p Plutão e Caronte. Crédito:NASA / JHUAPL / SwRI
p Por décadas, só podíamos imaginar qual poderia ser a visão da superfície de Plutão. Agora, nós temos a coisa real. p As imagens e dados do sobrevôo da missão da New Horizons em Plutão em julho de 2015 nos mostraram um mundo inesperadamente impressionante e geologicamente ativo. Os cientistas usaram palavras como 'mágico, '' empolgante 'e' país das maravilhas científico 'para descrever as tão esperadas vistas de perto de Plutão distante.
p Mesmo que os cientistas ainda estejam analisando os dados da New Horizons, ideias estão começando a ser formuladas sobre o envio de outra espaçonave para Plutão, mas com uma missão orbital de longo prazo, em vez de um sobrevôo rápido.
p "A próxima missão apropriada para Plutão é um orbitador, talvez equipado com um módulo de pouso se tivéssemos financiamento suficiente para fazer ambos, "O principal investigador da New Horizons, Alan Stern, disse à Universe Today em março.
p Esta semana, Stern compartilhou nas redes sociais que a equipe científica da New Horizons está se reunindo. Mas, separadamente, outro grupo está começando a falar sobre uma possível próxima missão a Plutão.
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p Mas levar uma espaçonave para as regiões externas do nosso sistema solar o mais rápido possível oferece desafios, particularmente por ser capaz de desacelerar o suficiente para permitir a entrada em órbita de Plutão. Para os velozes e leves New Horizons, uma missão orbital era impossível.
p Uma interpretação artística da configuração do Bloco 1 do Sistema de Lançamento Espacial da NASA com um veículo Orion. Crédito:NASA
p Qual sistema de propulsão pode tornar possível uma missão orbital e / ou pênsil de Plutão?
p Algumas ideias estão sendo lançadas.
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Sistema de lançamento espacial
p Um conceito tira proveito do grande, novo Sistema de Lançamento Espacial (SLS), atualmente em desenvolvimento para permitir missões humanas a Marte. A NASA descreve o SLS como "projetado para ser flexível e evolutivo e abrirá novas possibilidades para cargas úteis, incluiu missões científicas robóticas. "Mesmo a primeira versão do Bloco 1 pode lançar 70 toneladas métricas (as versões posteriores podem ser capazes de levantar até 130 toneladas métricas). , com um impulso proposto de 15% a mais no lançamento do que os foguetes Saturn V que enviaram astronautas à lua.
p Mas uma missão orbital para Plutão pode não ser o melhor uso do SLS sozinho.
p É preciso muito combustível para acelerar um veículo a uma velocidade suficientemente rápida para chegar a Plutão em um período de tempo razoável. Por exemplo, New Horizons foi a nave espacial mais rápida já lançada, usando um foguete Atlas V incrementado com reforços extras, executou uma grande queima quando a New Horizons saiu da órbita terrestre. A espaçonave leve se afastou da Terra aos 36, 000 milhas por hora (cerca de 58, 000 km / hora), em seguida, usou uma ajuda da gravidade de Júpiter para aumentar a velocidade da New Horizons para 52, 000 mph (83, 600 km / h), viajando quase um milhão de milhas (1,5 milhões de km) por dia em sua jornada de 3 bilhões de milhas (4,8 bilhões de km) até Plutão. O vôo durou nove anos e meio.
p "Para entrar na órbita de Plutão, um veículo [como o SLS] teria que aumentar até a mesma velocidade, em seguida, vire e desacelere por metade da viagem para chegar a Plutão com uma velocidade líquida de zero em relação ao planeta, "explicou Stephen Fleming, um investidor em várias startups de espaço alternativo, incluindo XCOR Aerospace, Recursos planetários e NanoRacks. "Infelizmente, devido à tirania da equação do foguete, você teria que carregar todo o combustível / propelente para desacelerar com você no lançamento ... o que significa acelerar o orbitador E todo aquele combustível na fase inicial. Isso requer logaritmicamente mais combustível para a queima inicial, e acaba sendo MUITO combustível. "
p Fleming disse à Universe Today que usando o SLS de vários bilhões de dólares para lançar um orbitador de Plutão, você acabaria lançando uma carga útil inteira cheia de propelente apenas para acelerar e desacelerar um minúsculo orbitador de Plutão. "Essa é uma missão extraordinariamente cara, " ele disse.
