Pendant des décennies, nous ne pouvions qu'imaginer quelle pourrait être la vue de la surface de Pluton. Maintenant, nous avons la vraie chose.
Les images et les données du survol de la mission New Horizons de Pluton en juillet 2015 nous ont montré un monde étonnamment étonnant et géologiquement actif. Les scientifiques ont utilisé des mots comme «magique», «à couper le souffle» et «pays des merveilles scientifiques» pour décrire les vues rapprochées tant attendues de Pluton lointain.
Même si les scientifiques analysent toujours les données de New Horizons, des idées commencent à émettre sur l'envoi d'un autre vaisseau spatial à Pluton, mais avec une mission d'orbiteur à long terme au lieu d'un survol rapide.
"La prochaine mission appropriée à Pluton est un orbiteur, peut-être équipé d'un atterrisseur si nous avions suffisamment de fonds pour faire les deux", a déclaré le chercheur principal de New Horizons, Alan Stern, à Space Magazine en mars.
Cette semaine, Stern a partagé sur les réseaux sociaux que l'équipe scientifique de New Horizons se réunissait. Mais, séparément, un autre groupe commence à parler d'une éventuelle prochaine mission à Pluton.
Hier, quelques scènes de l'atelier Pluto Follow On Mission à Houston. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 avril 2017
Amener un vaisseau spatial dans les régions extérieures de notre système solaire le plus rapidement possible présente des défis, en particulier en pouvant ralentir suffisamment pour permettre de se mettre en orbite autour de Pluton. Pour les New Horizons rapides et légers, une mission orbitale était impossible.
Quel système de propulsion pourrait rendre possible une mission d'orbiteur et / ou d'atterrisseur Pluton?
Quelques idées sont lancées.
Système de lancement spatial
Un concept tire parti du grand et nouveau système de lancement spatial (SLS) de la NASA, actuellement en cours de développement pour permettre des missions humaines sur Mars. La NASA décrit le SLS comme «conçu pour être flexible et évolutif et ouvrira de nouvelles possibilités pour les charges utiles, y compris les missions scientifiques robotiques». Même la première version du bloc 1 peut lancer 70 tonnes métriques (les versions ultérieures pourraient soulever jusqu'à 130 tonnes métriques). Le bloc 1 sera propulsé par deux propulseurs à fusée solide à cinq segments et quatre moteurs à propergol liquide, avec une proposition de 15% plus de poussée au lancement que les fusées Saturn V qui ont envoyé des astronautes sur la Lune.
Mais une mission d'orbiteur à Pluton pourrait ne pas être la meilleure utilisation du SLS seul.
Il faut beaucoup de carburant pour accélérer un véhicule à une vitesse suffisamment rapide pour se rendre à Pluton dans un délai raisonnable. Par exemple, New Horizons était le vaisseau spatial le plus rapide jamais lancé, utilisant une fusée Atlas V gonflée avec des boosters supplémentaires, il a effectué une grosse brûlure lorsque New Horizons a quitté l'orbite terrestre. Le vaisseau spatial léger s'est éloigné de la Terre à 36000 miles par heure (environ 58000 km / heure), puis a utilisé une assistance gravitationnelle de Jupiter pour augmenter la vitesse de New Horizons à 52000 mph (83600 km / h), parcourant près d'un million de miles ( 1,5 million de km) par jour au cours de son voyage de 4 milliards de kilomètres vers Pluton. Le vol a duré neuf ans et demi.
"Pour entrer sur l'orbite de Pluton, un véhicule [comme SLS] devrait augmenter jusqu'à cette même vitesse, puis faire demi-tour et ralentir pendant la moitié du trajet pour arriver à Pluton avec une vitesse nette nulle par rapport à la planète", a expliqué Stephen Fleming. , investisseur dans plusieurs startups de l'espace alternatif, notamment XCOR Aerospace, Planetary Resources et NanoRacks. «Malheureusement, en raison de la tyrannie de l'équation de la fusée, vous devrez transporter tout le carburant / propulseur pour décélérer avec vous au lancement… ce qui signifie accélérer l'orbiteur ET tout ce carburant dans la phase initiale. Cela nécessite logarithmiquement plus de carburant pour la combustion initiale, et cela s'avère être BEAUCOUP de carburant. »
Fleming a déclaré à Space Magazine qu'en utilisant le SLS de plusieurs milliards de dollars pour lancer un orbiteur Pluton, vous finiriez par lancer une charge utile entière remplie de propulseur juste pour accélérer et décélérer un minuscule orbiteur Pluton.
