لعقود ، كان بإمكاننا فقط أن نتخيل ما قد يكون عليه منظر سطح بلوتو. الآن ، لدينا الشيء الحقيقي.
أظهرت لنا الصور والبيانات من تحليق مهمة نيو هوريزونز في بلوتو في يوليو 2015 عالمًا مذهلاً ونشطًا جيولوجيًا بشكل غير متوقع. استخدم العلماء كلمات مثل "السحر" و "لالتقاط الأنفاس" و "العجائب العلمية" لوصف وجهات النظر القريبة التي طال انتظارها لبلوتو البعيد.
على الرغم من أن العلماء لا يزالون يحللون البيانات من New Horizons ، إلا أن الأفكار بدأت تتشكل حول إرسال مركبة فضائية أخرى إلى بلوتو ، ولكن بمهمة مدارية طويلة المدى بدلاً من التحليق السريع.
وقال آلان ستيرن المحقق الرئيسي في نيو هورايزونز لمجلة الفضاء في مارس "المهمة المناسبة التالية إلى بلوتو هي مركبة فضاء ربما تكون مجهزة بمركب إن كان لدينا التمويل الكافي للقيام بكليهما".
هذا الأسبوع ، شارك ستيرن على وسائل التواصل الاجتماعي التي يلتقي بها فريق العلوم في New Horizons. ولكن ، بشكل منفصل ، بدأت مجموعة أخرى تتحدث عن مهمة تالية محتملة إلى بلوتو.
بعض المشاهد من ورشة عمل Pluto Follow On Mission في هيوستن أمس. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (AlanStern) 25 أبريل 2017
إن الحصول على مركبة فضائية إلى المناطق الخارجية لنظامنا الشمسي بأسرع ما يمكن يوفر تحديات ، خاصة في القدرة على إبطاء ما يكفي لتمكين الذهاب إلى المدار حول بلوتو. بالنسبة إلى New Horizons السريعة وخفيفة الوزن ، كانت المهمة المدارية مستحيلة.
ما هو نظام الدفع الذي قد يجعل مركبة بلوتو و / أو مهمة الهبوط ممكنة؟
يتم طرح بعض الأفكار حولها.
نظام إطلاق الفضاء
يستفيد أحد المفاهيم من نظام ناسا الكبير الجديد لإطلاق الفضاء (SLS) ، الذي يتم تطويره حاليًا لتمكين البعثات البشرية من الوصول إلى كوكب المريخ. تصف وكالة ناسا SLS بأنها "مصممة لتكون مرنة وقابلة للتطور وستفتح إمكانيات جديدة للحمولات ، بما في ذلك المهام العلمية الروبوتية." حتى إصدار Block 1 الأول يمكن أن يطلق 70 طنًا متريًا (قد تكون الإصدارات الأحدث قادرة على رفع ما يصل إلى 130 طنًا متريًا). سيتم تشغيل Block 1 بواسطة معززات صاروخية مزدوجة من خمسة أجزاء وأربعة محركات تعمل بالوقود السائل ، بنسبة 15 ٪ مقترحة أكثر اندفاعًا عند الإطلاق من صواريخ Saturn V التي أرسلت رواد فضاء إلى القمر.
لكن مهمة المدار إلى بلوتو قد لا تكون أفضل استخدام لـ SLS وحده.
يتطلب تسريع السيارة بسرعة كبيرة بما يكفي للوصول إلى بلوتو في فترة زمنية معقولة. على سبيل المثال ، كانت New Horizons أسرع مركبة فضائية تم إطلاقها على الإطلاق ، باستخدام صاروخ Atlas V المحسن مع تعزيزات إضافية ، حيث قامت بحرق كبير عندما غادرت New Horizons مدار الأرض. انطلقت المركبة الفضائية خفيفة الوزن بعيدًا عن الأرض بسرعة 36000 ميل في الساعة (حوالي 58000 كم / ساعة) ، ثم استخدمت مساعدة الجاذبية من المشتري لتعزيز سرعة نيو هورايزونز إلى 52000 ميل في الساعة (83،600 كم / ساعة) ، حيث تقطع ما يقرب من مليون ميل ( 1.5 مليون كيلومتر) في اليوم في رحلتها التي تبلغ 3 مليارات ميل (4.8 مليار كيلومتر) إلى بلوتو. استغرقت الرحلة تسع سنوات ونصف.
