अगला प्लूटो मिशन: एक ऑर्बिटर और लैंडर?

दशकों तक, हम केवल कल्पना कर सकते हैं कि प्लूटो की सतह का दृश्य क्या हो सकता है। अब, हमारे पास असली चीज़ है।

जुलाई २०१५ में प्लूटो के न्यू होराइजन्स मिशन फ्लाईबी की छवियों और डेटा ने हमें अप्रत्याशित रूप से आश्चर्यजनक और भौगोलिक रूप से सक्रिय दुनिया दिखाई। सुदूर प्लूटो के लंबे समय से प्रतीक्षित नज़दीकी विचारों का वर्णन करने के लिए वैज्ञानिकों ने, जादुई, t लुभावनी ’और land वैज्ञानिक वंडरलैंड’ जैसे शब्दों का उपयोग किया है।

हालांकि वैज्ञानिक अभी भी न्यू होराइजन्स के आंकड़ों का विश्लेषण कर रहे हैं, प्लूटो को एक और अंतरिक्ष यान भेजने के बारे में विचार करना शुरू कर रहे हैं, लेकिन एक त्वरित फ्लाईबाई के बजाय दीर्घकालिक ऑर्बिटर मिशन के साथ।

न्यू होराइजंस के प्रमुख अन्वेषक एलन स्टर्न ने मार्च में स्पेस मैगज़ीन को बताया, "प्लूटो के लिए अगला उपयुक्त मिशन एक ऑर्बिटर है, अगर हम दोनों के लिए पर्याप्त धन हो तो एक लैंडर से लैस होता है।"

इस हफ्ते, स्टर्न ने सोशल मीडिया पर साझा किया है कि न्यू होराइजन्स की विज्ञान टीम बैठक कर रही है। लेकिन, अलग से, प्लूटो के अगले संभावित मिशन के बारे में एक और समूह बात करना शुरू कर रहा है।

ह्यूस्टन में कल प्लूटो फॉलो ऑन मिशन कार्यशाला के कुछ दृश्य। #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZLHH01

- एलनटर्न (@AlanStern) 25 अप्रैल, 2017

जितनी जल्दी हो सके हमारे सौर मंडल के बाहरी क्षेत्रों में एक अंतरिक्ष यान प्राप्त करना चुनौतियां प्रदान करता है, खासकर प्लूटो के चारों ओर कक्षा में जाने के लिए पर्याप्त धीमा करने में सक्षम होने के लिए। शीघ्र और हल्के न्यू होराइजन्स के लिए, एक कक्षीय मिशन असंभव था।

क्या प्रणोदन प्रणाली प्लूटो ऑर्बिटर और / या लैंडर मिशन को संभव बना सकती है?

कुछ विचारों को चारों ओर उछाला जा रहा है।

अंतरिक्ष प्रक्षेपण प्रणाली

एक अवधारणा नासा के बड़े, नए स्पेस लॉन्च सिस्टम (SLS) का लाभ उठाती है, जो वर्तमान में मंगल पर मानव मिशन को सक्षम करने के लिए विकास के अंतर्गत है। नासा एसएलएस के बारे में वर्णन करता है, "लचीले और बेकार होने के लिए डिज़ाइन किया गया है और पेलोड के लिए नई संभावनाएं खोलेगा, जिसमें शामिल हैं परमाणु सुरक्षा मिशन।" यहां तक ​​कि पहला ब्लॉक 1 संस्करण 70 मीट्रिक टन (बाद के संस्करण 130 मीट्रिक टन तक उठाने में सक्षम हो सकता है।) ब्लॉक 1 प्रस्तावित 15% के साथ जुड़वां पांच-खंड ठोस रॉकेट बूस्टर और चार तरल प्रणोदक इंजन द्वारा संचालित किया जाएगा। चंद्रमा पर अंतरिक्ष यात्रियों को भेजने वाले सैटर्न वी रॉकेटों की तुलना में लॉन्च पर अधिक जोर दिया गया।

