Durante décadas, só podíamos imaginar qual seria a visão da superfície de Plutão. Agora, nós temos a coisa real.
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", "de tirar o fôlego" e "país das maravilhas científicas" para descrever as tão esperadas vistas em close de Plutão distante.
Embora os cientistas ainda estejam analisando os dados da New Horizons, idéias estão começando a se formular sobre o envio de outra espaçonave para Plutão, mas com uma missão orbital de longo prazo, em vez de um rápido sobrevôo.
"A próxima missão apropriada a Plutão é um orbital, talvez equipado com um módulo de aterrissagem, se tivéssemos fundos suficientes para fazer as duas coisas", disse o investigador principal da New Horizons Alan Stern à Space Magazine em março.
Esta semana, Stern compartilhou nas mídias 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.
Algumas cenas do workshop Plutão Follow On Mission em Houston ontem. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 de abril de 2017
Levar uma espaçonave para as regiões externas de nosso sistema solar o mais rápido possível gera desafios, principalmente por ser capaz de desacelerar o suficiente para permitir entrar em órbita em torno de Plutão. Para os velozes e leves New Horizons, uma missão orbital era impossível.
Que sistema de propulsão pode tornar possível uma missão orbital e / ou lander de Plutão?
Algumas idéias estão sendo lançadas.
Sistema de Lançamento Espacial
Um conceito aproveita o grande e novo Sistema de Lançamento Espacial (SLS) da NASA, 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, incluindo missões científicas robóticas". Até a primeira versão do Bloco 1 pode lançar 70 toneladas (as versões posteriores podem elevar até 130 toneladas). O Bloco 1 será equipado com propulsores de foguete sólidos de cinco segmentos e quatro motores de propulsão líquida, com uma proposta de 15% mais impulso no lançamento do que os foguetes Saturn V que enviaram astronautas para a Lua.
Mas uma missão orbital para Plutão pode não ser o melhor uso do SLS sozinho.
É preciso muito combustível para acelerar um veículo a uma velocidade rápida o suficiente para chegar a Plutão em um período de tempo razoável. Por exemplo, a New Horizons foi a espaçonave mais rápida já lançada, usando um foguete Atlas V com reforços extras, que causou uma grande queimadura quando a New Horizons partiu da órbita terrestre. A sonda leve voou para longe da Terra a cerca de 58.000 km / hora (36.000 milhas por hora) e depois usou uma assistência de gravidade de Júpiter para aumentar a velocidade da New Horizons para 83.600 km / h, viajando quase um milhão de milhas ( 1,5 milhão de quilômetros por dia em sua jornada de 3 bilhões de milhas (4,8 bilhões de quilômetros) até Plutão. O vôo levou nove anos e meio.
“Para entrar na órbita de Plutão, um veículo [como o SLS] teria que subir na mesma velocidade, depois virar e desacelerar durante metade da viagem para chegar a Plutão com uma velocidade líquida zero em relação ao planeta”, explicou Stephen Fleming , um investidor em várias empresas iniciantes no espaço alternativo, incluindo XCOR Aerospace, Planetary Resources e NanoRacks. “Infelizmente, devido à tirania da equação do foguete, você teria que carregar todo o combustível / propulsor para desacelerar com você no lançamento ... o que significa acelerar o orbitador E todo esse combustível na fase inicial. Isso requer logaritmicamente mais combustível para a queima inicial, e acaba sendo muito combustível. ”
Fleming disse à Space Magazine que, usando o SLS multibilionário para lançar um orbitador de Plutão, você acabaria lançando uma carga útil cheia de propulsor apenas para acelerar e desacelerar um minúsculo orbitador de Plutão.
"Essa é uma missão extraordinariamente cara", disse ele.
Propulsão de íons RTG
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 impulsionou a espaçonave em direção a Plutão, mas usando um motor de íon alimentado por RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) para freiar posteriormente por uma chegada orbital.
Um RTG produz calor a partir da decomposição natural do plutônio 238, que não é do tipo arma de fogo, e o calor é convertido em eletricidade. Um mecanismo de íons RTG seria um sistema de propulsão de íons mais poderoso que o atual mecanismo de íons solares elétricos da espaçonave Dawn, agora orbitando Ceres, no cinturão de asteróides, além de permitir a operação no sistema solar externo, longe do Sol. Esse mecanismo de íons com energia nuclear permitiria a uma nave espacial em alta velocidade desacelerar e entrar em órbita.
"O SLS o levaria a voar para Plutão", disse Stern, "e na verdade levaria dois anos para travar com propulsão a íons".
Stern disse que o tempo de voo para tal missão em Plutão seria sete anos e meio, dois anos mais rápido que a New Horizons.
Propulsão por fusão
Mas a opção mais interessante pode ser uma missão proposta de Orbiter e Lander habilitados para fusão, atualmente em estudo de Fase 1 nos Conceitos avançados inovadores da NASA (NIAC).
A proposta usa um mecanismo Direct Fusion Drive (DFD) que possui propulsão e potência em um dispositivo integrado. O DFD fornece alto empuxo para permitir um tempo de vôo de cerca de 4 anos para Plutão, além de poder enviar massa substancial para a órbita, talvez entre 1000 e 8000 kg.
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.
Se esse sistema de propulsão funcionar conforme o planejado, ele poderá lançar um orbitador de Plutão e um módulo de aterrissagem (ou possivelmente um veículo espacial) e fornecer energia suficiente para manter um orbital e todos os seus instrumentos, além de transmitir muita energia para um módulo de aterrissagem. Isso permitiria ao veículo de superfície transmitir o vídeo de volta ao orbitador, porque teria muito poder, de acordo com Stephanie Thomas, da Princeton Satellite Systems, Inc., que lidera o estudo do NIAC.
