสียหายได้น้อยมาก มันเกี่ยวกับขนาดของรถตู้หรือรถบรรทุกขนาดเล็ก ระบบของเรามีราคาถูกและพัฒนาได้เร็วกว่าข้อเสนออื่น ๆ

ทีมพรินซ์ตันสามารถผลิตพัลส์ได้ 300 มิลลิวินาทีด้วยการทดลองให้ความร้อนในพลาสม่าซึ่งมีขนาดที่ดีกว่าระบบอื่น ๆ

“ สิ่งกีดขวางที่ใหญ่ที่สุดคือการหลอมรวม” เธอกล่าว “ เราจำเป็นต้องสร้างการทดลองที่ใหญ่กว่าเพื่อพิสูจน์วิธีการทำความร้อนแบบใหม่ซึ่งจะต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมากกว่าที่โครงการได้รับจากกระทรวงพลังงาน” โทมัสกล่าวผ่านอีเมล “ อย่างไรก็ตามยังมีขนาดเล็กในโครงการใหญ่ของโครงการเทคโนโลยีขั้นสูงประมาณ $ 50 ล้าน”

โทมัสกล่าวว่า DARPA ใช้เวลาไปกับการริเริ่มเทคโนโลยีมากมายซึ่งถูกยกเลิกไป และยังน้อยกว่าเทคโนโลยีฟิวชั่นอื่น ๆ ที่ต้องใช้ในการวิจัยระยะเดียวกันเนื่องจากเครื่องของเรามีขนาดเล็กและมีการกำหนดค่าขดลวดที่เรียบง่าย” (โทมัสกล่าวว่าได้ดูงบประมาณของ ITER ซึ่งเป็นโครงการวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชั่นระหว่างประเทศและโครงการด้านวิศวกรรมในปัจจุบันซึ่งมีมูลค่ามากกว่า 20 พันล้านเหรียญสหรัฐ)

“ เพื่อให้เข้าใจง่ายเรารู้ว่าวิธีการของเราให้ความร้อนกับอิเล็กตรอนได้ดีจริง ๆ และสามารถคาดการณ์การให้ความร้อนกับไอออนได้ แต่เราจำเป็นต้องสร้างและพิสูจน์มัน” เธอกล่าว

โทมัสและทีมของเธอกำลังทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยี“ ความสมดุลของพืช” - ระบบย่อยที่จะต้องใช้งานเครื่องยนต์ในอวกาศโดยสมมติว่าวิธีการทำความร้อนทำงานตามที่คาดการณ์ไว้ในปัจจุบัน

ในแง่ของภารกิจพลูโตโธมัสกล่าวว่าไม่มีอุปสรรคใด ๆ ในยานอวกาศ แต่จะเกี่ยวข้องกับการปรับขนาดของเทคโนโลยีเพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานจำนวนมากเช่นการสื่อสารด้วยแสง

“ เราสามารถอุทิศกำลังการสื่อสารเลเซอร์เลเซอร์ได้มากกว่าสิบ kW ไม่ใช่ 10 วัตต์ [เช่นภารกิจปัจจุบัน]” เธอกล่าว “ คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์อีกประการของแนวคิดของเราคือสามารถส่งพลังให้กับคนงานได้มาก สิ่งนี้จะทำให้ชั้นเรียนใหม่ของเครื่องมือวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์เช่นการฝึกซ้อมที่ทรงพลัง เทคโนโลยีในการทำเช่นนี้มีอยู่ แต่เครื่องมือเฉพาะจะต้องได้รับการออกแบบและสร้าง เทคโนโลยีเพิ่มเติมที่จำเป็นซึ่งอยู่ระหว่างการพัฒนาในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้แก่ เครื่องทำความร้อนในอวกาศที่มีน้ำหนักเบา, สายตัวนำยิ่งยวดรุ่นต่อไป, และการเก็บรักษาอุณหภูมิในระยะยาวสำหรับเชื้อเพลิงดิวทีเรียม”

