Extrasolar Object Interceptor by byl schopen pronásledovat dalšího Oumuamua nebo Borisova a skutečně vrátit vzorek

Co kdybychom měli schopnost pronásledovat mezihvězdné objekty procházející naší sluneční soustavou, jako je Oumuamua nebo kometa Borisov? Taková kosmická loď by musela být připravena vyrazit okamžitě, s kapacitou zvýšit rychlost a rychle změnit směr.

To je myšlenka nového konceptu mise s názvem Extrasolar Object Interceptor a kosmická loď Sample Return. Prostřednictvím své agentury NASA získala finanční prostředky na průzkum Program Innovative Advanced Concepts (NIAC).

„Přivedení vzorků z těchto objektů by mohlo zásadně změnit náš pohled na vesmír a naše místo v něm,“ říká Christopher Morrison, inženýr z Ultra Safe Nuclear Corporation-Tech (USNC-Tech), který předložil návrh NIAC.

Koncept, který Morrison a jeho tým navrhují, je kosmická loď s radioizotopovým elektrickým pohonem, která se opírá o technologii Chargeable Atomic Battery (CAB), což je energetický systém, který USNC vyvíjí pro komerční použití. Baterie jsou kompaktní a mají milionkrát vyšší energetickou hustotu než nejmodernější chemické baterie – stejně jako fosilní paliva.

'Radioizotopy mají přibližně stejné množství celkové energie uložené v každém atomu,' vysvětlil Morrison. 'Jak rychle tuto energii uvolní, závisí na poločasu rozpadu.' Pu-238 má poločas rozpadu 88 let, což je skvělé pro dlouhé mise do vnější sluneční soustavy. Baterie CAB, které vyvíjíme v USNC-Tech, mají kratší poločasy a mají vyšší hustotu výkonu. V NIAC používáme radioizotop s pětiletým poločasem rozpadu a hustotou energie více než 30krát vyšší než u Plutonia-238 (Pu-238).

Umělcův dojem ze sondy NASA New Horizons, která se setkala s objektem podobným Plutu ve vzdáleném Kuiperově pásu. Poděkování: NASA/JHUAPL/SwRI/Alex Parker

Pu-238 je obvyklá jaderná síla, kterou NASA volí pro svou kosmickou loď. Byl použit pro více než dvě desítky velmi úspěšných amerických vesmírných misí – jako jsou New Horizons a vozítka Curiosity a Perseverance Mars – pro jejich radioizotopové energetické systémy (RPS).

Pu-238 však čelí některým problémům. Pouze omezené množství Pu-238 může být vyrobeno (pouhých 14 uncí (400 gramů) každý rok právě teď s cestou směrem k 50 uncím (1500 g) v příštích několika letech). To je jen stěží dost na to, aby vyhovovalo budoucím potřebám mise NASA pro její hlavní programy.

Menší programy a komerční společnosti čelí výzvám nejen kvůli nedostatku dodávek, ale také proto, že Pu-238 je považován za speciální jaderný materiál s obavami z nešíření. Radioizotopy v technologii CAB jsou místo toho komerční povahy, ve skutečnosti se mnoho z nich ve velké míře používá v lékařském průmyslu pro terapii rakoviny.

Palivo plutonium-238 (ve formě keramiky) žhne teplem svého přirozeného rozpadu uvnitř ochranného válcovitého obalu z grafitu při montáži zdrojů tepla pro elektrický energetický systém na Mars roverech NASA na ministerstvu energetiky v Idahu Národní laboratoř. Poděkování: NASA/DOE

„Baterie CAB v kombinaci s elektrickým pohonem by byly velmi jednoduché systémy,“ řekl Morrison Universe Today. „Všechno je to osvědčená technologie. Skutečnou inovací, kterou využíváme, je současné regulační prostředí. Před rokem 2019 neexistoval právní rámec pro komerční společnosti, aby využívaly jadernou energii. Nyní je oficiálně schválen.'

