Trong nhiều thập kỷ, chúng ta chỉ có thể tưởng tượng khung cảnh bề mặt Sao Diêm Vương có thể là gì. Bây giờ, chúng ta có điều thực sự.
Những hình ảnh và dữ liệu từ chuyến bay nhiệm vụ New Horizons của Sao Diêm Vương vào tháng 7 năm 2015 cho chúng ta thấy một thế giới tuyệt đẹp và hoạt động địa chất bất ngờ. Các nhà khoa học đã sử dụng những từ như ‘ma thuật, Hồi giáo ngoạn mục và wonder wonderland thần tiên, để mô tả những quan điểm cận cảnh được chờ đợi từ lâu của Sao Diêm Vương xa xôi.
Mặc dù các nhà khoa học vẫn đang phân tích dữ liệu từ New Horizons, các ý tưởng đang bắt đầu hình thành về việc gửi một tàu vũ trụ khác đến Sao Diêm Vương, nhưng với một nhiệm vụ quỹ đạo dài hạn thay vì bay nhanh.
Nhiệm vụ thích hợp tiếp theo với Sao Diêm Vương là một quỹ đạo, có thể được trang bị một tàu đổ bộ nếu chúng tôi có đủ kinh phí để làm cả hai, điều tra viên chính của New New Horizons, Alan Stern nói với Tạp chí Vũ trụ vào tháng 3.
Tuần này, Stern đã chia sẻ trên phương tiện truyền thông xã hội rằng nhóm khoa học New Horizons đang gặp gỡ. Nhưng, riêng biệt, một nhóm khác đang bắt đầu nói về một nhiệm vụ tiếp theo có thể xảy ra với Sao Diêm Vương.
Một số cảnh trong hội thảo Pluto Follow On Mission ở Houston ngày hôm qua. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) ngày 25 tháng 4 năm 2017
Đưa tàu vũ trụ đến các khu vực bên ngoài của hệ mặt trời của chúng ta càng nhanh càng tốt mang lại những thách thức, đặc biệt là việc có thể làm chậm đủ để cho phép đi vào quỹ đạo quanh Sao Diêm Vương. Đối với những Chân trời mới nhanh và nhẹ, một nhiệm vụ quỹ đạo là không thể.
Hệ thống động lực nào có thể làm cho một quỹ đạo Sao Diêm Vương và / hoặc nhiệm vụ đổ bộ có thể?
Một vài ý tưởng đang được đưa ra xung quanh.
Hệ thống phóng không gian
Một khái niệm tận dụng Hệ thống phóng không gian mới (SLS) của NASA, hiện đang được phát triển để cho phép các sứ mệnh của con người lên sao Hỏa. NASA mô tả SLS như là được thiết kế linh hoạt và có thể phát triển và sẽ mở ra những khả năng mới cho tải trọng, bao gồm các nhiệm vụ khoa học robot. Ngay cả phiên bản Block 1 đầu tiên cũng có thể phóng 70 tấn (các phiên bản sau có thể nâng tới 130 tấn.) Block 1 sẽ được cung cấp bởi hai tên lửa đẩy rắn năm đoạn và bốn động cơ nhiên liệu lỏng, với tỷ lệ 15% được đề xuất lực đẩy mạnh hơn khi phóng hơn tên lửa Saturn V đã đưa các phi hành gia lên Mặt trăng.
Nhưng một nhiệm vụ quỹ đạo cho Sao Diêm Vương có thể không phải là cách sử dụng SLS tốt nhất.
Phải mất rất nhiều nhiên liệu để tăng tốc một chiếc xe đến tốc độ đủ nhanh để đến Sao Diêm Vương trong một khoảng thời gian hợp lý. Ví dụ, New Horizons là tàu vũ trụ nhanh nhất từng được phóng, sử dụng tên lửa Atlas V được cải tiến với các tên lửa đẩy bổ sung, nó đã thực hiện một vụ cháy lớn khi New Horizons rời khỏi quỹ đạo Trái đất. Phi thuyền nhẹ đẩy ra khỏi Trái đất tại 36.000 dặm một giờ (khoảng 58.000 km / giờ), sau đó sử dụng một lực hấp dẫn hỗ trợ từ sao Mộc để tăng tốc độ New Horizons' đến 52.000 mph (83.600 km / h), đi du lịch gần một triệu dặm ( 1,5 triệu km) một ngày trong hành trình dài 3 tỷ dặm (4,8 tỷ km) tới Sao Diêm Vương. Chuyến bay mất chín năm rưỡi.