«C'est une mission extrêmement coûteuse», a-t-il déclaré.
Propulsion RTG-Ion
Une meilleure option pourrait être d'utiliser un système de propulsion de technologies combinées. Stern a mentionné une étude de la NASA qui visait à utiliser le SLS comme véhicule de lancement et à propulser le vaisseau spatial vers Pluton, mais ensuite à utiliser un moteur ionique alimenté par RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) pour freiner plus tard pour une arrivée orbitale.
Un RTG produit de la chaleur à partir de la désintégration naturelle du plutonium 238 non de qualité militaire, et la chaleur est convertie en électricité. Un moteur ionique RTG serait un système de propulsion ionique plus puissant que le moteur ionique électrique solaire actuel sur le vaisseau spatial Dawn, en orbite autour de Cérès, dans la ceinture d'astéroïdes, en plus de permettre un fonctionnement dans le système solaire externe, loin du Soleil. Ce moteur ionique à propulsion nucléaire permettrait à un vaisseau spatial à grande vitesse de ralentir et de se mettre en orbite.
"Le SLS vous donnerait un coup de pouce pour vous envoler vers Pluton", a déclaré Stern, "et il faudrait en fait deux ans pour faire le freinage avec propulsion ionique."
Stern a déclaré que le temps de vol pour une telle mission vers Pluton serait de sept ans et demi, deux ans plus vite que New Horizons.
Propulsion par fusion
Mais l'option la plus excitante pourrait être une proposition de mission Pluto Orbiter et Lander, compatible avec la fusion, actuellement en cours d'étude de phase 1 dans les Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA.
La proposition utilise un moteur Direct Fusion Drive (DFD) qui a la propulsion et la puissance dans un seul appareil intégré. Le DFD fournit une poussée élevée pour permettre un temps de vol d'environ 4 ans vers Pluton, en plus de pouvoir envoyer une masse substantielle sur orbite, peut-être entre 1000 et 8000 kg.
Le DFD est basé sur le réacteur de fusion Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) qui est en développement depuis 15 ans au Princeton Plasma Physics Laboratory.
Si ce système de propulsion fonctionne comme prévu, il pourrait lancer un orbiteur Pluton et un atterrisseur (ou peut-être un rover), et fournir suffisamment de puissance pour entretenir un orbiteur et tous ses instruments, ainsi que transmettre beaucoup de puissance à un atterrisseur. Cela permettrait au véhicule de surface de renvoyer la vidéo vers l'orbiteur car il aurait tellement de puissance, selon Stephanie Thomas de Princeton Satellite Systems, Inc., qui dirige l'étude NIAC.
«Notre concept est généralement perçu comme« wow, ça sonne vraiment cool! Quand pourrai-je en obtenir un? », A déclaré Thomas au Space Magazine. Elle a dit qu'elle et son équipe avaient choisi un prototype de mission d'orbiteur et d'atterrisseur Pluton dans leur proposition, car c'est un excellent exemple de ce qui peut être fait avec une fusée à fusion.
Leur système de fusion utilise un petit réseau linéaire de bobines solénoïdes, et leur combustible de choix est le deutérium hélium 3, qui a une très faible production de neutrons.
"Il tient sur un vaisseau spatial, il tient sur un lanceur", a expliqué Thomas dans un discours au symposium du NIAC (son discours commence vers 17h30 dans la vidéo liée). "Il n'y a pas de lithium ou d'autres matières dangereuses, il produit très peu de particules nocives. Il s'agit de la taille d'une mini-fourgonnette ou d'un petit camion. Notre système est moins cher et plus rapide à développer que les autres propositions de fusion. »
L'équipe de Princeton a pu produire des impulsions de 300 millisecondes avec son expérience de chauffage au plasma, des ordres de grandeur mieux que tout autre système.
"Le plus grand obstacle est la fusion elle-même", a-t-elle déclaré. "Nous devons construire une expérience plus grande pour finir de prouver la nouvelle méthode de chauffage, qui nécessitera un ordre de grandeur de plus de ressources que le projet n'a reçu du ministère de l'Énergie jusqu'à présent", a déclaré Thomas par e-mail. "Cependant, il est encore petit dans le grand schéma des projets de technologie de pointe, environ 50 millions de dollars."
Thomas a déclaré que la DARPA a dépensé beaucoup plus pour de nombreuses initiatives technologiques qui ont finalement été annulées. Et c'est aussi beaucoup moins que les autres technologies de fusion nécessitent pour le même stade de recherche, car notre machine est si petite et a une configuration de bobine simple. " (Thomas a dit jeter un œil au budget d'ITER, le mégaprojet international de recherche et d'ingénierie en fusion nucléaire, qui représente actuellement plus de 20 milliards de dollars).
