Depuis des décennies, nous ne pouvions qu'imaginer ce que 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 la lointaine Pluton.

Même si les scientifiques analysent toujours les données de New Horizons, des idées commencent à se formuler sur l'envoi d'un autre vaisseau spatial vers Pluton, mais avec une mission d'orbiteur à long terme au lieu d'un survol rapide.

"La prochaine mission appropriée vers Pluton est un orbiteur, peut-être équipé d'un atterrisseur si nous avions assez de fonds pour faire les deux, " Le chercheur principal de New Horizons, Alan Stern, a déclaré à Universe Today en mars.

Cette semaine, Stern a partagé sur les réseaux sociaux que l'équipe scientifique de New Horizons se réunit. Mais, séparément, un autre groupe commence à parler d'une éventuelle prochaine mission vers Pluton.

Quelques scènes de l'atelier Pluto Follow On Mission à Houston hier. #TheFutureIsBright #Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01

– AlanStern (@AlanStern) 25 avril, 2017

Mais amener un vaisseau spatial dans les régions extérieures de notre système solaire le plus rapidement possible présente des défis, notamment en étant capable de ralentir suffisamment pour permettre de se mettre en orbite autour de Pluton. Pour les nouveaux 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 circulent.

Système de lancement spatial

Un concept profite du grand, nouveau système de lancement spatial (SLS), actuellement en cours de développement pour permettre des missions humaines vers Mars. La NASA décrit le SLS comme « conçu pour être flexible et évolutif et ouvrira de nouvelles possibilités pour les charges utiles, inclus des 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 poussée proposée de 15% de plus au lancement que les fusées Saturn V qui ont envoyé des astronautes sur la Lune.

Mais une mission d'orbiteur vers Pluton n'est peut-être pas 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 laps de temps raisonnable. Par exemple, New Horizons était le vaisseau spatial le plus rapide jamais lancé, en utilisant une fusée Atlas V gonflée avec des boosters supplémentaires, il a fait une grosse brûlure lorsque New Horizons a quitté l'orbite terrestre. Le vaisseau spatial léger s'est éloigné de la Terre à 36, 000 miles par heure (environ 58, 000 km/heure), puis a utilisé une assistance gravitationnelle de Jupiter pour augmenter la vitesse de New Horizons à 52, 000 mph (83, 600 km/h), voyageant près d'un million de miles (1,5 million de km) par jour dans son voyage de 3 milliards de miles (4,8 milliards de km) 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 décélérer pendant la moitié du trajet pour arriver à Pluton avec une vitesse nette de zéro par rapport à la planète, " a expliqué Stephen Fleming, investisseur dans plusieurs startups alt-space dont XCOR Aerospace, Ressources planétaires et NanoRacks. "Malheureusement, en raison de la tyrannie de l'équation de 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 il s'avère qu'il y a BEAUCOUP de carburant."

Fleming a déclaré à Universe Today qu'en utilisant le SLS de plusieurs milliards de dollars pour lancer un orbiteur Pluton, vous finiriez par lancer une charge utile entière pleine de propulseur juste pour accélérer et décélérer un minuscule orbiteur Pluton. "C'est une mission extraordinairement coûteuse, " il a dit.

RTG-Ion Propulsion

Une meilleure option pourrait être d'utiliser un système de propulsion de technologies combinées. Stern a mentionné une étude de la NASA qui envisageait d'utiliser le SLS comme véhicule de lancement et de propulser le vaisseau spatial vers Pluton, mais ensuite en utilisant un moteur ionique alimenté par RTG (Générateur thermoélectrique radio-isotope) pour freiner plus tard pour une arrivée orbitale.

Un RTG produit de la chaleur à partir de la désintégration naturelle du plutonium-238 non 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, maintenant en orbite autour de Cérès, dans la ceinture d'astéroïdes, De plus, cela permettrait un fonctionnement dans le système solaire externe, loin du Soleil. Ce moteur ionique à propulsion nucléaire permettrait à un vaisseau spatial en excès de vitesse de ralentir et de se mettre en orbite.

"Le SLS vous encouragerait à vous envoler vers Pluton, " Stern dit, "et il faudrait en fait deux ans pour faire le freinage avec la 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 Fusion

Mais l'option la plus excitante pourrait être une proposition de mission Pluto Orbiter and Lander à fusion activée actuellement en cours d'étude de phase 1 dans les concepts avancés innovants de la NASA (NIAC).

La proposition utilise un moteur Direct Fusion Drive (DFD) qui a la propulsion et la puissance dans un seul appareil intégré. 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 en orbite, peut-être entre 1000 à 8000 kg.