Để vào quỹ đạo Sao Diêm Vương, một phương tiện [như SLS] sẽ phải tăng tốc độ tương tự, sau đó quay lại và giảm tốc trong một nửa chuyến đi để đến Sao Diêm Vương với vận tốc bằng 0 so với hành tinh, Stephen giải thích , một nhà đầu tư trong một số công ty khởi nghiệp không gian thay thế bao gồm XCOR Hàng không vũ trụ, Tài nguyên hành tinh và NanoRacks. Thật không may, do sự chuyên chế của phương trình tên lửa, bạn sẽ phải mang theo tất cả nhiên liệu / nhiên liệu để giảm tốc với bạn khi phóng ra, điều đó có nghĩa là tăng tốc quỹ đạo VÀ tất cả nhiên liệu đó trong giai đoạn ban đầu. Điều đó đòi hỏi nhiên liệu logarit nhiều hơn cho lần đốt đầu tiên, và hóa ra đó là RẤT NHIỀU nhiên liệu.
Fleming nói với Tạp chí Vũ trụ rằng sử dụng SLS trị giá hàng tỷ đô la để phóng ra quỹ đạo Sao Diêm Vương, bạn sẽ tung ra toàn bộ trọng tải đầy nhiên liệu chỉ để tăng tốc và giảm tốc một quỹ đạo Sao Diêm Vương nhỏ bé.
Ông nói rằng, đó là một nhiệm vụ cực kỳ tốn kém.
Lực đẩy RTG-Ion
Một lựa chọn tốt hơn có thể là sử dụng một hệ thống động lực của các công nghệ kết hợp. Stern đã đề cập đến một nghiên cứu của NASA, xem việc sử dụng SLS làm phương tiện phóng và để tăng tàu vũ trụ về phía Sao Diêm Vương, nhưng sau đó sử dụng động cơ ion chạy bằng năng lượng RTG (Radioisotope) để sau đó phanh lại khi đến quỹ đạo.
Một RTG tạo ra nhiệt từ sự phân rã tự nhiên của plutonium-238 không thuộc vũ khí, và nhiệt được chuyển thành điện. Một động cơ ion RTG sẽ là một hệ thống đẩy ion mạnh hơn so với động cơ ion điện mặt trời hiện tại trên tàu vũ trụ Dawn, hiện đang quay quanh Ceres, trong vành đai tiểu hành tinh, cộng với nó sẽ cho phép hoạt động trong hệ mặt trời bên ngoài, cách xa Mặt trời. Động cơ ion chạy bằng năng lượng hạt nhân này sẽ cho phép tàu vũ trụ tăng tốc làm chậm và đi vào quỹ đạo.
SLS SLS sẽ thúc đẩy bạn bay ra Sao Diêm Vương, ông Stern nói, và thực sự sẽ phải mất hai năm để thực hiện việc hãm bằng lực đẩy ion.
Stern cho biết thời gian bay cho một nhiệm vụ như vậy đến Sao Diêm Vương sẽ là bảy năm rưỡi, nhanh hơn hai năm so với Chân trời mới.
Hợp nhất đẩy
Nhưng tùy chọn thú vị nhất có thể là một nhiệm vụ Tàu đổ bộ và tàu đổ bộ Pluto được kích hoạt hợp nhất hiện đang được nghiên cứu trong Giai đoạn 1 trong các khái niệm nâng cao sáng tạo của NASA (NIAC).
Đề xuất sử dụng động cơ Direct Fusion Drive (DFD) có lực đẩy và sức mạnh trong một thiết bị tích hợp. DFD cung cấp lực đẩy cao để cho phép thời gian bay khoảng 4 năm tới Sao Diêm Vương, cộng với việc có thể gửi khối lượng đáng kể lên quỹ đạo, có thể từ 1000 đến 8000 kg.
DFD dựa trên lò phản ứng nhiệt hạch tổng hợp cấu hình trường đảo ngược (PFRC) của Princeton đã được phát triển trong 15 năm tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma của Princeton.
