นักดาราศาสตร์เตรียมแนวคิดภารกิจสำรวจดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็ง

นักวิทยาศาสตร์ของนาซ่าจินตนาการถึงเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมบางอย่างที่สามารถปรับปรุงภารกิจในอนาคตไปยังดาวยูเรนัสหรือดาวเนปจูน

หากคุณสามารถออกแบบภารกิจในฝันของคุณให้เป็นดาวยูเรนัสหรือเนปจูนได้ มันจะหน้าตาเป็นอย่างไร?

คุณจะสำรวจภูมิประเทศขี้ขลาดบนดวงจันทร์มิแรนดาของดาวยูเรนัสหรือไม่? หรือ วงแหวน ที่มีลักษณะเป็นก้อน ของดาวเนปจูน? แล้ว ปฏิสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดของดาวเคราะห์แต่ละดวงกับลมสุริยะล่ะ?

ทำไมต้องเลือกเพียงอันเดียว ในเมื่อคุณสามารถทำทุกอย่างได้?

นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ได้ออกแบบภารกิจสมมุติฐานให้กับหนึ่งในดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็งในระบบสุริยะของเรา พวกเขาสำรวจว่ายานอวกาศในฝันของดาวยูเรนัสจะเป็นอย่างไรหากรวมเอานวัตกรรมใหม่ล่าสุดและเทคโนโลยีล้ำสมัย

“เราต้องการนึกถึงเทคโนโลยีที่เราคิดจริงๆ ว่า ‘พวกเขากำลังผลักดันซองจดหมาย’” Mark Hofstadterนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Jet Propulsion Laboratory (JPL) และ California Institute of Technology ในพาซาดีนากล่าว “ไม่บ้าเลยที่คิดว่าพวกเขาจะพร้อมบินในอีก 10 ปีข้างหน้า” Hofstadter เป็นผู้เขียนการศึกษา JPL ภายในซึ่งเขาได้พูดคุยกันในการประชุมฤดูใบไม้ร่วงของ AGU 2019 เมื่อวันที่ 11 ธันวาคม

นวัตกรรมบางอย่างเป็นการทำซ้ำตามธรรมชาติของเทคโนโลยีที่มีอยู่ Hofstadter กล่าวเช่นการใช้ฮาร์ดแวร์และชิปคอมพิวเตอร์ที่เล็กกว่าและเบากว่า การใช้ระบบที่ทันสมัยที่สุดสามารถลดน้ำหนักและประหยัดพื้นที่บนยานอวกาศได้ “จรวดสามารถปล่อยมวลออกมาได้จำนวนหนึ่ง” เขากล่าว “ดังนั้น ทุกกิโลกรัมของโครงสร้างยานอวกาศที่คุณต้องการ นั่นเป็นกิโลกรัมพิเศษที่คุณสามารถนำไปใช้กับเครื่องมือวิทยาศาสตร์ได้”

เครื่องยนต์ไอออนพลังงานนิวเคลียร์

ยานอวกาศในฝันผสมผสานเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วจากอวกาศสองเทคโนโลยีเข้าเป็นเครื่องยนต์ใหม่ล่าสุดที่เรียกว่าการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าไอโซโทปรังสี (REP)

ยานอวกาศทำงานเหมือนกับยานพาหนะอื่นๆ แบตเตอรี่ให้พลังงานในการรันระบบออนบอร์ดและสตาร์ทเครื่องยนต์ กำลังขับเชื้อเพลิงผ่านเครื่องยนต์ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและให้แรงผลักดันให้รถเคลื่อนไปข้างหน้า

ในยานอวกาศในฝัน แบตเตอรี่ได้รับพลังงานจากการสลายกัมมันตภาพรังสีของพลูโทเนียม ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ต้องการสำหรับการเดินทางไปยังระบบสุริยะชั้นนอกที่มีแสงแดดน้อย Voyager 1, Voyager 2 , Cassini และ New Horizons ล้วนใช้แหล่งพลังงานไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี แต่ใช้เชื้อเพลิงไฮดราซีนในเครื่องยนต์เคมีที่เหวี่ยงพวกมันไปยังส่วนปลายของระบบสุริยะอย่างรวดเร็ว