लेकिन प्लूटो के लिए एक कक्षीय मिशन अकेले एसएलएस का सबसे अच्छा उपयोग नहीं हो सकता है।

उचित समय पर प्लूटो में जाने के लिए एक वाहन को तेज गति से तेज करने में बहुत अधिक ईंधन लगता है। उदाहरण के लिए, न्यू होरिज़न्स अब तक का सबसे तेज अंतरिक्ष यान था, जिसमें अतिरिक्त बूस्टर के साथ एक सूप-अप एटलस वी रॉकेट का उपयोग किया गया था, जब न्यू होराइजन्स ने पृथ्वी की कक्षा में प्रस्थान किया तो इसने एक बड़ा प्रदर्शन किया। हल्के अंतरिक्ष यान ने पृथ्वी से 36,000 मील प्रति घंटे (लगभग 58,000 किमी / घंटा) की दूरी तय की, फिर न्यू होराइजन्स की गति को 52,000 मील प्रति घंटे (83,600 किमी / घंटा) तक बढ़ाने के लिए बृहस्पति से एक गुरुत्वाकर्षण सहायता का उपयोग किया, जो लगभग एक मिलियन मील की दूरी पर था। प्लूटो की 3 बिलियन मील (4.8 बिलियन किमी) की यात्रा में एक दिन में 1.5 मिलियन किमी। फ्लाइट को साढ़े नौ साल हो गए।

"प्लूटो कक्षा में प्रवेश करने के लिए, एक वाहन [जैसे एसएलएस] को उसी गति तक बढ़ाना होगा, फिर प्लूटो में ग्रह के सापेक्ष शून्य वेग के साथ आने के लिए आधी यात्रा के लिए चारों ओर मुड़ें और मंदी करें," स्टेप्स फ्लेमिंग ने समझाया , XCOR एयरोस्पेस, प्लैनेटरी रिसोर्सेज और नैनोआरक्स सहित कई अल्ट-स्पेस स्टार्टअप्स में एक निवेशक। "दुर्भाग्य से, रॉकेट समीकरण के अत्याचार के कारण, आपको लॉन्च के समय सभी ईंधन / प्रणोदक को अपने साथ ले जाना होगा ... जिसका अर्थ है कि प्रारंभिक चरण में ऑर्बिटर और उस सभी ईंधन को तेज करना। प्रारंभिक जलने के लिए लॉगरिदमिक रूप से अधिक ईंधन की आवश्यकता होती है, और यह ईंधन का एक बहुत निकला। "

फ्लेमिंग ने स्पेस मैगज़ीन को बताया कि प्लूटो ऑर्बिटर को लॉन्च करने के लिए मल्टी-बिलियन डॉलर एसएलएस का उपयोग करते हुए, आप एक छोटे प्लूटो ऑर्बिटर में तेजी लाने और खराब करने के लिए प्रोपेलेंट से भरा पूरा पेलोड लॉन्च करेंगे।

"यह एक असाधारण महंगा मिशन है," उन्होंने कहा।

RTG- आयन प्रोपल्शन

एक बेहतर विकल्प संयुक्त प्रौद्योगिकियों के एक प्रणोदन प्रणाली का उपयोग करना हो सकता है। स्टर्न ने एक नासा के अध्ययन का उल्लेख किया जो एसएलएस को लॉन्च वाहन के रूप में उपयोग करने और प्लूटो की ओर अंतरिक्ष यान को बढ़ावा देने के लिए देखा, लेकिन फिर आरटीजी (रेडियोसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर) का उपयोग करके आयन इंजन को बाद में एक कक्षीय आगमन के लिए ब्रेक दिया।

एक आरटीजी गैर-हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम -238 के प्राकृतिक क्षय से गर्मी पैदा करता है, और गर्मी बिजली में परिवर्तित हो जाती है। एक RTG आयन इंजन, डॉन अंतरिक्ष यान पर वर्तमान सौर इलेक्ट्रिक आयन इंजन की तुलना में अधिक शक्तिशाली आयन प्रणोदन प्रणाली होगा, जो अब क्षुद्रग्रह बेल्ट में सेरेस की परिक्रमा करता है, साथ ही यह सूर्य से दूर, बाहरी सौर मंडल में संचालन को सक्षम करेगा। यह परमाणु ऊर्जा संचालित आयन इंजन एक गतिमान अंतरिक्ष यान को धीमा करने और कक्षा में जाने में सक्षम करेगा।