Prezidentská zpráva NPSN-20 v roce 2019 nařídil ministerstvu dopravy, a konkrétně Federální letecké správě, aby vyvinuly stupňovitý regulační systém, který by komerčním společnostem umožnil vypouštět kosmické lodě s jaderným pohonem.

Morrisonův návrh vysvětluje, že „CAB je jednodušší a levnější na výrobu než Pu-238 a bezpečnostní pouzdro je výrazně vylepšeno zapouzdřením radioaktivních materiálů CAB do robustní karbidové matrice. Tato technologie je pro tuto aplikaci lepší než štěpné systémy, protože štěpné systémy potřebují kritické množství, zatímco radioizotopové systémy mohou být mnohem menší a hodí se na menší odpalovací systémy, což snižuje náklady a složitost.

Vesmírná loď poháněná CAB, nazývaná „Extrasolar Express“, má palivovou hmotnost těsně pod jednu tunu. Naproti tomu Falcon 9 společnosti SpaceX může na oběžnou dráhu umístit více než 20 tun. Co by se udělalo se vším tím prostorem navíc v nosné raketě?

Morrison vysvětluje: „Můžeme vyměnit část této hmoty za extra zvýšení rychlosti mimo Zemi. Kromě toho lze část hmoty navíc použít ke zvýšení bezpečnosti zahrnutím velkého robustního štítu, který chrání radioizotop a zajišťuje, že se neuvolní ani při nejhorší nehodě při startu. Jakmile se dostane na vysokou oběžnou dráhu, může být štít vyhozen a kosmická loď může bez překážek cestovat za svým posláním.'

Extrasolární objekty nyní na scéně

Umělcův dojem z Oumuamua. Podle nového výzkumu je objekt složen z molekulárního vodíkového ledu, což vysvětluje jeho doutníkovitý tvar. Kredit: ESO/M. Kornmesser

Než se na scéně v naší sluneční soustavě objevily dva neobvyklé a zajímavé mezihvězdné objekty ( Oumuamua v roce 2017 a Borisov v roce 2019) astronomové příliš neuvažovali o tom, že by kolem mohli běžně procházet potulní vetřelci z jiných hvězdných systémů. Nyní vědci vypočítají, že průměr sedm takových objektů ročně projde oběžnou dráhou Země . Zjistit více o těchto objektech je lákavá vyhlídka, protože v tuto chvíli můžeme pouze pozorovat je pomocí dalekohledů, jak kolem nás ubíhají.

„Zdá se, že se k nám tyto objekty přibližují poměrně blízko,“ řekl Morrison, „vytvoření mise k dohonění jednoho není otázkou vzdálenosti, ale otázky rychlosti. To mění rovnici na rozdíl od většiny misí, které vyžadují dlouhou životnost. To je jen problém s rychlostí, protože to můžete zachytit, vzít vzorek a vrátit se na Zemi, pokud mátedelta vsplnit misi.'

Morrison vysvětlil potenciální plán mise pro Extrasolar Object Interceptor a Sample Return: Vypusťte kosmickou loď Interceptor směrem k Jupiteru a počkejte, až bude detekován vhodný extrasolární objekt.

'Možná budete muset počkat rok nebo tak,' řekl, 'ale bez ohledu na to budete pravděpodobně muset provést změnu roviny, protože tyto objekty nepřicházejí do naší ekliptické roviny. Myšlenka je letět směrem k Jupiteru, doufejme, že být na dobrém místě, abychom mohli kolem Jupitera obletět prakem, aby se dostal do stejné rovinné orientace jako objekt.“

Umělecký koncept kosmické lodi Dawn přilétající k Vestě. Obrazový kredit: NASA/JPL-Caltech

Kosmická loď by mohla být velikostí a hmotností podobná misi Dawn, která také používala elektrický pohon. Ale místo obrovských solárních panelů Dawn by CAB poskytoval dostatek energie k vytvoření rychlé kosmické lodi. Interceptor by potřeboval velké radiátory pro odvádění tepla, které by (jako solární panely Dawn) byly největší částí kosmické lodi.

Podrobnosti o části Sample Return se stále vypracovávají, ale možná něco podobného Systém sběru vzorků TAGSAM používaný misí OSIRIS-REx.

