Durante décadas, solo pudimos imaginar cuál sería la vista de la superficie de Plutón. Ahora, tenemos lo real.
Las imágenes y los datos del sobrevuelo de la misión de New Horizons de Plutón en julio de 2015 nos mostraron un mundo inesperadamente sorprendente y geológicamente activo. Los científicos han usado palabras como "mágico", "impresionante" y "país de las maravillas científico" para describir las vistas en primer plano tan esperadas del lejano Plutón.
A pesar de que los científicos aún están analizando los datos de New Horizons, las ideas están comenzando a formularse sobre el envío de otra nave espacial a Plutón, pero con una misión orbital a largo plazo en lugar de un sobrevuelo rápido.
"La próxima misión apropiada para Plutón es un orbitador, tal vez equipado con un módulo de aterrizaje si tuviéramos fondos suficientes para hacer ambas cosas", dijo el investigador principal de New Horizons, Alan Stern, a la revista Space en marzo.
Esta semana, Stern ha compartido en las redes sociales que el equipo científico de New Horizons se está reuniendo. Pero, por separado, otro grupo está comenzando a hablar sobre una posible próxima misión a Plutón.
Algunas escenas del taller de Plutón Follow On Mission en Houston ayer. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 de abril de 2017
Llevar una nave espacial a las regiones externas de nuestro sistema solar lo más rápido posible presenta desafíos, particularmente para poder reducir la velocidad lo suficiente como para permitir entrar en órbita alrededor de Plutón. Para los nuevos y rápidos New Horizons, una misión orbital era imposible.
¿Qué sistema de propulsión podría hacer posible una misión de orbitador y / o módulo de aterrizaje de Plutón?
Se están lanzando algunas ideas.
Sistema de lanzamiento espacial
Un concepto aprovecha el nuevo y amplio Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS) de la NASA, actualmente en desarrollo para permitir misiones humanas a Marte. La NASA describe el SLS como "diseñado para ser flexible y evolutivo y abrirá nuevas posibilidades para cargas útiles, incluidas misiones científicas robóticas". Incluso la primera versión del Bloque 1 puede lanzar 70 toneladas métricas (las versiones posteriores pueden levantar hasta 130 toneladas métricas). El Bloque 1 estará propulsado por propulsores de cohetes sólidos de cinco segmentos y cuatro motores de propulsión líquida, con un 15% propuesto más impulso en el lanzamiento que los cohetes Saturno V que enviaron astronautas a la Luna.
Pero una misión orbital a Plutón podría no ser el mejor uso del SLS solo.
Se necesita mucho combustible para acelerar un vehículo a la velocidad suficiente para llegar a Plutón en un tiempo razonable. Por ejemplo, New Horizons fue la nave espacial más rápida jamás lanzada, utilizando un cohete Atlas V mejorado con refuerzos adicionales, realizó una gran quemadura cuando New Horizons salió de la órbita terrestre. La nave espacial liviana se alejó de la Tierra a 36,000 millas por hora (aproximadamente 58,000 km / hora), luego utilizó una ayuda de gravedad de Júpiter para aumentar la velocidad de New Horizons a 52,000 mph (83,600 km / h), viajando casi un millón de millas ( 1,5 millones de kilómetros al día en su viaje de 3 mil millones de millas (4.8 mil millones de kilómetros) a Plutón. El vuelo tomó nueve años y medio.
"Para ingresar a la órbita de Plutón, un vehículo [como SLS] tendría que aumentar a esa misma velocidad, luego dar la vuelta y desacelerar durante la mitad del viaje para llegar a Plutón con una velocidad neta de cero en relación con el planeta", explicó Stephen Fleming , un inversor en varias startups de espacio alternativo, incluidas XCOR Aerospace, Planetary Resources y NanoRacks. “Desafortunadamente, debido a la tiranía de la ecuación del cohete, tendrías que llevar todo el combustible / propulsor para desacelerar contigo en el lanzamiento ... lo que significa acelerar el orbitador Y todo ese combustible en la fase inicial. Eso requiere logarítmicamente más combustible para la combustión inicial, y resulta ser MUCHO combustible ".
Fleming le dijo a Space Magazine que usando el SLS multimillonario para lanzar un orbitador de Plutón, terminarías lanzando una carga completa llena de propulsor solo para acelerar y desacelerar un pequeño orbitador de Plutón.
