لعقود من الزمان ، كنا نتخيل فقط كيف يمكن أن يكون منظر سطح بلوتو. الآن ، لدينا الشيء الحقيقي.
الصور والبيانات من مهمة نيو هورايزونز أظهر لنا التحليق فوق بلوتو في يوليو 2015 عالماً مذهلاً ونشطًا جيولوجيًا بشكل غير متوقع. استخدم العلماء كلمات مثل 'السحرية' و 'لالتقاط الأنفاس' و 'أرض العجائب العلمية' لوصف المناظر عن قرب التي طال انتظارها لبلوتو البعيد.
على الرغم من أن العلماء ما زالوا يحللون البيانات من New Horizons ، إلا أن الأفكار بدأت تتشكل حول إرسال مركبة فضائية أخرى إلى بلوتو ، ولكن في مهمة طويلة المدى بدلاً من التحليق السريع.
'المهمة التالية المناسبة إلى بلوتو هي مركبة مدارية ، ربما تكون مجهزة بمركبة هبوط إذا كان لدينا التمويل الكافي للقيام بالأمرين ،' ، المحقق الرئيسي في نيو هورايزونز ، آلان ستيرن قال الكون اليوم في مارس.
هذا الأسبوع ، شارك ستيرن على وسائل التواصل الاجتماعي أن فريق العلوم في نيو هورايزونز سيجتمع. ولكن ، بشكل منفصل ، بدأت مجموعة أخرى تتحدث عن مهمة مقبلة محتملة إلى بلوتو.
بعض المشاهد من ورشة عمل بلوتو Follow On Mission في هيوستن بالأمس. #المستقبل مشرق # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (AlanStern) 25 أبريل 2017
إن الحصول على مركبة فضائية إلى المناطق الخارجية من نظامنا الشمسي بأسرع ما يمكن يوفر تحديات ، لا سيما في القدرة على الإبطاء بما يكفي لتمكين الذهاب إلى مدار حول بلوتو. بالنسبة لنيو هورايزونز السريعة والخفيفة الوزن ، كانت المهمة المدارية مستحيلة.
ما هو نظام الدفع الذي قد يجعل مهمة مركبة بلوتو و / أو مركبة الهبوط ممكنة؟
يتم طرح بعض الأفكار حولها.
نظام الإطلاق الفضائي
أحد المفاهيم يستفيد من نظام الإطلاق الفضائي الكبير والجديد (SLS) التابع لناسا ، والذي يجري تطويره حاليًا لتمكين البعثات البشرية إلى المريخ. تصف وكالة ناسا SLS بأنها 'مصممة لتكون مرنة وقابلة للتطور وستفتح إمكانيات جديدة للحمولات ، بما في ذلك المهام العلمية الروبوتية.' حتى الإصدار الأول من Block 1 يمكنه إطلاق 70 طنًا متريًا (قد تكون الإصدارات الأحدث قادرة على رفع ما يصل إلى 130 طنًا متريًا.) سيتم تشغيل الكتلة 1 بواسطة معززات صاروخية صلبة مزدوجة من خمسة أجزاء وأربعة محركات تعمل بالوقود السائل ، مع اقتراح 15٪ قوة دفع عند الإطلاق أكثر من صواريخ Saturn V التي أرسلت رواد فضاء إلى القمر.
تفسير فنان لتكوين Space Launch System Block 1 التابع لناسا مع مركبة Orion. الصورة: ناسا
ولكن قد لا تكون مهمة المركبة المدارية إلى بلوتو أفضل استخدام لـ SLS وحدها.
يتطلب الأمر الكثير من الوقود لتسريع السيارة بسرعة كافية للوصول إلى بلوتو في فترة زمنية معقولة. على سبيل المثال ، كانت New Horizons أسرع مركبة فضائية تم إطلاقها على الإطلاق ، باستخدام صاروخ Atlas V معززات إضافية ، وقد أحدثت حرقًا كبيرًا 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 كوكب المشتري لزيادة سرعة نيو هورايزونز إلى 52000 ميل في الساعة (83600 كم / ساعة) ، وسافرت 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.