เครื่องยนต์ไอออนของยานอวกาศในฝันใช้ก๊าซซีนอนเป็นเชื้อเพลิง ซีนอนถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออน สนามไฟฟ้าที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์เร่งไอออนของซีนอน และซีนอนจะออกจากยานเป็นไอเสีย ภารกิจ Deep Space 1 และ Dawn ใช้เครื่องยนต์ประเภทนี้ แต่ขับเคลื่อนโดยแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ที่ทำงานได้ดีที่สุดในระบบสุริยะชั้นในที่ภารกิจเหล่านั้นดำเนินการ

ก๊าซซีนอนมีความเสถียรมาก ยานสามารถบรรทุกของได้มากในกระป๋องอัด ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงของภารกิจ REP “ให้เราสำรวจทุกพื้นที่ของระบบยักษ์น้ำแข็ง: วงแหวน, ดาวเทียมและแม้แต่แมกนีโตสเฟียร์รอบตัวมัน” Hofstadter กล่าว “เราสามารถไปทุกที่ที่เราต้องการ เราสามารถใช้เวลามากเท่าที่เราต้องการได้….มันให้ความยืดหยุ่นที่สวยงามแก่เรา”

ยานอวกาศไร้คนขับ

ด้วย REP ยานอวกาศในฝันสามารถบินผ่านวงแหวน ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ได้ช้ากว่ายานที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปเคมีแบบเดิมถึง 10 เท่า เมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ ยานสามารถถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงและเปิดรับแสงนานได้นิ่ง แต่เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดกับเครื่องยนต์ไอออน ยานลำนี้จำเป็นต้องมีระบบนำทางอัตโนมัติในตัว

“เราไม่รู้แน่ชัดว่าดวงจันทร์หรือบริวารของดาวยูเรนัสอยู่ที่ไหน หรือยานอวกาศ [สัมพันธ์กับดวงจันทร์]” Hofstadter กล่าว ดาวเทียมของดาวยูเรนัสส่วนใหญ่สามารถมองเห็นได้จากระยะไกลเท่านั้น และรายละเอียดเกี่ยวกับขนาดและวงโคจรที่แน่นอนยังคงไม่ชัดเจน “ด้วยความไม่แน่นอนนั้น คุณจึงต้องการรักษาระยะห่างระหว่างยานอวกาศกับสิ่งที่คุณกำลังดูอยู่เสมอ เพื่อไม่ให้ชนกับยานอวกาศ”

“แต่หากคุณไว้วางใจให้ยานอวกาศใช้กล้องของตัวเองเพื่อดูว่าดาวเทียมอยู่ที่ไหน และปรับวงโคจรของมันเพื่อให้สามารถเข้าใกล้ได้ แต่ยังพลาดดาวเทียม” เขากล่าว “คุณสามารถเข้าใกล้ได้มากขึ้นกว่าที่คุณจะทำได้เมื่อคุณ กำลังเตรียมการบินผ่านจากโลก” ด้วยความเมตตาจากความล่าช้าในการสื่อสารมากกว่า 5 ชั่วโมง

ระดับของการนำทางอัตโนมัติบนเครื่องบินนั้นไม่เคยมีความพยายามมาก่อนในยานอวกาศ รถแลนด์โรเวอร์ Curiosity ของ NASA มีความสามารถจำกัดในการวางแผนเส้นทางระหว่างจุดหมายปลายทาง และ Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer (OSIRIS-REx) จะสามารถตรวจจับอันตรายและยกเลิกการพยายามดึงตัวอย่างได้

ยานอวกาศในฝันจะเป็นเหมือนรถที่ขับเองมากกว่า มันจะรู้ว่าต้องทำการบินผ่านของOpheliaเป็นต้น จากนั้นจะวางเส้นทางความสูงต่ำของตัวเองบนพื้นผิวที่ไปยังจุดสนใจ เช่น ภูมิประเทศที่โกลาหล นอกจากนี้ยังสามารถนำทางไปรอบ ๆ อันตรายที่ไม่คาดคิดเช่นหน้าผาขรุขระ หากยานพลาดสิ่งที่น่าสนใจ แสดงว่ามีน้ำมันเพียงพอสำหรับการผ่านอีกครั้ง

