Per decenni, potevamo solo immaginare quale potesse essere la vista della superficie di Plutone. Ora, abbiamo la cosa reale.

Le immagini e i dati del flyby della missione New Horizons di Plutone nel luglio 2015 ci hanno mostrato un mondo inaspettatamente sorprendente e geologicamente attivo. Gli scienziati hanno usato parole come "magico, ' 'mozzafiato' e 'paese delle meraviglie scientifico' per descrivere le tanto attese viste ravvicinate del lontano Plutone.

Anche se gli scienziati stanno ancora analizzando i dati di New Horizons, stanno iniziando a formulare idee sull'invio di un'altra navicella spaziale su Plutone, ma con una missione orbitale a lungo termine invece di un rapido sorvolo.

"La prossima missione appropriata su Plutone è un orbiter, magari dotato di un lander se avessimo abbastanza fondi per fare entrambe le cose, Lo ha detto a Universe Today a marzo, il principale investigatore di New Horizons, Alan Stern.

Questa settimana, Stern ha condiviso sui social media che il team scientifico di New Horizons sta incontrando. Ma, separatamente, un altro gruppo sta iniziando a parlare di una possibile prossima missione su Plutone.

Alcune scene del seminario di Pluto Follow On Mission a Houston ieri. #TheFutureIsBright #Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

— AlanStern (@AlanStern) 25 aprile, 2017

Ma portare un veicolo spaziale nelle regioni esterne del nostro sistema solare il più velocemente possibile presenta delle sfide, in particolare nell'essere in grado di rallentare abbastanza da permettere di entrare in orbita attorno a Plutone. Per i nuovi orizzonti veloci e leggeri, una missione orbitale era impossibile.

Quale sistema di propulsione potrebbe rendere possibile una missione orbitante e/o lander Plutone?

Alcune idee vengono lanciate in giro.

Sistema di lancio spaziale

Un concetto sfrutta il grande, nuovo sistema di lancio spaziale (SLS), attualmente in fase di sviluppo per consentire missioni umane su Marte. La NASA descrive l'SLS come "progettato per essere flessibile ed evolutivo e aprirà nuove possibilità per i carichi utili, incluse missioni scientifiche robotiche." Anche la prima versione del Blocco 1 può lanciare 70 tonnellate (le versioni successive potrebbero essere in grado di sollevare fino a 130 tonnellate). Il Blocco 1 sarà alimentato da due propulsori a razzo solido a cinque segmenti e quattro motori a propellente liquido , con una proposta del 15% in più di spinta al lancio rispetto ai razzi Saturn V che hanno inviato gli astronauti sulla Luna.

Ma una missione orbitante su Plutone potrebbe non essere l'uso migliore del solo SLS.

Ci vuole molto carburante per accelerare un veicolo a una velocità sufficiente per arrivare a Plutone in un ragionevole lasso di tempo. Per esempio, New Horizons è stata la navicella spaziale più veloce mai lanciata, usando un razzo Atlas V truccato con booster extra, ha avuto un grande impatto quando New Horizons ha lasciato l'orbita terrestre. La navicella spaziale leggera si è allontanata dalla Terra a 36 anni, 000 miglia all'ora (circa 58, 000 km/ora), quindi ha usato un aiuto gravitazionale di Giove per aumentare la velocità di New Horizons a 52, 000 miglia orarie (83, 600 chilometri orari), viaggiando per quasi un milione di miglia (1,5 milioni di km) al giorno nel suo viaggio di 3 miliardi di miglia (4,8 miliardi di km) verso Plutone. Il volo durò nove anni e mezzo.

"Per entrare nell'orbita di Plutone, un veicolo [come SLS] dovrebbe aumentare fino a quella stessa velocità, quindi girati e decelera per metà del viaggio per arrivare a Plutone con una velocità netta pari a zero rispetto al pianeta, " ha spiegato Stephen Fleming, un investitore in diverse startup dello spazio alternativo tra cui XCOR Aerospace, Risorse planetarie e NanoRack. "Sfortunatamente, a causa della tirannia dell'equazione del razzo, dovresti portare tutto il carburante/propellente per decelerare con te al momento del lancio... il che significa accelerare l'orbiter E tutto quel carburante nella fase iniziale. Ciò richiede logaritmicamente più carburante per la combustione iniziale, e si scopre essere MOLTO carburante."

Fleming ha detto a Universe Today che usando l'SLS multimiliardario per lanciare un orbiter Plutone, finiresti per lanciare un intero carico pieno di propellente solo per accelerare e decelerare un minuscolo orbiter Plutone. "Questa è una missione straordinariamente costosa, " Egli ha detto.