“Nosso conceito geralmente é recebido como, uau, isso soa muito legal! Quando posso conseguir um? '', Disse Thomas à Space Magazine. Ela disse que ela e sua equipe escolheram um protótipo de missão orbital e de pouso de Plutão em sua proposta porque é um ótimo exemplo do que pode ser feito com um foguete de fusão.
Seu sistema de fusão usa uma pequena matriz linear de bobinas solenóides, e seu combustível de escolha é o deutério hélio 3, que tem uma produção de nêutrons muito baixa.
"Ele se encaixa em uma espaçonave, se encaixa em um veículo de lançamento", explicou Thomas em uma palestra no simpósio da NIAC (sua palestra começa às 17:30 no vídeo vinculado). "Não há lítio ou outros materiais perigosos, ele 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. ”
A equipe de Princeton conseguiu produzir pulsos de 300 milissegundos com seu experimento de aquecimento por plasma, ordens de magnitude melhores do que qualquer outro sistema.
"O maior obstáculo é a fusão em si", disse ela. "Precisamos construir um experimento maior para concluir a prova do novo método de aquecimento, que exigirá uma ordem de magnitude de mais recursos do que o projeto vem recebendo do Departamento de Energia até agora", disse Thomas por e-mail. "No entanto, ainda é pequeno no grande esquema de projetos de tecnologia avançada, cerca de US $ 50 milhões".
Thomas disse que a DARPA gastou muito mais em muitas iniciativas de tecnologia que acabaram sendo canceladas. E também é muito menor do que outras tecnologias de fusão exigem para o mesmo estágio de pesquisa, pois nossa máquina é muito pequena e possui uma configuração simples de bobina. ” (Thomas disse que dê uma olhada no orçamento do ITER, o megaprojeto internacional de pesquisa e engenharia de fusão nuclear, atualmente com mais de US $ 20 bilhões).
"Simplificando, sabemos que nosso método aquece elétrons muito bem e pode extrapolar para íons de aquecimento, mas precisamos construí-lo e prová-lo", disse ela.
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 funcione como previsto atualmente.
Em termos da missão de Plutão, Thomas disse que não existem obstáculos específicos no próprio orbital, mas isso envolveria o aumento de algumas tecnologias para tirar proveito da grande quantidade de energia disponível, como as comunicações ópticas.
"Poderíamos dedicar dezenas ou mais kW de potência ao laser de comunicação, e não 10 watts, [como missões atuais]", disse ela. “Outra característica única do nosso conceito é poder transmitir muita energia a um lander. Isso permitiria novas classes de instrumentos científicos planetários, como exercícios poderosos. A tecnologia para fazer isso existe, mas os instrumentos específicos precisam ser projetados e construídos. A tecnologia adicional necessária que está sendo desenvolvida em várias indústrias é a de radiadores espaciais leves, fios supercondutores da próxima geração e armazenamento criogênico a longo prazo para o combustível de deutério ”.
Thomas disse que a pesquisa do NIAC está indo bem.
"Fomos selecionados para o estudo da Fase II do NIAC e agora estamos em negociações contratuais", disse ela. "Estamos ocupados trabalhando em modelos de maior fidelidade do impulso do motor, projetando 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 impulso, a um impulso específico de cerca de 10.000 segundos".
Zapping a laser para Plutão
Outra possibilidade de propulsão futurista são os sistemas baseados em laser propostos por Yuri Milner para sua proposta de Breakthrough Starshot, onde pequenos cubesats podem ser zapeados por lasers na Terra, basicamente naves espaciais "zapping" para atingir velocidades incríveis (possivelmente milhões de milhas / km por hora ) para visitar o sistema solar externo ou mais além.
"Não é realmente bom para nós usar esse tipo de tecnologia, porque teremos que esperar décadas apenas para que isso seja desenvolvido", disse Stern. “Mas se você pudesse enviar naves espaciais leves e baratas a velocidades como 1/10 da velocidade da luz com base nos lasers da Terra. Poderíamos enviar essas pequenas naves para centenas ou milhares de objetos nos cinturões de Kuiper, e você estaria lá em questão de dois dias e meio. Você pode enviar uma nave espacial passando por Plutão todos os dias. Isso realmente mudaria o jogo. ”
O futuro realista
Mas mesmo que todos concordem que um orbitador de Plutão deva ser feito, a data mais cedo possível para essa missão é em algum momento entre o início da década de 2020 e o início da década de 2030. Mas tudo depende das recomendações apresentadas pela próxima pesquisa decadal da comunidade científica, que sugerirá as missões de maior prioridade para a Divisão de Ciência Planetária da NASA.
Essas Pesquisas Decadais são “roteiros” de 10 anos que estabelecem prioridades científicas e fornecem orientações sobre onde a NASA deve enviar naves espaciais e que tipos de missões devem ser. A última Pesquisa Decadal foi publicada em 2011 e estabeleceu prioridades científicas planetárias até 2022. A próxima, para 2023-2034, provavelmente será publicada em 2022.
A missão New Horizons foi o resultado das sugestões da Pesquisa Decadal de Ciência Planetária de 2003, onde os cientistas disseram que visitar o sistema de Plutão e mundos além era um destino prioritário.
Então, se você está sonhando com um orbitador de Plutão, continue falando sobre isso.