Le DFD est basé sur le réacteur de fusion Princeton Field-Reversed Configuration (PFRC) qui est en cours de 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 éventuellement un rover), et fournir suffisamment de puissance pour maintenir un orbiteur et tous ses instruments, ainsi que de transmettre beaucoup de puissance à un atterrisseur. Cela permettrait au véhicule de surface de renvoyer la vidéo à l'orbiteur car il aurait tellement de puissance, selon Stephanie Thomas de Princeton Satellite Systems, Inc., qui dirige l'étude du NIAC.

"Notre concept est généralement reçu comme, 'Wow, ça a l'air vraiment cool ! Quand puis-je en obtenir un ?' », a déclaré Thomas à Universe Today. Elle a déclaré qu'elle et son équipe avaient choisi un prototype 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 de solénoïde, et leur combustible de prédilection est le deutérium hélium 3, qui a une très faible production de neutrons.

"Il tient sur un vaisseau spatial, il tient sur un lanceur, " Thomas a expliqué dans une conférence 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. C'est à peu près la taille d'une 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 leur expérience de chauffage au plasma, ordres de grandeur mieux que tout autre système.

"Le plus gros obstacle est la fusion elle-même, " a-t-elle dit. " Nous devons construire une plus grande expérience pour finir de prouver la nouvelle méthode de chauffage, qui nécessitera un ordre de grandeur plus de ressources que le projet a reçu du ministère de l'Énergie jusqu'à présent, " Thomas a dit par e-mail. " Cependant, c'est encore petit dans le grand schéma des projets de technologie de pointe, environ 50 millions de dollars."

Thomas a déclaré que la DARPA avait dépensé beaucoup plus pour de nombreuses initiatives technologiques qui ont finalement été annulées. Et c'est aussi beaucoup moins que ce qu'exigent les autres technologies de fusion pour le même stade de recherche, puisque notre machine est si petite et a une configuration de bobine simple." (Thomas a dit de jeter un œil au budget pour ITER, le mégaprojet international de recherche et d'ingénierie sur la fusion nucléaire, actuellement plus de 20 milliards de dollars).

"Pour faire simple, nous savons que notre méthode chauffe très bien les électrons et peut extrapoler aux ions chauffants, mais nous devons le construire et le prouver, " elle a dit.

Thomas et son équipe travaillent actuellement sur la technologie "balance of plant" - les sous-systèmes qui seront nécessaires pour faire fonctionner le moteur dans l'espace, en supposant que la méthode de chauffage fonctionne comme prévu actuellement.

En ce qui concerne la mission Pluton elle-même, Thomas a dit qu'il n'y a pas d'obstacles particuliers sur l'orbiteur lui-même, mais il s'agirait de faire évoluer quelques technologies pour profiter de la très grande puissance disponible, comme les communications optiques.

"On pourrait 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 créer de nouvelles classes d'instruments scientifiques planétaires, comme de puissantes perceuses. La technologie pour le faire existe, mais les instruments spécifiques doivent être conçus et construits. Une technologie supplémentaire qui sera nécessaire et qui est en cours de développement dans diverses industries sont les radiateurs spatiaux légers, fils supraconducteurs de nouvelle génération, et le stockage cryogénique à long terme du combustible deutérium.

Thomas a déclaré que leurs recherches NIAC se déroulent bien.

"Nous avons été sélectionnés pour l'étude NIAC de Phase II, et sont actuellement en négociations contractuelles, " dit-elle. " Nous travaillons sur des modèles plus fidèles de la poussée du moteur, concevoir les éléments de la trajectoire, et 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, vers 10h, 000 sec d'impulsion spécifique."

Zapping laser vers 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 "bug zapping" vaisseau spatial 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 nos cartes d'utiliser ce genre de technologie, parce qu'il faudrait attendre des décennies juste pour que cela se développe, " dit Stern. " Mais si vous pouviez envoyer des poids légers, vaisseau spatial bon marché 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 vers des centaines ou des milliers d'objets dans les ceintures de Kuiper, et vous seriez là-bas en deux jours et demi. Vous pourriez envoyer un vaisseau spatial au-delà de Pluton tous les jours. Cela changerait vraiment la donne."

Le futur réaliste

Mais même si tout le monde est d'accord pour qu'un orbiteur Pluton soit 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 émises 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 enquêtes décennales sont des « feuilles de route » sur 10 ans qui fixent les priorités scientifiques et fournissent des orientations 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 qui fixent les priorités de la science planétaire jusqu'en 2022. La prochaine, pour 2023-2034, sera probablement publié en 2022.

La mission New Horizons est le résultat des suggestions de l'enquête décennale des sciences planétaires de 2003, où les scientifiques ont déclaré que visiter le système Pluton et les mondes au-delà était une destination de première priorité.

Donc, si vous rêvez d'un orbiteur Pluton, continue d'en parler.