"Esa es una misión extraordinariamente costosa", dijo.
RTG-Ion Propulsion
Una mejor opción podría ser utilizar un sistema de propulsión de tecnologías combinadas. Stern mencionó un estudio de la NASA que analizó el uso del SLS como vehículo de lanzamiento y para impulsar la nave espacial hacia Plutón, pero luego usó un motor de iones impulsado por RTG (Generador termoeléctrico de radioisótopos) para luego frenar para una llegada orbital.
Un RTG produce calor a partir de la descomposición natural del plutonio-238 sin grado de armas, y el calor se convierte en electricidad. Un motor de iones RTG sería un sistema de propulsión de iones más potente que el actual motor de iones eléctricos solares en la nave espacial Dawn, ahora orbitando Ceres, en el cinturón de asteroides, además permitiría la operación en el sistema solar exterior, lejos del Sol. Este motor de iones de propulsión nuclear permitiría a una nave espacial a alta velocidad reducir la velocidad y entrar en órbita.
"El SLS lo impulsaría a volar a Plutón", dijo Stern, "y en realidad tomaría dos años frenar con propulsión iónica".
Stern dijo que el tiempo de vuelo para tal misión a Plutón sería de siete años y medio, dos años más rápido que New Horizons.
Propulsión Fusion
Pero la opción más emocionante podría ser una misión de Lanzamiento de Plutón y Lanzador de Plutón habilitada para fusión actualmente bajo un estudio de Fase 1 en Conceptos avanzados innovadores de la NASA (NIAC).
La propuesta utiliza un motor Direct Fusion Drive (DFD) que tiene propulsión y potencia en un dispositivo integrado. El DFD proporciona un alto empuje para permitir un tiempo de vuelo de aproximadamente 4 años a Plutón, además de poder enviar una masa sustancial a la órbita, quizás entre 1000 y 8000 kg.
El DFD se basa en el reactor de fusión de configuración invertida de campo de Princeton (PFRC) que ha estado en desarrollo durante 15 años en el laboratorio de física de plasma de Princeton.
Si este sistema de propulsión funciona según lo planeado, podría lanzar un orbitador Plutón y un módulo de aterrizaje (o posiblemente un vehículo explorador), y proporcionar suficiente potencia para mantener un orbitador y todos sus instrumentos, así como transmitir mucha potencia a un módulo de aterrizaje. De acuerdo con Stephanie Thomas de Princeton Satellite Systems, Inc., quien lidera el estudio NIAC, eso permitiría que el vehículo de superficie transmitiera el video al orbitador porque tendría mucha potencia.
“Nuestro concepto generalmente se recibe como,‘ wow, ¡eso suena realmente genial! ¿Cuándo puedo conseguir uno? ", Dijo Thomas a la revista Space. Ella dijo que ella y su equipo eligieron un prototipo de misión orbital y de aterrizaje de Plutón en su propuesta porque es un gran ejemplo de lo que se puede hacer con un cohete de fusión.
Su sistema de fusión utiliza una pequeña serie lineal de bobinas solenoides, y su combustible preferido es el deuterio helio 3, que tiene una producción de neutrones muy baja.
"Cabe en una nave espacial, cabe en un vehículo de lanzamiento", explicó Thomas en una charla del simposio de NIAC (su charla comienza aproximadamente a las 17:30 en el video vinculado). “No hay litio u otros materiales peligrosos, produce muy pocas partículas dañinas. Es del tamaño de una minivan o camioneta. Nuestro sistema es más barato y más rápido de desarrollar que otras propuestas de fusión ".
El equipo de Princeton ha podido producir pulsos de 300 milisegundos con su experimento de calentamiento por plasma, órdenes de magnitud mejor que cualquier otro sistema.
"El mayor obstáculo es la fusión en sí", dijo. "Necesitamos construir un experimento más grande para terminar de probar el nuevo método de calefacción, que requerirá un orden de magnitud más recursos que el proyecto ha recibido del Departamento de Energía hasta ahora", dijo Thomas por correo electrónico. "Sin embargo, todavía es pequeño en el gran esquema de proyectos de tecnología avanzada, alrededor de $ 50 millones".