Propulsione agli ioni RTG

Un'opzione migliore potrebbe essere quella di utilizzare un sistema di propulsione di tecnologie combinate. Stern ha menzionato uno studio della NASA che ha esaminato l'utilizzo dell'SLS come veicolo di lancio e per spingere la navicella spaziale verso Plutone, ma poi usando un motore a ioni alimentato da RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) per frenare in seguito per un arrivo orbitale.

Un RTG produce calore dal decadimento naturale del plutonio-238 non adatto alle armi, e il calore viene convertito in elettricità. Un motore a ioni RTG sarebbe un sistema di propulsione ionica più potente dell'attuale motore a ioni elettrico solare sulla navicella spaziale Dawn, ora in orbita intorno a Cerere, nella cintura degli asteroidi, inoltre consentirebbe il funzionamento nel sistema solare esterno, lontano dal sole. Questo motore a ioni a propulsione nucleare consentirebbe a un veicolo spaziale in corsa di rallentare ed entrare in orbita.

"L'SLS ti spingerebbe a volare su Plutone, "Stern ha detto, "e in realtà ci vorrebbero due anni per fare la frenata con la propulsione ionica".

Stern ha detto che il tempo di volo per una tale missione su Plutone sarebbe di sette anni e mezzo, due anni più veloce di New Horizons.

Propulsione a fusione

Ma l'opzione più entusiasmante potrebbe essere una proposta di missione Pluto Orbiter e Lander abilitata alla fusione attualmente in uno studio di Fase 1 nell'Innovative Advanced Concepts (NIAC) della NASA.

La proposta utilizza un motore Direct Fusion Drive (DFD) che ha propulsione e potenza in un unico dispositivo integrato. DFD fornisce un'elevata spinta per consentire un tempo di volo di circa 4 anni su Plutone, oltre a essere in grado di inviare una massa sostanziale in orbita, forse tra 1000 e 8000 kg.

DFD si basa sul reattore a fusione Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) che è stato sviluppato per 15 anni presso il Princeton Plasma Physics Laboratory.

Se questo sistema di propulsione funziona come previsto, potrebbe lanciare un orbiter Plutone e un lander (o forse un rover), e fornire energia sufficiente per mantenere un orbiter e tutti i suoi strumenti, oltre a trasmettere molta potenza a un lander. Ciò consentirebbe al veicolo di superficie di trasmettere il video all'orbiter perché avrebbe così tanta potenza, secondo Stephanie Thomas di Princeton Satellite Systems, Inc., chi sta conducendo lo studio NIAC.

"Il nostro concetto è generalmente ricevuto come, 'Oh, sembra davvero fantastico! Quando posso averne uno? '" Thomas ha detto a Universe Today. Ha detto che lei e il suo team hanno scelto un prototipo di missione orbitante e lander Plutone nella loro proposta perché è un ottimo esempio di cosa si può fare con un razzo a fusione.

Il loro sistema di fusione utilizza una piccola serie lineare di bobine del solenoide, e il loro carburante preferito è il deuterio elio 3, che ha una produzione di neutroni molto bassa.

"Si adatta a una navicella spaziale, si adatta a un veicolo di lancio, " Thomas ha spiegato in una conferenza al simposio NIAC (il suo discorso inizia verso le 17:30 nel video collegato). "Non c'è litio, o altri materiali pericolosi, produce pochissime particelle dannose. Ha le dimensioni di un minivan o di un piccolo camion. Il nostro sistema è più economico e più veloce da sviluppare rispetto ad altre proposte di fusione".

Il team di Princeton è stato in grado di produrre impulsi da 300 millisecondi con il loro esperimento di riscaldamento al plasma, ordini di grandezza migliore di qualsiasi altro sistema.

"Il più grande ostacolo è la fusione stessa, " ha detto. "Abbiamo bisogno di costruire un esperimento più grande per finire di dimostrare il nuovo metodo di riscaldamento, che richiederà un ordine di grandezza in più di risorse rispetto a quelle che il progetto ha ricevuto finora dal Dipartimento dell'Energia, " Thomas ha detto via e-mail. "Tuttavia, è ancora piccolo nel grande schema dei progetti di tecnologia avanzata, circa 50 milioni di dollari".