Nếu hệ thống động lực này hoạt động theo kế hoạch, nó có thể phóng một quỹ đạo Sao Diêm Vương và tàu đổ bộ (hoặc có thể là một người điều khiển), và cung cấp đủ năng lượng để duy trì một quỹ đạo và tất cả các thiết bị của nó, cũng như cung cấp nhiều năng lượng cho tàu đổ bộ. Điều đó sẽ cho phép phương tiện bề mặt phát lại video tới quỹ đạo bởi vì nó sẽ có sức mạnh rất lớn, theo Stephanie Thomas từ Princeton Satellite Systems, Inc., người đang dẫn đầu nghiên cứu NIAC.
Khái niệm của chúng tôi thường được nhận là, ‘wow, nghe có vẻ hay đấy! Khi nào tôi có thể nhận được một? Cô ấy nói rằng cô ấy và nhóm của cô ấy đã chọn một nguyên mẫu quỹ đạo Pluto và tàu đổ bộ trong đề xuất của họ bởi vì nó là một ví dụ tuyệt vời về những gì có thể được thực hiện với một tên lửa nhiệt hạch.
Hệ thống nhiệt hạch của họ sử dụng một cuộn dây điện từ nhỏ, và nhiên liệu được lựa chọn là deuterium helium 3, có sản xuất neutron rất thấp.
Đây là một chiếc tàu vũ trụ, nó phù hợp với một chiếc xe phóng, nó đã giải thích trong một cuộc hội thảo chuyên đề của NIAC (cuộc nói chuyện của cô bắt đầu khoảng 17:30 trong video được liên kết). Ở đó, không có lithium, hoặc các vật liệu nguy hiểm khác, nó tạo ra rất ít các hạt gây hại. Nó có kích thước bằng một chiếc minivan hoặc xe tải nhỏ. Hệ thống của chúng tôi rẻ hơn và phát triển nhanh hơn các đề xuất hợp nhất khác.
Nhóm Princeton đã có thể tạo ra xung 300 mili giây với thí nghiệm gia nhiệt plasma của họ, các đơn đặt hàng có cường độ tốt hơn bất kỳ hệ thống nào khác.
Rào cản lớn nhất là sự hợp nhất, chính cô nói. Chúng tôi cần xây dựng một thử nghiệm lớn hơn để hoàn thành việc chứng minh phương pháp sưởi ấm mới, đòi hỏi một lượng lớn tài nguyên hơn dự án đã nhận được từ Bộ Năng lượng cho đến nay, Thomas Thomas cho biết qua email. Tuy nhiên, nó vẫn còn nhỏ trong kế hoạch lớn của các dự án công nghệ tiên tiến, khoảng 50 triệu đô la.
Thomas nói rằng DARPA đã chi nhiều hơn cho nhiều sáng kiến công nghệ đã bị hủy bỏ. Và nó cũng ít hơn nhiều so với các công nghệ nhiệt hạch khác yêu cầu cho cùng một giai đoạn nghiên cứu, vì máy của chúng tôi rất nhỏ và có cấu hình cuộn dây đơn giản. (Thomas cho biết hãy xem ngân sách dành cho ITER, nghiên cứu tổng hợp hạt nhân quốc tế và cụm kỹ thuật, hiện đang hoạt động hơn 20 tỷ đô la).
Nói một cách đơn giản, chúng ta biết phương pháp của chúng ta làm nóng các electron thực sự tốt và có thể ngoại suy để đốt nóng các ion, nhưng chúng ta cần xây dựng nó và chứng minh điều đó, cô nói.
Thomas và nhóm của cô hiện đang nghiên cứu về sự cân bằng của công nghệ nhà máy - hệ thống con sẽ được yêu cầu để vận hành động cơ trong không gian, giả sử phương pháp sưởi ấm hoạt động như dự đoán hiện tại.
Về nhiệm vụ của Sao Diêm Vương, Thomas cho biết không có bất kỳ trở ngại cụ thể nào trên chính quỹ đạo này, nhưng nó sẽ liên quan đến việc nhân rộng một số công nghệ để tận dụng lượng năng lượng rất lớn, như truyền thông quang học.