โทมัสกล่าวว่างานวิจัยของ NIAC นั้นดำเนินไปได้ด้วยดี

“ เราได้รับเลือกให้เข้าร่วมการศึกษาระยะที่ NIAC และอยู่ในระหว่างการเจรจาสัญญา” เธอกล่าว “ เรากำลังยุ่งกับการทำงานกับโมเดลความเที่ยงตรงสูงของแรงขับของเครื่องยนต์การออกแบบส่วนประกอบของวิถีและปรับขนาดระบบย่อยต่าง ๆ รวมถึงขดลวดตัวนำยิ่งยวด” เธอกล่าว “ ประมาณการปัจจุบันของเราคือเครื่องยนต์ 1 ถึง 10 MW จะผลิตแรงขับระหว่าง 5 ถึง 50 นิวตันโดยมีแรงกระตุ้นเฉพาะประมาณ 10,000 วินาที”

Laser Zapping ถึงพลูโต

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งที่ขับเคลื่อนอนาคตคือระบบที่ใช้เลเซอร์ซึ่งเสนอโดย Yuri Milner สำหรับข้อเสนอ Breakthrough Starshot ของเขาโดยที่เลเซอร์ขนาดเล็กสามารถถูก zapped โดยเลเซอร์บนโลกโดยทั่วไปยานอวกาศ“ bug zapping” จะไปถึงความเร็วที่เหลือเชื่อ ) เพื่อเยี่ยมชมระบบสุริยะรอบนอกหรือมากกว่านั้น

“ มันไม่ได้อยู่ในการ์ดสำหรับเราที่จะใช้เทคโนโลยีชนิดนี้เพราะเราต้องรอหลายสิบปีเพื่อพัฒนาสิ่งนี้” สเติร์นกล่าว “ แต่ถ้าคุณสามารถส่งยานอวกาศที่มีน้ำหนักเบาและราคาไม่แพงด้วยความเร็วเช่นหนึ่งในสิบความเร็วของแสงขึ้นอยู่กับเลเซอร์จากโลก เราสามารถส่งยานอวกาศขนาดเล็กเหล่านี้ไปยังวัตถุหลายร้อยหรือหลายพันรายการในแถบไคเปอร์และคุณจะอยู่ที่นั่นในเวลาสองวันครึ่ง คุณสามารถส่งยานอวกาศผ่านพลูโตได้ทุกวัน นั่นจะเป็นการเปลี่ยนแปลงเกมจริงๆ”

อนาคตที่สมจริง

แต่ถึงแม้ว่าทุกคนจะเห็นด้วยกับยานสำรวจดาวพลูโตวันที่เร็วที่สุดที่เป็นไปได้สำหรับภารกิจดังกล่าวคือช่วงระหว่างต้นปี 2020 ถึงต้นปี 2030 แต่ทุกอย่างขึ้นอยู่กับคำแนะนำที่ได้จากการสำรวจซากศพครั้งต่อไปของชุมชนวิทยาศาสตร์ซึ่งจะแนะนำภารกิจที่สำคัญที่สุดสำหรับแผนกวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ของนาซ่า

Decadal Surveys เหล่านี้เป็น“ แผนที่ปฏิบัติ” 10 ปีที่กำหนดลำดับความสำคัญทางวิทยาศาสตร์และให้คำแนะนำว่า NASA ควรส่งยานอวกาศไปที่ใดและควรปฏิบัติภารกิจประเภทใด การสำรวจ Decadal ครั้งสุดท้ายได้รับการตีพิมพ์ในปี 2011 และกำหนดลำดับความสำคัญของวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จนถึงปี 2022 ส่วนถัดไปสำหรับปี 2566-2577 จะมีการเผยแพร่ในปี 2565

ภารกิจนิวฮอริซอนส์เป็นผลมาจากคำแนะนำจากการสำรวจ Decadal Science ปี 2003 ซึ่งนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการเยี่ยมชมระบบดาวพลูโตและโลกหลังนั้นเป็นจุดหมายปลายทางที่สำคัญที่สุด

ดังนั้นหากคุณฝันถึงยานอวกาศพลูโตให้พูดเกี่ยวกับมันต่อไป

Pin
Send
Share
Send