Thomas ha affermato che la DARPA ha speso molto di più per molte iniziative tecnologiche che sono state annullate. Ed è anche molto meno di quanto altre tecnologie di fusione richiedono per lo stesso stadio di ricerca, poiché la nostra macchina è così piccola e ha una configurazione semplice della bobina." (Thomas ha detto di dare un'occhiata al budget per ITER, il megaprogetto internazionale di ricerca e ingegneria sulla fusione nucleare, attualmente in esecuzione oltre $ 20 miliardi).

"Per dirla semplicemente, sappiamo che il nostro metodo riscalda molto bene gli elettroni e può estrapolare per riscaldare gli ioni, ma dobbiamo costruirlo e dimostrarlo, " lei disse.

Thomas e il suo team stanno attualmente lavorando alla tecnologia "balance of plant":i sottosistemi che saranno necessari per far funzionare il motore nello spazio, supponendo che il metodo di riscaldamento funzioni come attualmente previsto.

Per quanto riguarda la stessa missione di Plutone, Thomas ha detto che non ci sono particolari ostacoli sull'orbiter stesso, ma comporterebbe l'aumento di alcune tecnologie per sfruttare la grande quantità di energia disponibile, come le comunicazioni ottiche.

"Potremmo dedicare decine o più kW di potenza al laser di comunicazione, non 10 watt, [come le missioni attuali]", ha detto. "Un'altra caratteristica unica del nostro concetto è essere in grado di trasmettere molta potenza a un lander. Ciò consentirebbe nuove classi di strumenti di scienze planetarie come potenti trapani. La tecnologia per farlo esiste ma gli strumenti specifici devono essere progettati e costruiti. La tecnologia aggiuntiva che sarà necessaria in fase di sviluppo in vari settori sono i radiatori spaziali leggeri, fili superconduttori di nuova generazione, e stoccaggio criogenico a lungo termine per il combustibile al deuterio."

Thomas ha detto che la loro ricerca NIAC sta andando bene.

"Siamo stati selezionati per lo studio NIAC di Fase II, e sono in trattative contrattuali ora, " ha detto. "Siamo impegnati a lavorare su modelli di maggiore fedeltà della spinta del motore, progettare componenti della traiettoria, e dimensionamento dei vari sottosistemi, comprese le bobine superconduttrici, " ha detto. "Le nostre stime attuali sono che un singolo motore da 1 a 10 MW produrrà tra 5 e 50 N di spinta, verso le 10, Impulso specifico di 000 sec."

Zapping laser su Plutone

Un'altra possibilità di propulsione futuristica sono i sistemi basati su laser proposti da Yuri Milner per la sua proposta Breakthrough Starshot, dove piccoli cubesat potrebbero essere colpiti dai laser sulla Terra, fondamentalmente navicelle spaziali "bug zapping" per raggiungere velocità incredibili (forse milioni di miglia/km all'ora) per visitare il sistema solare esterno o oltre.

"Non è proprio nelle nostre carte utilizzare questo tipo di tecnologia, perché dovremmo aspettare decenni solo per svilupparlo, " disse Stern. "Ma se potessi mandare un peso leggero, veicoli spaziali economici a velocità come un decimo della velocità della luce basati su laser provenienti dalla Terra. Potremmo inviare queste piccole astronavi a centinaia o migliaia di oggetti nelle cinture di Kuiper, e saresti là fuori nel giro di due giorni e mezzo. Potresti inviare una navicella spaziale oltre Plutone ogni giorno. Sarebbe davvero un cambio di gioco".

Il futuro realistico

Ma anche se tutti sono d'accordo che dovrebbe essere fatto un orbiter di Plutone, la prima data possibile per una tale missione è tra i primi anni 2020 e i primi anni 2030. Ma tutto dipende dalle raccomandazioni avanzate dalla prossima indagine decennale della comunità scientifica, che suggerirà le missioni più prioritarie per la Planetary Science Division della NASA.

Questi sondaggi decennali sono "tabelle di marcia" di 10 anni che stabiliscono le priorità scientifiche e forniscono indicazioni su dove la NASA dovrebbe inviare veicoli spaziali e quali tipi di missioni dovrebbero essere. L'ultima indagine decennale è stata pubblicata nel 2011, e che stabiliscono le priorità della scienza planetaria fino al 2022. Il prossimo, per il 2023-2034, sarà probabilmente pubblicato nel 2022.

La missione New Horizons è stata il risultato dei suggerimenti del Decadal Survey della scienza planetaria del 2003, dove gli scienziati hanno affermato che visitare il sistema di Plutone e i mondi oltre era una destinazione prioritaria.

Così, se stai sognando un orbiter di Plutone, continua a parlarne.