Thomas dijo que DARPA ha gastado mucho más en muchas iniciativas tecnológicas que terminaron canceladas. Y también es mucho menos de lo que requieren otras tecnologías de fusión para la misma etapa de investigación, ya que nuestra máquina es muy pequeña y tiene una configuración de bobina simple ". (Thomas dijo que eche un vistazo al presupuesto para ITER, el megaproyecto internacional de investigación e ingeniería de fusión nuclear, que actualmente tiene más de $ 20 mil millones).
"En pocas palabras, sabemos que nuestro método calienta muy bien los electrones y puede extrapolarse para calentar iones, pero necesitamos construirlo y probarlo", dijo.
Thomas y su equipo están trabajando actualmente en la tecnología del "equilibrio de la planta": los subsistemas que se requerirán para operar el motor en el espacio, suponiendo que el método de calentamiento funcione como se predice actualmente.
En términos de la misión de Plutón en sí, Thomas dijo que no hay obstáculos particulares en el orbitador en sí, pero implicaría ampliar algunas tecnologías para aprovechar la gran cantidad de energía disponible, como las comunicaciones ópticas.
"Podríamos dedicar decenas o más kW de potencia al láser de comunicación, no 10 vatios, [como las misiones actuales]", dijo. “Otra característica única de nuestro concepto es poder transmitir mucha potencia a un módulo de aterrizaje. Esto permitiría nuevas clases de instrumentos de ciencia planetaria como ejercicios poderosos. La tecnología para hacer esto existe pero los instrumentos específicos necesitan ser diseñados y construidos. La tecnología adicional que se necesitará y que se está desarrollando en varias industrias son los radiadores espaciales livianos, los cables superconductores de próxima generación y el almacenamiento criogénico a largo plazo para el combustible de deuterio ”.
Thomas dijo que su investigación de NIAC va bien.
"Fuimos seleccionados para el estudio NIAC Fase II, y ahora estamos en negociaciones contractuales", dijo. "Estamos ocupados trabajando en modelos de mayor fidelidad del empuje del motor, diseñando componentes de la trayectoria y dimensionando los diversos subsistemas, incluidas las bobinas superconductoras", dijo. "Nuestras estimaciones actuales son que un solo motor de 1 a 10 MW producirá entre 5 y 50 N de empuje, a un impulso específico de aproximadamente 10.000 segundos".
Zapping láser a Plutón
Otra posibilidad de propulsión futurista son los sistemas basados en láser propuestos por Yuri Milner para su propuesta Breakthrough Starshot, donde pequeños cubesats podrían ser eliminados por los láseres en la Tierra, básicamente naves espaciales "zapping" para alcanzar velocidades increíbles (posiblemente millones de millas / km por hora ) para visitar el sistema solar exterior o más allá.
"No está realmente en las tarjetas para nosotros usar este tipo de tecnología, porque tendríamos que esperar décadas solo para que esto se desarrolle", dijo Stern. “Pero si pudieras enviar naves ligeras y económicas a velocidades como una décima parte de la velocidad de la luz basada en los láseres desde la Tierra. Podríamos enviar estas pequeñas naves espaciales a cientos o miles de objetos en los cinturones de Kuiper, y estarías allí en cuestión de dos días y medio. Podrías enviar una nave espacial a Plutón todos los días. Eso realmente cambiaría el juego ".
El futuro realista
Pero incluso si todos están de acuerdo en que debe hacerse un orbitador de Plutón, la fecha más temprana posible para tal misión es en algún momento entre principios de 2020 y principios de 2030. Pero todo depende de las recomendaciones formuladas por la próxima encuesta decenal de la comunidad científica, lo que sugerirá las misiones de mayor prioridad para la División de Ciencia Planetaria de la NASA.
Estas encuestas de décadas son "hojas de ruta" de 10 años que establecen prioridades científicas y brindan orientación sobre dónde la NASA debería enviar naves espaciales y qué tipo de misiones deberían ser. La última Encuesta Década se publicó en 2011, y estableció las prioridades de la ciencia planetaria hasta 2022. La próxima, para 2023-2034, probablemente se publicará en 2022.
La misión New Horizons fue el resultado de las sugerencias de la Decadal Survey de la ciencia planetaria de 2003, donde los científicos dijeron que visitar el sistema de Plutón y los mundos más allá era un destino prioritario.
Entonces, si sueñas con un orbitador de Plutón, sigue hablando de ello.