"एसएलएस आपको प्लूटो के लिए उड़ान भरने के लिए बढ़ावा देगा," स्टर्न ने कहा, "और वास्तव में आयन प्रणोदन के साथ ब्रेकिंग करने में दो साल लगेंगे।"

स्टर्न ने कहा कि प्लूटो के लिए ऐसे मिशन के लिए उड़ान का समय न्यू होराइजन्स की तुलना में दो साल साढ़े सात साल तेज होगा।

फ्यूजन प्रोपल्शन

लेकिन सबसे रोमांचक विकल्प एक प्रस्तावित फ्यूजन-सक्षम प्लूटो ऑर्बिटर और लैंडर मिशन हो सकता है जो वर्तमान में नासा के अभिनव उन्नत अवधारणाओं (NIAC) में एक चरण 1 अध्ययन के तहत है।

प्रस्ताव एक प्रत्यक्ष फ्यूजन ड्राइव (DFD) इंजन का उपयोग करता है जिसमें एक एकीकृत डिवाइस में प्रणोदन और शक्ति होती है। DFD प्लूटो के बारे में 4 साल की उड़ान के समय के लिए उच्च गति प्रदान करता है, साथ ही कक्षा में पर्याप्त द्रव्यमान भेजने में सक्षम है, शायद 1000 से 8000 किलोग्राम के बीच।

डीएफडी प्रिंसटन फील्ड-रिवर्सेड कॉन्फ़िगरेशन (पीएफआरसी) फ्यूजन रिएक्टर पर आधारित है जो प्रिंसटन प्लाज्मा भौतिकी प्रयोगशाला में 15 वर्षों से विकास के अधीन है।

यदि यह प्रणोदन प्रणाली नियोजित के रूप में काम करती है, तो यह प्लूटो ऑर्बिटर और लैंडर (या संभवतः एक रोवर) को लॉन्च कर सकती है, और ऑर्बिटर और उसके सभी उपकरणों को बनाए रखने के लिए पर्याप्त शक्ति प्रदान करती है, साथ ही एक लैंडर को बहुत सारी शक्ति प्रदान करती है। एनआईएसी के अध्ययन का नेतृत्व करने वाले प्रिंसटन सैटेलाइट सिस्टम्स, इंक से स्टेफ़नी थॉमस के अनुसार, यह सतह के वाहन को ऑर्बिटर पर वापस वीडियो बीम करने में सक्षम करेगा, क्योंकि इसमें इतनी शक्ति होगी।

"हमारी अवधारणा आम तौर पर, concept वाह के रूप में प्राप्त होती है, जो वास्तव में अच्छा लगता है! मुझे एक कब मिल सकता है? '' थॉमस ने अंतरिक्ष पत्रिका को बताया। उन्होंने कहा कि उनकी और उनकी टीम ने अपने प्रस्ताव में एक प्रोटोटाइप प्लूटो ऑर्बिटर और लैंडर मिशन को चुना क्योंकि यह फ्यूजन रॉकेट के साथ क्या किया जा सकता है इसका एक शानदार उदाहरण है।

उनका संलयन प्रणाली एक छोटे रैखिक सरणी के सोलनॉइड कॉइल का उपयोग करती है, और उनकी पसंद का ईंधन ड्यूटेरियम हीलियम 3 है, जिसमें न्यूट्रॉन का उत्पादन बहुत कम होता है।

"यह एक अंतरिक्ष यान पर फिट बैठता है, यह एक प्रक्षेपण वाहन पर फिट बैठता है," थॉमस ने NIAC संगोष्ठी में बताया (उनकी बात जुड़े हुए वीडियो में लगभग 17:30 से शुरू होती है)। "कोई लिथियम, या अन्य खतरनाक सामग्री नहीं है, यह बहुत कम हानिकारक कणों का उत्पादन करता है। यह एक मिनीवैन या छोटे ट्रक के आकार के बारे में है। अन्य फ्यूजन प्रस्तावों की तुलना में हमारा सिस्टम सस्ता और तेज है। "