Chúng tôi có thể dành hàng chục hoặc hơn 10 kW năng lượng cho laser truyền thông, chứ không phải 10 watt, [như các nhiệm vụ hiện tại] cô nói. Một tính năng độc đáo khác trong khái niệm của chúng tôi là có thể truyền nhiều sức mạnh cho tàu đổ bộ. Điều này sẽ cho phép các lớp mới của các công cụ khoa học hành tinh như máy khoan mạnh mẽ. Công nghệ để làm điều này tồn tại nhưng các công cụ cụ thể cần phải được thiết kế và xây dựng. Công nghệ bổ sung sẽ cần thiết đang được phát triển trong các ngành công nghiệp khác nhau là bộ tản nhiệt không gian nhẹ, dây siêu dẫn thế hệ tiếp theo và lưu trữ đông lạnh lâu dài cho nhiên liệu deuterium.
Thomas cho biết nghiên cứu NIAC của họ đang diễn ra tốt đẹp.
Chúng tôi đã được chọn cho nghiên cứu NIAC Giai đoạn II, và hiện đang đàm phán hợp đồng, cô nói. Chúng tôi đang bận rộn làm việc trên các mô hình độ trung thực cao hơn của động cơ Lực đẩy, thiết kế các thành phần của quỹ đạo và định cỡ các hệ thống con khác nhau, bao gồm các cuộn dây siêu dẫn, cô nói. Các ước tính hiện tại của chúng tôi là một động cơ 1 đến 10 MW sẽ tạo ra lực đẩy từ 5 đến 50 N, với xung lực cụ thể khoảng 10.000 giây.
Laser chuyển sang sao Diêm Vương
Một động cơ đẩy khả năng tương lai là hệ thống laser dựa trên bởi Yuri Milner đề nghị Đột phá Starshot đề nghị của mình, nơi cubesats nhỏ có thể được zapped bởi laser trên Trái đất, về cơ bản “lỗi zapping” tàu vũ trụ để đạt tốc độ đáng kinh ngạc (có thể hàng triệu dặm / km mỗi giờ ) để tham quan hệ mặt trời bên ngoài hoặc xa hơn.
Không có gì khó khăn trong việc sử dụng loại công nghệ này vì chúng tôi phải chờ hàng thập kỷ để phát triển nó. Tuy nhiên, nếu bạn có thể gửi tàu vũ trụ hạng nhẹ, rẻ tiền với tốc độ bằng 1/10 tốc độ ánh sáng dựa trên tia laser từ Trái đất. Chúng tôi có thể gửi những con tàu vũ trụ nhỏ này đến hàng trăm hoặc hàng ngàn vật thể trong Thắt lưng Kuiper, và bạn đã ở ngoài đó trong vòng hai ngày rưỡi. Bạn có thể gửi tàu vũ trụ qua Sao Diêm Vương mỗi ngày. Đó sẽ là trò chơi thực sự thay đổi.
Tương lai thực tế
Nhưng ngay cả khi tất cả mọi người đồng ý nên thực hiện một quỹ đạo Sao Diêm Vương, ngày sớm nhất có thể cho một nhiệm vụ như vậy là vào khoảng giữa đầu những năm 2020 và đầu những năm 2030. Nhưng tất cả phụ thuộc vào các khuyến nghị được đưa ra bởi cuộc khảo sát thập phân tiếp theo của cộng đồng khoa học, trong đó sẽ đề xuất các nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu cho Phòng Khoa học Hành tinh Hành tinh của NASA.
Các cuộc khảo sát Dec Phần trăm này là các lộ trình 10 năm của Hồi giáo đặt ra các ưu tiên khoa học và cung cấp hướng dẫn về nơi NASA nên gửi tàu vũ trụ và loại nhiệm vụ nào họ nên làm. Cuộc khảo sát Dec Phần cuối cùng được công bố vào năm 2011, và điều đó đặt ra các ưu tiên của khoa học hành tinh cho đến năm 2022. Lần tiếp theo, vào năm 2023-2034, có thể sẽ được công bố vào năm 2022.
Nhiệm vụ Chân trời mới là kết quả của những gợi ý từ Khảo sát Dec Phần ba của khoa học hành tinh, nơi các nhà khoa học cho biết việc đến thăm hệ thống Sao Diêm Vương và thế giới bên kia là điểm đến ưu tiên hàng đầu.
Vì vậy, nếu bạn mơ thấy một quỹ đạo Sao Diêm Vương, hãy tiếp tục nói về nó.