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RTG-Ion Propulsion
p Uma ilustração artística da espaçonave Dawn da NASA com seu sistema de propulsão iônica se aproximando de Ceres. Crédito:NASA / JPL-Caltech
p Uma opção melhor pode ser usar um sistema de propulsão de tecnologias combinadas. Stern mencionou um estudo da NASA que analisou o uso do SLS como veículo de lançamento e para impulsionar a espaçonave em direção a Plutão, mas então usando um RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) motor iônico alimentado para depois frear para uma chegada orbital.
p Um RTG produz calor a partir da decomposição natural do plutônio-238 não usado para armas, e o calor é convertido em eletricidade. Um motor iônico RTG seria um sistema de propulsão iônica mais poderoso do que o atual motor iônico elétrico solar da espaçonave Dawn, agora orbitando Ceres, no cinturão de asteróides, além disso, permitiria a operação no sistema solar externo, longe do sol. Este motor de íon movido a energia nuclear permitiria a uma espaçonave em alta velocidade desacelerar e entrar em órbita.
p "O SLS ajudaria você a voar para Plutão, "Stern disse, "e na verdade demoraria dois anos para fazer a frenagem com propulsão iônica."
p Stern disse que o tempo de voo para essa missão a Plutão seria de sete anos e meio, dois anos mais rápido do que a New Horizons.
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Propulsão de Fusão
p Mas a opção mais empolgante pode ser uma missão proposta com a missão Orbiter e Lander de Plutão habilitada para fusão, atualmente em um estudo de Fase 1 no Innovative Advanced Concepts (NIAC) da NASA.
p A proposta usa um motor Direct Fusion Drive (DFD) que possui propulsão e potência em um dispositivo integrado. DFD fornece alto empuxo para permitir um tempo de vôo de cerca de 4 anos para Plutão, além de ser capaz de enviar massa substancial para a órbita, talvez entre 1000 a 8000 kg.
p Uma nave espacial com Direct Fusion Drive em órbita ao redor de Plutão, com o módulo de pouso pronto para ser implantado do lado direito. As grandes estruturas em forma de asa são os radiadores e os lasers de comunicações ópticas estão em treliças que se estendem a partir do centro. Crédito:Princeton Satellite Systems, NASA / JHUAPL / SwRI
p O DFD é baseado no reator de fusão Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) que está em desenvolvimento há 15 anos no Laboratório de Física de Plasma de Princeton.
p Se este sistema de propulsão funcionar conforme planejado, poderia lançar um orbitador de Plutão e um módulo de pouso (ou possivelmente um rover), e fornecer energia suficiente para manter um orbitador e todos os seus instrumentos, bem como enviar muita energia para um módulo de pouso. Isso permitiria ao veículo de superfície enviar o vídeo de volta para o orbitador porque teria muita energia, de acordo com Stephanie Thomas da Princeton Satellite Systems, Inc., que está liderando o estudo NIAC.
p "Nosso conceito é geralmente aceito como, 'Uau, isso soa muito legal! Quando posso conseguir um? '”Thomas disse à Universe Today. Ela disse que ela e sua equipe escolheram um protótipo de órbita e missão de aterrissagem de Plutão em sua proposta porque é um grande exemplo do que pode ser feito com um foguete de fusão.
p Seu sistema de fusão usa uma pequena matriz linear de bobinas de solenóide, e seu combustível de escolha é deutério hélio 3, que tem uma produção de nêutrons muito baixa.
p "Cabe em uma espaçonave, cabe em um veículo de lançamento, "Thomas explicou em uma palestra no simpósio da NIAC (sua palestra começa por volta das 17h30 no vídeo vinculado)." Não há lítio, ou outros materiais perigosos, produz muito poucas partículas prejudiciais. É do tamanho de uma minivan ou caminhão pequeno. Nosso sistema é mais barato e rápido de desenvolver do que outras propostas de fusão. "
p A equipe de Princeton foi capaz de produzir pulsos de 300 milissegundos com seu experimento de aquecimento de plasma, ordens de magnitude melhor do que qualquer outro sistema.
p "O maior obstáculo é a própria fusão, "disse ela." Precisamos construir um experimento maior para terminar de provar o novo método de aquecimento, que exigirá uma ordem de magnitude a mais de recursos do que o projeto tem recebido do Departamento de Energia até agora, "Thomas disse por e-mail." No entanto, ainda é pequeno no grande esquema de projetos de tecnologia avançada, cerca de US $ 50 milhões. "
p Thomas disse que a DARPA gastou muito mais em muitas iniciativas de tecnologia que acabaram canceladas. E também é muito menos do que outras tecnologias de fusão exigem para o mesmo estágio de pesquisa, já que nossa máquina é tão pequena e tem uma configuração de bobina simples. "(Thomas disse, dê uma olhada no orçamento para ITER, o megaprojeto internacional de pesquisa e engenharia de fusão nuclear, atualmente ultrapassando US $ 20 bilhões).