प्रिंसटन टीम अपने प्लाज्मा हीटिंग प्रयोग के साथ 300 मिलीसेकंड दालों का उत्पादन करने में सक्षम रही है, जो कि किसी अन्य प्रणाली से बेहतर परिमाण के आदेश हैं।

"सबसे बड़ी बाधा फ्यूजन ही है," उसने कहा। थॉमस ने ईमेल के माध्यम से कहा, "हमें नई हीटिंग पद्धति को साबित करने के लिए एक बड़ा प्रयोग करने की जरूरत है, जिसके लिए ऊर्जा विभाग से अधिक संसाधनों की आवश्यकता होगी।" "हालांकि, उन्नत प्रौद्योगिकी परियोजनाओं की लगभग 50 मिलियन डॉलर की भव्य योजना में यह अभी भी छोटा है।"

थॉमस ने कहा कि DARPA ने कई प्रौद्योगिकी पहलों पर बहुत अधिक खर्च किया है जो रद्द हो गए। और यह अन्य फ्यूजन तकनीकों की तुलना में अनुसंधान के एक ही चरण के लिए बहुत कम है, क्योंकि हमारी मशीन इतनी छोटी है और इसका सरल विन्यास है। " (थॉमस ने कहा कि ITER, अंतरराष्ट्रीय परमाणु संलयन अनुसंधान और इंजीनियरिंग मेगाप्रोजेक्ट के लिए बजट पर एक नज़र है, वर्तमान में $ 20 मिलियन से अधिक चल रहा है)।

"इसे सीधे शब्दों में कहें, हम जानते हैं कि हमारी विधि इलेक्ट्रॉनों को वास्तव में अच्छी तरह से गर्म करती है और हीटिंग आयनों के लिए अतिरिक्त कर सकती है, लेकिन हमें इसे बनाने और इसे साबित करने की आवश्यकता है," उसने कहा।

थॉमस और उनकी टीम वर्तमान में "संयंत्र के संतुलन" तकनीक पर काम कर रही है - उप-प्रणाली जो अंतरिक्ष में इंजन को संचालित करने के लिए आवश्यक होगी, वर्तमान में भविष्यवाणी की गई हीटिंग विधि के रूप में काम करती है।

प्लूटो मिशन के संदर्भ में, थॉमस ने कहा कि ऑर्बिटर पर स्वयं कोई विशेष बाधा नहीं है, लेकिन इसमें ऑप्टिकल संचार जैसे बहुत बड़ी मात्रा में उपलब्ध बिजली का लाभ उठाने के लिए कुछ तकनीकों को शामिल करना होगा।

उन्होंने कहा, "हम संचार लेजर में दसियों या अधिक किलोवाट की शक्ति समर्पित कर सकते हैं, 10 वाट नहीं, [वर्तमान मिशनों की तरह]" उसने कहा। “हमारी अवधारणा की एक और अनूठी विशेषता एक लैंडर को बहुत अधिक शक्ति प्रदान करने में सक्षम है। यह ग्रह विज्ञान के नए उपकरणों को शक्तिशाली अभ्यास की तरह सक्षम करेगा। ऐसा करने की तकनीक मौजूद है लेकिन विशिष्ट उपकरणों को डिजाइन और निर्मित करने की आवश्यकता है। अतिरिक्त प्रौद्योगिकी की आवश्यकता होगी जो विभिन्न उद्योगों में विकास के अधीन है, हल्के अंतरिक्ष रेडिएटर, अगली पीढ़ी के सुपरकंडक्टिंग तार और ड्यूटेरियम ईंधन के लिए दीर्घकालिक क्रायोजेनिक भंडारण हैं। "