أوضح ستيفن فليمنج: 'للدخول إلى مدار بلوتو ، يجب على مركبة [مثل SLS] التعزيز إلى نفس السرعة ، ثم الالتفاف والتباطؤ لمدة نصف الرحلة للوصول إلى بلوتو بسرعة صافية تبلغ صفر بالنسبة إلى الكوكب'. ، مستثمر في العديد من الشركات الناشئة في الفضاء البديل بما في ذلك XCOR Aerospace و Planetary Resources و NanoRacks. 'لسوء الحظ ، نظرًا لاستبداد معادلة الصاروخ ، سيتعين عليك حمل كل الوقود / الوقود الدافع للتباطؤ معك عند الإطلاق ... مما يعني تسريع المركبة المدارية وكل هذا الوقود في المرحلة الأولية. يتطلب ذلك مزيدًا من الوقود لوغاريتميًا للحرق الأولي ، وقد اتضح أنه قدر كبير من الوقود '.
أخبر Fleming Universe Today أنه باستخدام SLS بمليارات الدولارات لإطلاق مركبة بلوتو المدارية ، سينتهي بك الأمر إلى إطلاق حمولة كاملة مليئة بالوقود فقط لتسريع وإبطاء مركبة بلوتو المدارية الصغيرة.
قال: 'هذه مهمة باهظة الثمن للغاية'.
الدفع الأيوني للأشعة السينية
قد يكون الخيار الأفضل هو استخدام نظام دفع من التقنيات المدمجة. ذكر ستيرن دراسة أجرتها وكالة ناسا والتي نظرت في استخدام SLS كمركبة إطلاق ولتعزيز المركبة الفضائية نحو بلوتو ، ولكن بعد ذلك باستخدام محرك أيوني يعمل بالنظائر المشعة (RTG) يعمل بالطاقة الأيونية للفرملة لاحقًا للوصول إلى المدار.
ينتج RTG حرارة من الانحلال الطبيعي للبلوتونيوم 238 غير المستخدم في صنع الأسلحة ، ويتم تحويل الحرارة إلى كهرباء. سيكون محرك RTG الأيوني نظام دفع أيوني أقوى من محرك الأيونات الشمسية الحالي على المركبة الفضائية Dawn ، التي تدور الآن حول سيريس ، في حزام الكويكبات ، بالإضافة إلى أنه سيمكن التشغيل في النظام الشمسي الخارجي ، بعيدًا عن الشمس. سيمكن هذا المحرك الأيوني الذي يعمل بالطاقة النووية المركبة الفضائية المسرعة من الإبطاء والدخول في المدار.
رسم توضيحي لفنان للمركبة الفضائية Dawn التابعة لناسا بنظام الدفع الأيوني الذي يقترب من سيريس. الصورة: NASA / JPL-Caltech.
قال ستيرن: 'ستدفعك SLS للسفر إلى بلوتو ، وسيستغرق الأمر في الواقع عامين للقيام بالفرملة باستخدام الدفع الأيوني.'
وقال ستيرن إن زمن الرحلة لمثل هذه المهمة إلى بلوتو سيكون سبع سنوات ونصف ، أي أسرع بعامين من نيو هورايزونز.
الدفع الانصهار
لكن الخيار الأكثر إثارة قد يكون مهمة مركبة بلوتو مدارية ومركبة هبوط مقترحة من نوع Fusion-Enabled تخضع حاليًا لدراسة المرحلة الأولى في المفاهيم المتقدمة المبتكرة (NIAC) التابعة لوكالة ناسا.
يستخدم الاقتراح محرك Direct Fusion Drive (DFD) الذي يتمتع بالدفع 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.
مركبة فضائية تعمل بمحرك الانصهار المباشر في مدار حول بلوتو ، مع استعداد المسبار للنشر من الجانب الأيمن. الهياكل الكبيرة الشبيهة بالجناح هي المشعات وليزر الاتصالات الضوئية على دعامات تمتد من المركز. الاعتمادات: أنظمة برينستون للأقمار الصناعية ، ناسا / JHUAPL / SwRI
يعتمد DFD على مفاعل الاندماج برينستون للتكوين العكسي (PFRC) الذي كان قيد التطوير لمدة 15 عامًا في معمل برينستون لفيزياء البلازما .