'Považuji se spíše za ‚Scottyho‘ při navrhování této mise Interceptoru, ale sehnal bych Spocka, aby mi pomohl přijít na vědeckou část,' přemítal Morrison.

CAB jsou vyráběny s použitím neradioaktivních materiálů a poté „nabity“ v radiačním poli, aby se vytvořil specifický radioizotop. Morrison řekl, že existuje mnoho různých zajímavých radioizotopů (například kobalt-60 a Thulium-170) a technologie lze zajistit tak, aby vyhovovala hustotě výkonu a celoživotním potřebám zákazníka. Mnoho potenciálních zákazníků technologie CAB jsou pozemské společnosti, které se zabývají podvodními nebo podzemními aplikacemi.

Systém Micro Modular Reactor (MMR™) je systém jaderné energie 4. generace, který dodává bezpečnou, čistou a nákladově efektivní elektřinu a teplo do vzdálených dolů, průmyslu a komunit. Jedná se o přední projekt SMR v Kanadě a první koncept tzv. „štěpných baterií“ na světě. Kredit: USNC

'Technologie je v blízké budoucnosti průkopníkem pro aplikace lunárního vytápění ve wattovém měřítku, ale návrh NIAC představuje sportovnější verzi technologie.'

Program NIAC se prezentuje jako živitel vizionářských nápadů, které by mohly transformovat budoucí mise NASA vytvořením průlomů a zároveň zapojit inovátory a podnikatele jako partnery. I když se Extrasolar Object Interceptor a Sample Return nikdy nestanou „skutečnou“ misí, Morrison a USNC budou pokračovat v práci na tom, aby se jejich CAB stal životaschopným zdrojem energie pro Zemi i vesmír.

„Jsem nesmírně vděčný, že jsme obdrželi finanční prostředky NIAC,“ řekl Morrison, „naše společnost již do této technologie investuje své vlastní peníze. Rádi bychom, aby CAB byla baterií budoucnosti Duracell pro vše, co se zdá nemožné – jako jsou dlouhodobé vesmírné mise nebo ve vzdálených prostředích na Zemi.“

Koncepce designu USNC pro pokročilý systém jaderného tepelného pohonu usnadnit rychlou přepravu na Měsíc a Mars. Kredit: USNC

Kromě baterií CAB vyvíjí společnost USNC další jaderné technologie. „Radioizotopy používané v CAB jsou horké horniny, které produkují konzistentní teplo po dlouhou dobu. Štěpný reaktor je jiný typ jaderné technologie, kterou lze zapínat a vypínat, nahoru a dolů,“ vysvětluje Chris. USNC vyvíjí malý modulární štěpný reaktor pro použití v kanadské Arktidě a tento projekt je hlavním těžištěm úsilí společnosti.

'Kanada utrácí ročně mnoho stovek milionů za naftu pro generátory, aby poháněla jejich malá města v odlehlých regionech,' řekl Morrison, 'a opravdu chtějí přejít na používání malých modulárních reaktorů.'

Ukazuje se, že energetické systémy, které dobře fungují pro vzdálená místa na Zemi, jsou dobré i pro vzdálená místa ve vesmíru. UNSC-Tech, kde Morrison pracuje, je dceřinou společností USNC zaměřenou na letecký průmysl a pokročilé pozemní systémy. USNC-Tech vyvíjí technologii štěpného pohonu s NASA a DARPA, stejně jako lunární a marťanský reaktor nazývaný „pylonový reaktor“.

„USNC-Tech navrhuje kostky ‚LEGO‘ pro vesmírnou jadernou technologii. Vesmírné mise by využívaly stejnou základní pozemskou technologii uspořádanou v jiné konfiguraci, aby dosáhly odvážných nových věcí na nových místech,“ vysvětlil Morrison. 'Extra Solar Express NIAC je však pravděpodobně můj nejoblíbenější.'

Popisek k obrázku:Umělcovo zobrazení zachycovače extrasolárních objektů. Kredit: Christopher Morrison