"Pour le dire simplement, nous savons que notre méthode chauffe très bien les électrons et peut extrapoler pour chauffer les ions, mais nous devons le construire et le prouver", a-t-elle déclaré.
Thomas et son équipe travaillent actuellement sur la technologie «équilibre de l'usine» - les sous-systèmes qui seront nécessaires pour faire fonctionner le moteur dans l'espace, en supposant que la méthode de chauffage fonctionne comme prévu.
En ce qui concerne la mission Pluton elle-même, Thomas a déclaré qu'il n'y avait pas d'obstacles particuliers sur l'orbiteur lui-même, mais cela impliquerait de mettre à l'échelle quelques technologies pour tirer parti de la très grande quantité d'énergie disponible, comme les communications optiques.
"Nous pourrions consacrer des dizaines ou plus de kW de puissance au laser de communication, pas 10 watts, [comme les missions actuelles]", a-t-elle déclaré. «Une autre caractéristique unique de notre concept est de pouvoir transmettre beaucoup de puissance à un atterrisseur. Cela permettrait de nouvelles classes d'instruments de science planétaire comme des exercices puissants. La technologie pour ce faire existe mais les instruments spécifiques doivent être conçus et construits. Des radiateurs spatiaux légers, des fils supraconducteurs de nouvelle génération et un stockage cryogénique à long terme pour le deutérium seront des technologies supplémentaires en cours de développement dans diverses industries. »
Thomas a déclaré que leurs recherches au NIAC se déroulaient bien.
«Nous avons été sélectionnés pour l'étude de phase II du NIAC et nous négocions actuellement un contrat», a-t-elle déclaré. «Nous sommes occupés à travailler sur des modèles de fidélité supérieure de la poussée du moteur, à concevoir des composants de la trajectoire et à dimensionner les différents sous-systèmes, y compris les bobines supraconductrices», a-t-elle déclaré. "Nos estimations actuelles sont qu'un seul moteur de 1 à 10 MW produira entre 5 et 50 N de poussée, à environ 10 000 secondes d'impulsion spécifique."
Laser zapping à Pluton
Une autre possibilité de propulsion futuriste est les systèmes à base de laser proposés par Yuri Milner pour sa proposition Breakthrough Starshot, où de petits cubesats pourraient être zappés par des lasers sur Terre, essentiellement des engins spatiaux «bug zapping» pour atteindre des vitesses incroyables (peut-être des millions de miles / km par heure ) pour visiter le système solaire externe ou au-delà.
"Ce n'est pas vraiment dans les cartes pour nous d'utiliser ce type de technologie, car nous aurions à attendre des décennies juste pour que cela soit développé", a déclaré Stern. «Mais si vous pouviez envoyer des engins spatiaux légers et peu coûteux à des vitesses comme un dixième de la vitesse de la lumière basée sur les lasers de la Terre. Nous pourrions envoyer ces petits vaisseaux spatiaux à des centaines ou des milliers d'objets dans les ceintures de Kuiper, et vous seriez là-bas dans deux jours et demi. Vous pouvez envoyer un vaisseau spatial devant Pluton tous les jours. Ce serait vraiment changer la donne. »
L'avenir réaliste
Mais même si tout le monde convient qu'un orbiteur de Pluton devrait être fait, la date la plus proche possible pour une telle mission se situe entre le début des années 2020 et le début des années 2030. Mais tout dépend des recommandations formulées par la prochaine enquête décennale de la communauté scientifique, qui suggérera les missions les plus prioritaires pour la Division des sciences planétaires de la NASA.
Ces relevés décennaux sont des «feuilles de route» de 10 ans qui définissent les priorités scientifiques et fournissent des conseils sur l'endroit où la NASA devrait envoyer des engins spatiaux et les types de missions qu'ils devraient être. La dernière enquête décennale a été publiée en 2011 et a fixé les priorités des sciences planétaires jusqu'en 2022. La prochaine, pour 2023-2034, sera probablement publiée en 2022.
La mission New Horizons est le résultat des suggestions de l'enquête décennale sur les sciences planétaires en 2003, où les scientifiques ont déclaré que la visite du système de Pluton et des mondes au-delà était une destination prioritaire.
Donc, si vous rêvez d'un orbiteur de Pluton, continuez à en parler.