Trio of Landers

ด้วยพื้นที่เพิ่มเติมบนเครื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่โฉบเฉี่ยว บวกกับบินผ่านต่ำและช้าจาก REP และระบบนำทางอัตโนมัติ ยานอวกาศในฝันสามารถบรรทุกเครื่องบินลงจอดไปยังดวงจันทร์ของดาวยูเรนัสและปล่อยลงบนพื้นผิวได้อย่างง่ายดาย

“เราออกแบบภารกิจเพื่อบรรทุกเครื่องบินลงจอดขนาดเล็ก 3 ลำ ที่เราสามารถปล่อยบนดาวเทียมใดๆ ก็ได้” Hofstadter กล่าว ขนาด รูปร่าง และความสามารถของยานลงจอดอาจเป็นอะไรก็ได้ ตั้งแต่กล้องธรรมดาไปจนถึงเครื่องมือครบชุดเพื่อวัดแรงโน้มถ่วง องค์ประกอบ หรือแม้แต่ความสั่นสะเทือน

ยานอวกาศในฝันสามารถสำรวจดาวเทียมทั้ง 27 ดวงของดาวยูเรนัสตั้งแต่ไททาเนียที่ใหญ่ที่สุดไปจนถึงคิวปิดที่เล็กที่สุดซึ่งมีระยะทางเพียง 18 กิโลเมตร ทีมมิชชั่นสามารถตัดสินใจเลือกวิธีที่ดีที่สุดในการลงจอด

“เราไม่ต้องตัดสินใจล่วงหน้าว่าเราจะวางดาวเทียมดวงใด” เขากล่าว “เราสามารถรอจนกว่าเราจะไปถึงที่นั่น เราอาจตัดสินใจวางเครื่องลงจอดทั้งหมดบนดาวเทียมดวงเดียว เพื่อสร้างเครือข่ายแผ่นดินไหวเล็กๆ น้อยๆ เพื่อค้นหาแผ่นดินไหวในดวงจันทร์และศึกษาการตกแต่งภายใน หรือบางทีเมื่อเราไปถึงที่นั่น เราจะตัดสินใจว่าจะวางยานลงจอดบนดาวเทียมสามดวงที่ต่างกัน”

“น้ำแข็ง” บนเค้ก

นักวิทยาศาสตร์ที่รวบรวมการศึกษาภายในยอมรับว่า การรวมเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมเหล่านี้ไว้ในภารกิจเดียวอาจไม่สมจริง การทำเช่นนี้จะมีความเสี่ยงและค่าใช้จ่ายสูง Hofstadter กล่าว นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่ทดสอบในอวกาศที่มีอยู่ซึ่งบินบน Cassini, New Horizons และ Juno สามารถส่งมอบวิทยาศาสตร์ยักษ์น้ำแข็งที่น่าตื่นเต้นได้อย่างแน่นอน เขากล่าว นวัตกรรมเหล่านี้สามารถเพิ่มยานอวกาศดังกล่าวได้

ในขณะนี้ ยังไม่มีภารกิจของ NASA ในการพิจารณาสำรวจทั้งดาวยูเรนัสหรือดาวเนปจูน ในปี 2560 Hofstadter และทีมของเขาได้พูดคุยอย่างเร่งด่วนเกี่ยวกับความจำเป็นในการปฏิบัติภารกิจไปยังหนึ่งในดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็ง และตอนนี้หวังว่าเทคโนโลยีในอนาคตเหล่านี้จะสร้างแรงบันดาลใจให้กับข้อเสนอภารกิจ

“มันเกือบจะเหมือนกับไอซิ่งบนเค้ก” เขากล่าว “เรากำลังพูดว่า หากคุณนำเทคโนโลยีใหม่มาใช้ คุณจะหวังว่าจะสามารถทำอะไรใหม่ๆ ได้บ้างที่จะช่วยเพิ่มผลตอบแทนทางวิทยาศาสตร์ของภารกิจนี้”

บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกบนEosซึ่งเป็นสิ่งพิมพ์ข่าววิทยาศาสตร์โลกและอวกาศ

หน้าแรก