وأوضح ستيفن فليمنج: "لدخول مدار بلوتو ، يجب على المركبة [مثل SLS] تعزيز السرعة نفسها ، ثم الدوران والإبطاء لنصف الرحلة للوصول إلى بلوتو بسرعة صفرية صافية بالنسبة للكوكب". ، مستثمر في العديد من الشركات الناشئة بما في ذلك XCOR Aerospace ، Plan Plan Resources و NanoRacks. "لسوء الحظ ، بسبب طغيان معادلة الصاروخ ، سيكون عليك حمل كل الوقود / الدافع للتباطؤ معك عند الإطلاق ... مما يعني تسريع المدار وكل ذلك الوقود في المرحلة الأولية. وهذا يتطلب المزيد من الوقود اللوغاريتمي للحرق الأولي ، وتبين أنه الكثير من الوقود. "
قال فليمنج لمجلة الفضاء أنه باستخدام SLS بمليارات الدولارات لإطلاق مركبة بلوتو ، ستنتهي من إطلاق حمولة كاملة مليئة بالوقود لمجرد تسريع وإبطاء مركبة بلوتو الصغيرة.
وقال "إنها مهمة باهظة الثمن للغاية".
دفع RTG-Ion
قد يكون الخيار الأفضل هو استخدام نظام الدفع للتكنولوجيات المدمجة. ذكر ستيرن دراسة وكالة ناسا التي نظرت في استخدام SLS كمركبة إطلاق وتعزيز المركبة الفضائية تجاه بلوتو ، ولكن بعد ذلك باستخدام محرك أيون يعمل بالطاقة الحرارية RTG (مولد النظائر المشعة) إلى الفرامل في وقت لاحق للوصول المداري.
ينتج RTG الحرارة من الانحلال الطبيعي للبلوتونيوم 238 غير الصالح للأسلحة ، ويتم تحويل الحرارة إلى كهرباء. سيكون محرك أيون RTG نظام دفع أيون أكثر قوة من محرك أيون كهربائي شمسي حالي على المركبة الفضائية دون ، يدور الآن سيريس ، في حزام الكويكبات ، بالإضافة إلى أنه سيمكن التشغيل في النظام الشمسي الخارجي ، بعيدًا عن الشمس. سيمكن هذا المحرك الأيوني الذي يعمل بالطاقة النووية مركبة فضائية مسرعة من الإبطاء والدخول إلى المدار.
قال ستيرن: "ستعززك SLS لتطير إلى بلوتو ، وسيستغرق الأمر عامين بالفعل للقيام بالكبح بدفع الأيونات".
وقال ستيرن إن وقت الرحلة لمثل هذه الرحلة إلى بلوتو سيكون سبع سنوات ونصف ، أسرع بعامين من نيو هورايزونز.
دفع الانصهار
لكن الخيار الأكثر إثارة قد يكون مهمة Pluto Orbiter و Lander المقترحة والممكنة فيوجن حاليًا في إطار دراسة المرحلة الأولى في المفاهيم المتقدمة المبتكرة (NIAC) التابعة لناسا.
يستخدم الاقتراح محرك Direct Fusion Drive (DFD) الذي يحتوي على الدفع والقوة في جهاز واحد متكامل. يوفر DFD قوة دفع عالية للسماح بوقت طيران يبلغ حوالي 4 سنوات إلى بلوتو ، بالإضافة إلى القدرة على إرسال كتلة كبيرة إلى المدار ، ربما بين 1000 إلى 8000 كجم.
يعتمد DFD على مفاعل اندماج التكوين العكسي لمجال برينستون (PFRC) الذي كان قيد التطوير لمدة 15 عامًا في مختبر فيزياء برينستون بلازما.