إذا كان نظام الدفع هذا يعمل كما هو مخطط له ، فيمكنه إطلاق مركبة بلوتو ومركبة هبوط (أو ربما مركبة جوالة) ، وتوفير قوة كافية للحفاظ على المركبة المدارية وجميع أجهزتها ، بالإضافة إلى إرسال الكثير من الطاقة إلى المسبار. من شأن ذلك أن يمكّن المركبة السطحية من إعادة إرسال الفيديو إلى المركبة المدارية لأنها ستمتلك قدرًا كبيرًا من الطاقة ، وفقًا لستيفاني توماس من شركة برينستون ستالايت سيستمز إنك ، التي تقود دراسة NIAC .
'يتم تلقي مفهومنا بشكل عام على أنه' رائع ، هذا يبدو رائعًا حقًا! متى يمكنني الحصول على واحدة؟ ' قالت إنها وفريقها اختاروا نموذجًا أوليًا لمركبة بلوتو ومركبة هبوط في اقتراحهم لأنه مثال رائع لما يمكن فعله بصاروخ الاندماج.
يستخدم نظام الاندماج الخاص بهم مجموعة خطية صغيرة من ملفات الملف اللولبي ، والوقود المفضل لديهم هو الديوتيريوم الهليوم 3 ، والذي ينتج عنه القليل جدًا من النيوترونات.
مسبار بلوتو ومركب هبوط قابل للانصهار. ائتمانات: ستيفاني توماس.
أوضح توماس في كتابه أ محاضرة ندوة NIAC (يبدأ حديثها حوالي الساعة 17:30 في الفيديو المرتبط) . 'لا يوجد الليثيوم ، أو غيره من المواد الخطرة ، فإنه ينتج القليل جدًا من الجسيمات الضارة. إنها بحجم شاحنة صغيرة أو شاحنة صغيرة. نظامنا أرخص وأسرع في التطوير من مقترحات الدمج الأخرى '.
تمكن فريق جامعة برينستون من إنتاج 300 نبضة ميلي ثانية من خلال تجربة تسخين البلازما ، وهي أوامر من حيث الحجم أفضل من أي نظام آخر.
قالت: 'العقبة الأكبر هي الاندماج نفسه'. قال توماس عبر البريد الإلكتروني: 'نحن بحاجة إلى بناء تجربة أكبر لإنهاء إثبات طريقة التسخين الجديدة ، والتي ستتطلب موارد أكبر بكثير من الموارد التي كان المشروع يتلقاها من وزارة الطاقة حتى الآن'. 'ومع ذلك ، فهي لا تزال صغيرة في المخطط الكبير لمشاريع التكنولوجيا المتقدمة ، حوالي 50 مليون دولار.'
قال توماس إن داربا أنفقت أكثر بكثير على العديد من المبادرات التكنولوجية التي انتهى بها الأمر إلى الإلغاء. وهي أيضًا أقل بكثير مما تتطلبه تقنيات الاندماج الأخرى لنفس المرحلة من البحث ، نظرًا لأن آلتنا صغيرة جدًا وبها تكوين ملف بسيط. ' (قال توماس ألق نظرة على ميزانية ITER ، بحث الاندماج النووي الدولي والمشروع الهندسي العملاق ، الذي تبلغ تكلفته حاليًا أكثر من 20 مليار دولار).
قالت: 'بعبارة أبسط ، نحن نعلم أن طريقتنا تسخن الإلكترونات جيدًا ويمكنها استقراء تسخين الأيونات ، لكننا نحتاج إلى بنائها وإثبات ذلك'.
تعمل توماس وفريقها حاليًا على تقنية 'توازن المصنع' - الأنظمة الفرعية التي ستكون مطلوبة لتشغيل المحرك في الفضاء ، على افتراض أن طريقة التسخين تعمل كما هو متوقع حاليًا.
فيما يتعلق بمهمة بلوتو نفسها ، قال توماس إنه لا توجد أي عقبات معينة على المركبة المدارية نفسها ، ولكنها ستشمل توسيع نطاق بعض التقنيات للاستفادة من الكمية الكبيرة جدًا من الطاقة المتاحة ، مثل الاتصالات الضوئية.