p Órbita e módulo de aterrissagem de Plutão habilitados para fusão. Crédito:Stephanie Thomas
p "Para simplificar, sabemos que nosso método aquece elétrons muito bem e pode extrapolar para íons de aquecimento, mas precisamos construí-lo e prová-lo, " ela disse.
p Thomas e sua equipe estão atualmente trabalhando na tecnologia de "equilíbrio da planta" - os subsistemas que serão necessários para operar o motor no espaço, assumindo que o método de aquecimento funciona conforme previsto atualmente.
p Em termos da própria missão de Plutão, Thomas disse que não há obstáculos específicos no orbitador em si, mas envolveria a ampliação de algumas tecnologias para aproveitar a grande quantidade de energia disponível, como as comunicações ópticas.
p "Poderíamos dedicar dezenas ou mais kW de potência ao laser de comunicação, não 10 watts, [como as missões atuais] ", disse ela." Outra característica única de nosso conceito é ser capaz de enviar muita energia para um módulo de pouso. Isso possibilitaria novas classes de instrumentos de ciência planetária, como brocas poderosas. A tecnologia para fazer isso existe, mas os instrumentos específicos precisam ser projetados e construídos. A tecnologia adicional que será necessária e que está em desenvolvimento em várias indústrias são os radiadores espaciais leves, fios supercondutores de última geração, e armazenamento criogênico de longo prazo para o combustível deutério. "
p Thomas disse que a pesquisa do NIAC está indo bem.
p "Fomos selecionados para o estudo NIAC Fase II, e estão em negociações de contrato agora, "disse ela." Estamos ocupados trabalhando em modelos de maior fidelidade de impulso do motor, projetar componentes da trajetória, e dimensionando os vários subsistemas, incluindo as bobinas supercondutoras, "disse ela." Nossas estimativas atuais são de que um único motor de 1 a 10 MW produzirá entre 5 e 50 N de empuxo, por volta das 10, Impulso específico de 000 seg. "
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Laser Zapping para Plutão
p Outra possibilidade de propulsão futurística são os sistemas baseados em laser propostos por Yuri Milner para sua proposta Breakthrough Starshot, onde pequenos cubos-ratos podem ser eletrocutados por lasers na Terra, Basicamente, uma nave espacial "zapping bug" para atingir velocidades incríveis (possivelmente milhões de milhas / km por hora) para visitar o sistema solar externo ou além.
p "Não está nos planos usar esse tipo de tecnologia, porque teríamos que esperar décadas apenas para que isso fosse desenvolvido, "Stern disse." Mas se você pudesse enviar peso leve, espaçonaves baratas a velocidades de um décimo da velocidade da luz com base em lasers da Terra. Poderíamos enviar essas pequenas espaçonaves para centenas ou milhares de objetos nos cinturões de Kuiper, e você estaria lá em questão de dois dias e meio. Você poderia enviar uma espaçonave passando por Plutão todos os dias. Isso seria realmente uma mudança de jogo. "
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O Futuro Realista
p Mas mesmo que todos concordem que um orbitador de Plutão deve ser feito, a data mais próxima possível para tal missão é entre o início de 2020 e o início de 2030. Mas tudo depende das recomendações feitas pela próxima pesquisa decadal da comunidade científica, que irá sugerir as missões de maior prioridade para a Divisão de Ciência Planetária da NASA.
p Essas pesquisas decadais são "roteiros" de 10 anos que definem as prioridades científicas e fornecem orientação sobre para onde a NASA deve enviar as espaçonaves e que tipos de missões devem ser. A última pesquisa decadal foi publicada em 2011, e que definiu as prioridades da ciência planetária até 2022. O próximo, para 2023-2034, provavelmente será publicado em 2022.
p A missão Novos Horizontes foi o resultado das sugestões do Decadal Survey de ciências planetárias de 2003, onde os cientistas disseram que visitar o sistema de Plutão e outros mundos era um destino de alta prioridade.
p Então, se você está sonhando com um orbitador de Plutão, continue falando sobre isso.