إذا كان نظام الدفع هذا يعمل على النحو المخطط له ، فيمكنه إطلاق مركبة بلوتو ومركبة إنزال (أو ربما روفر) ، وتوفير قوة كافية للحفاظ على مركبة فضائية وجميع أدواتها ، بالإضافة إلى إرسال الكثير من الطاقة إلى مركبة إنزال. وهذا سيمكّن المركبة السطحية من إرسال الفيديو إلى المدار مرة أخرى لأنه سيكون لديه الكثير من القوة ، وفقًا لستيفاني توماس من شركة برينستون ستالايت سيستمز ، التي تقود دراسة NIAC.
"يتم تلقي مفهومنا بشكل عام على أنه" رائع ، يبدو ذلك رائعًا حقًا! وقال توماس لمجلة الفضاء: "متى يمكنني الحصول على واحدة؟". وقالت إنها وفريقها اختاروا نموذجًا أوليًا لمركبة بلوتو ومهمة الهبوط في اقتراحهم لأنه مثال رائع على ما يمكن فعله بصاروخ الاندماج.
يستخدم نظام الاندماج الخاص بهم مجموعة خطية صغيرة من الملفات اللولبية ، ووقودهم المفضل هو ديوتريوم هيليوم 3 ، الذي يحتوي على إنتاج نيوتروني منخفض جدًا.
أوضحت توماس في ندوة نياك (تحدثها حوالي الساعة 17:30 في الفيديو المرتبط): "إنها تتناسب مع مركبة فضائية ، وتناسبها مركبة إطلاق". "لا يوجد الليثيوم ، أو غيرها من المواد الخطرة ، فهي تنتج القليل جدا من الجسيمات الضارة. إنها بحجم شاحنة صغيرة أو صغيرة. نظامنا أرخص وأسرع في التطور من مقترحات الانصهار الأخرى ".
تمكن فريق برينستون من إنتاج 300 نبضة من الثانية من خلال تجربة تسخين البلازما ، وهو أمر أفضل من أي نظام آخر.
قالت: "إن أكبر عقبة هي الاندماج ذاته". قال توماس عبر البريد الإلكتروني: "نحتاج إلى إنشاء تجربة أكبر لإنهاء إثبات طريقة التسخين الجديدة ، والتي ستتطلب أمرًا بحجم موارد أكثر مما تلقاه المشروع من وزارة الطاقة حتى الآن". "ومع ذلك ، فهي لا تزال صغيرة في المخطط الكبير لمشاريع التكنولوجيا المتقدمة ، حوالي 50 مليون دولار."
قال توماس إن DARPA أنفقت أكثر من ذلك بكثير على العديد من المبادرات التكنولوجية التي انتهى بها الأمر إلى إلغائها. وهو أيضًا أقل بكثير مما تتطلبه تقنيات الانصهار الأخرى لنفس المرحلة من البحث ، نظرًا لأن أجهزتنا صغيرة جدًا وتحتوي على تكوين ملف بسيط. " (قال توماس أن نلقي نظرة على ميزانية ITER ، المشروع الاندماجي الدولي لأبحاث الاندماج النووي والهندسي ، والذي تبلغ تكلفته حاليًا 20 مليار دولار).
وقالت: "ببساطة ، نحن نعلم أن طريقتنا تسخن الإلكترونات جيدًا ويمكننا استقراءها لتسخين الأيونات ، لكننا نحتاج إلى بنائها وإثباتها".
تعمل توماس وفريقها حاليًا على تقنية "توازن المصنع" - النظم الفرعية المطلوبة لتشغيل المحرك في الفضاء ، بافتراض أن طريقة التسخين تعمل كما هو متوقع حاليًا.
فيما يتعلق بمهمة بلوتو نفسها ، قال توماس إنه لا توجد أي عقبات على المركبة الفضائية نفسها ، ولكنها ستشمل زيادة عدد قليل من التقنيات للاستفادة من الكمية الكبيرة جدًا من الطاقة المتاحة ، مثل الاتصالات الضوئية.