قالت: 'يمكننا تخصيص عشرات أو أكثر من كيلوواط من الطاقة لليزر الاتصالات ، وليس 10 واط ، [مثل المهام الحالية]'. 'ميزة فريدة أخرى لمفهومنا هي القدرة على إرسال الكثير من القوة إلى مركبة الهبوط. سيمكن هذا فئات جديدة من أدوات علوم الكواكب مثل التدريبات القوية. التكنولوجيا للقيام بذلك موجودة ولكن الأدوات المحددة تحتاج إلى التصميم والبناء. التكنولوجيا الإضافية التي ستكون مطلوبة والتي هي قيد التطوير في مختلف الصناعات هي مشعات الفضاء خفيفة الوزن ، والجيل التالي من الأسلاك فائقة التوصيل ، والتخزين المبرد طويل الأجل لوقود الديوتيريوم. '
قال توماس إن أبحاثهم في NIAC تسير بشكل جيد.
وقالت: 'تم اختيارنا لدراسة المرحلة الثانية من NIAC ، ونحن الآن في مفاوضات بشأن العقد'. وقالت: 'نحن مشغولون بالعمل على نماذج عالية الدقة لقوة دفع المحرك ، وتصميم مكونات المسار ، وتحديد أحجام الأنظمة الفرعية المختلفة ، بما في ذلك الملفات فائقة التوصيل'. 'تقديراتنا الحالية هي أن محركًا واحدًا من 1 إلى 10 ميغاواط سينتج ما بين 5 و 50 نيوتن ، في حوالي 10000 ثانية دفعة محددة.'
انطلق الليزر إلى بلوتو
إمكانية الدفع المستقبلية الأخرى هي الأنظمة القائمة على الليزر التي اقترحها يوري ميلنر له اقتراح اختراق Starshot ، حيث يمكن أن يتم تحريك مكعبات صغيرة بواسطة الليزر على الأرض ، وبشكل أساسي مركبة فضائية 'bug zapping' للوصول إلى سرعات لا تصدق (ربما ملايين الأميال / كيلومتر في الساعة) لزيارة النظام الشمسي الخارجي أو ما بعده.
قال ستيرن: 'ليس من الممكن حقًا استخدام هذا النوع من التكنولوجيا ، لأنه سيتعين علينا الانتظار عقودًا فقط حتى يتم تطوير هذا'. 'ولكن إذا كان بإمكانك إرسال مركبة فضائية خفيفة الوزن وغير مكلفة بسرعات مثل واحد إلى عُشر سرعة الضوء استنادًا إلى أشعة الليزر القادمة من الأرض. يمكننا إرسال هذه المركبات الفضائية الصغيرة إلى مئات أو آلاف الأجسام في أحزمة كويبر ، وستكون هناك في غضون يومين ونصف. يمكنك إرسال مركبة فضائية عبر بلوتو كل يوم. هذا من شأنه أن يغير قواعد اللعبة حقًا '.
المستقبل الواقعي
ولكن حتى لو اتفق الجميع على ضرورة القيام بمركبة بلوتو ، فإن أقرب موعد ممكن لمثل هذه المهمة هو في وقت ما بين أوائل عام 2020 وأوائل عام 2030. لكن كل هذا يتوقف على التوصيات التي قدمها المسح العقدي القادم للمجتمع العلمي ، والذي سيقترح المهام ذات الأولوية القصوى لقسم علوم الكواكب التابع لناسا.
هذه المسوحات العقدية هي 'خرائط طريق' مدتها 10 سنوات تحدد أولويات العلوم وتوفر إرشادات حول المكان الذي يجب أن ترسل فيه وكالة ناسا للمركبات الفضائية وأنواع المهام التي ينبغي 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 لمقترحات من المسح العقدي لعلوم الكواكب لعام 2003 ، حيث قال العلماء إن زيارة نظام بلوتو والعوالم خارجها كانت وجهة ذات أولوية قصوى.
لذا ، إذا كنت تحلم بمركبة بلوتو ، فاستمر في الحديث عنها.
علمتنا التحليق فوق بلوتو في نيو هورايزون في يوليو 2015 الكثير عن هذا الكوكب. لسبب واحد ، بلوتو أكثر نشاطًا من الناحية الجيوفيزيائية مما كان يُعتقد. تنسب إليه:
ناسا / JHUAPL / SwRI.