थॉमस ने कहा कि उनका NIAC अनुसंधान अच्छा चल रहा है।

"हम NIAC चरण II अध्ययन के लिए चुने गए थे, और अब अनुबंध वार्ता में हैं," उसने कहा। "हम इंजन के जोर के उच्च निष्ठा मॉडल पर काम करने में व्यस्त हैं, प्रक्षेपवक्र के घटकों को डिजाइन करते हैं, और सुपरकंडक्टिंग कॉइल सहित विभिन्न उप प्रणालियों को आकार देते हैं," उसने कहा। "हमारा वर्तमान अनुमान है कि एक 1 से 10 मेगावाट इंजन लगभग 10,000 सेकंड के समान गतिरोध पर 5 और 50 N जोर के बीच उत्पादन करेगा।"

प्लूटो के लिए लेजर ज़ैपिंग

एक और फ्यूचरिस्टिक प्रोपल्शन संभावना है, लेजर-आधारित सिस्टम जो यूरी मिलनर द्वारा अपने ब्रेकथ्रू स्टार्सशॉट प्रस्ताव के लिए प्रस्तावित किया गया है, जहां पृथ्वी पर लेज़रों द्वारा छोटे क्यूबेट्स को टैप किया जा सकता है, मूल रूप से "बग ज़ैपिंग" अंतरिक्ष यान अविश्वसनीय गति (संभवतः लाखों मील / किमी प्रति घंटे) तक पहुंचने के लिए ) बाहरी सौर मंडल या उससे आगे जाने के लिए।

स्टर्न ने कहा, "यह वास्तव में इस तरह की तकनीक का उपयोग करने के लिए कार्ड में नहीं है, क्योंकि हमें इसके विकास के लिए दशकों इंतजार करना होगा।" “लेकिन अगर आप पृथ्वी से लेज़रों पर आधारित प्रकाश की गति को 10 वीं की तरह हल्के, सस्ते अंतरिक्ष यान भेज सकते हैं। हम इन छोटे अंतरिक्ष यान को क्विपर बेल्ट में सैकड़ों या हजारों वस्तुओं में भेज सकते हैं, और आप दो-ढाई दिनों के भीतर वहां से बाहर हो जाएंगे। आप हर दिन प्लूटो से एक अंतरिक्ष यान भेज सकते हैं। यह वास्तव में खेल बदल जाएगा। ”

यथार्थवादी भविष्य

लेकिन फिर भी अगर हर कोई प्लूटो की परिक्रमा करता है, तो इस तरह के मिशन के लिए जल्द से जल्द संभावित तारीख 2020 से 2030 के दशक के बीच की है। लेकिन यह सब वैज्ञानिक समुदाय के अगले निर्णायक सर्वेक्षण की सिफारिशों पर निर्भर करता है, जो नासा के ग्रह विज्ञान प्रभाग के लिए सबसे शीर्ष प्राथमिकता वाले मिशनों का सुझाव देगा।

ये Decadal Surveys 10 साल के “रोडमैप” हैं जो विज्ञान की प्राथमिकताओं को निर्धारित करते हैं और इस बात पर मार्गदर्शन प्रदान करते हैं कि नासा को कहाँ से अंतरिक्ष यान भेजना चाहिए और उन्हें किस प्रकार के मिशन होने चाहिए। अंतिम डिकैडल सर्वेक्षण 2011 में प्रकाशित किया गया था, और 2022-2034 के माध्यम से ग्रह विज्ञान की प्राथमिकताओं को निर्धारित किया गया था। अगले 2023-2034 के लिए, संभवतः 2022 में प्रकाशित किया जाएगा।

न्यू होराइजंस मिशन 2003 के ग्रहों के विज्ञान डेकाडल सर्वेक्षण के सुझावों का परिणाम था, जहां वैज्ञानिकों ने कहा कि प्लूटो प्रणाली और उससे आगे की दुनिया का दौरा करना सर्वोच्च प्राथमिकता वाला गंतव्य था।

इसलिए, यदि आप प्लूटो ऑर्बिटर का सपना देख रहे हैं, तो इसके बारे में बात करते रहें।