وقالت: "يمكننا تكريس عشرات أو أكثر من كيلووات من الطاقة لليزر الاتصالات ، وليس 10 واط ، [مثل المهام الحالية]". "إن الميزة الفريدة الأخرى لمفهومنا هي القدرة على نقل الكثير من الطاقة إلى المركبة الأرضية. وهذا من شأنه تمكين فئات جديدة من أدوات العلوم الكوكبية مثل التدريبات القوية. التكنولوجيا اللازمة للقيام بذلك موجودة ولكن الأدوات المحددة تحتاج إلى تصميم وبناء. التكنولوجيا الإضافية التي ستكون هناك حاجة إليها والتي يجري تطويرها في مختلف الصناعات هي مشعات الفضاء خفيفة الوزن ، وأسلاك التوصيل الفائق من الجيل التالي ، والتخزين المبرد طويل الأجل لوقود الديوتيريوم. "
قال توماس إن بحثهم في NIAC يسير على ما يرام.
وقالت: "تم اختيارنا لدراسة المرحلة الثانية من NIAC ، ونجري مفاوضات بشأن العقود الآن". وقالت: "نحن مشغولون بالعمل على نماذج عالية الدقة لتوجه المحرك ، وتصميم مكونات المسار ، وتغيير حجم الأنظمة الفرعية المختلفة ، بما في ذلك الملفات فائقة التوصيل". "تشير تقديراتنا الحالية إلى أن محركًا واحدًا إلى 10 ميجاوات سينتج قوة دفع تتراوح بين 5 و 50 نيوتن ، بدفعة محددة تبلغ حوالي 10000 ثانية".
انطلاق الليزر إلى بلوتو
إمكانية دفع مستقبلية أخرى هي الأنظمة المعتمدة على الليزر التي اقترحها يوري ميلنر لاقتراحه Breakthrough Starshot ، حيث يمكن أن تقطع أشعة الليزر المكعبات الصغيرة بواسطة الليزر على الأرض ، وهي في الأساس مركبة فضائية "تقشر الحشرات" للوصول إلى سرعات لا تصدق (ربما ملايين الأميال / كم في الساعة) ) لزيارة النظام الشمسي الخارجي أو ما بعده.
وقال ستيرن: "ليس من بين الأمور التي نستخدمها حقًا استخدام هذا النوع من التكنولوجيا ، لأنه سيتعين علينا الانتظار لعقود حتى يتم تطوير هذا". "ولكن إذا كان بإمكانك إرسال مركبة فضائية خفيفة الوزن وغير مكلفة بسرعات مثل عُشر سرعة الضوء على أساس الليزر من الأرض. يمكننا إرسال هذه المركبات الفضائية الصغيرة إلى مئات أو آلاف الأشياء في أحزمة كويبر ، وستكون هناك في غضون يومين ونصف. يمكنك إرسال مركبة فضائية عبر بلوتو كل يوم. هذا سيغير اللعبة حقا ".
المستقبل الواقعي
ولكن حتى لو وافق الجميع على أنه يجب القيام بمركب بلوتو ، فإن أقرب موعد ممكن لمثل هذه المهمة يكون في وقت ما بين أوائل 2020s وأوائل 2030. لكن كل هذا يتوقف على التوصيات التي قدمها المسح العقدي المقبل للمجتمع العلمي ، والذي سيقترح المهام الأكثر أولوية لقسم علوم الكواكب في وكالة ناسا.
هذه الاستقصاءات العقدية هي "خرائط طريق" مدتها 10 سنوات تحدد أولويات العلوم وتوفر التوجيه حول المكان الذي يجب أن ترسل ناسا إليه المركبات الفضائية وأنواع المهام التي يجب أن تكون. نُشر آخر مسح عقدي في عام 2011 ، والذي حدد أولويات علوم الكواكب حتى عام 2022. ومن المرجح أن يُنشر المسح التالي ، للفترة 2023-2034 ، في عام 2022.
كانت مهمة نيو هورايزونز نتيجة الاقتراحات من مسح Decadal لعلوم الكواكب عام 2003 ، حيث قال العلماء إن زيارة نظام بلوتو والعوالم الأخرى كانت وجهة ذات أولوية قصوى.
لذا ، إذا كنت تحلم بمركب بلوتو ، فتابع الحديث عنه.
