211service.com
Ny form av framdrivning av rymdskepp föreslagen för Uranus-uppdraget
Människan har bara skickat en handfull rymdskepp till det yttre solsystemet bortom asteroidbältet. Det fanns pionjärerna och Voyagers som lämnade jorden på 1970-talet. Galileo-uppdraget gick till Jupiter 1989 och Cassini-Huygens till Saturnus 1997. Slutligen lämnade New Horizons-uppdraget jorden 2006 och är för närvarande på väg mot Pluto och Kuiperbältet.
Ett problem med dessa uppdrag är den rena tiden och kostnaden. Galileo tog 6 år att nå Jupiter och kostade cirka 1,6 miljarder dollar medan Cassini-Huygens tog 7 år att komma till Saturnus och kostade nästan lika mycket.
Nu föreslår ett finskledat team ett uppdrag till Uranus som drivs av en exotisk ny form av framdrivning som för närvarande testas i jordens omloppsbana. Denna framdrivning är soldriven och kräver därför inte drivmedel ombord. Och den kan skicka en sond till Uranus på ungefär samma tid som Galileo tog för att komma till Jupiter som är mindre än hälften så långt bort. Men kostnaderna för ett sådant uppdrag är inte klara ännu.
Ett problem för sonder som besöker det yttre solsystemet är att generera den hastighet som krävs för att ta sig dit, mot dragningen av solens gravitation. Den ursprungliga planen för Galileo-uppdraget var till exempel att använda rymdfärjan för att placera sonden och dess boosterraket i jordens omloppsbana. Boostern designades för att skicka sonden direkt till Jupiter på mindre än två år.
Men i efterdyningarna av Challenger-katastrofen beslutade NASA att det inte skulle vara klokt att placera en obetänd raket i skyttelns lastrum. Och eftersom ingen annan raket kunde lyfta Galileo och dess booster, var NASA tvungen att hitta ett annat sätt att ta sig dit. Därav slangbellan tillvägagångssätt.
Det föreslagna Uranusuppdraget tar ett helt annat tillvägagångssätt baserat på konceptet med ett elektriskt segel eller E-segel, som föreslogs av den finska ingenjören Pekka Janhunen 2006 (som också är ledaren för det nya Uranusförslaget). Ett E-segel skiljer sig väsentligt från ett konventionellt solsegel, som genererar dragkraft från trycket från fotoner som träffar seglet.
Däremot förlitar sig E-seglet på laddade partiklar som protoner och alfapartiklar i solvinden. Tanken är att generera ett elektriskt fält runt rymdfarkosten som avleder dessa joniserade partiklar och genererar en kraft som accelererar farkosten under hela dess resa.
Seglet består av en uppsättning ledande ledningar som sträcker sig radiellt från rymdfarkosten som ekrar på ett hjul. Det elektriska fältet genereras med hjälp av solenergi. Och med 540 Watt borde seglet generera cirka 0,5 Newton som accelererar farkosten med cirka 1 mm/s^2.
Det borde ge en hastighet på cirka 20 km/s när det når Uranus vilket ger en restid på cirka 6 år.
Själva hantverket är designat i tre delar. Den första är E-segelmodulen med solpaneler och tjuderrullar för att förlänga vajrarna. Den andra är farkostens huvudkropp med kemiska propeller för att göra banajusteringar på vägen och när de är nära Uranus, samt kommunikationsutrustning för kontakt med jorden.
Den sista delen är en ingångsmodul som släpps ut i Uranus atmosfär, där den gör olika vetenskapliga mätningar för överföring tillbaka till jorden via huvudfarkosten som fungerar som ett relä.
Janhunen och co säger att denna design också skulle vara lämplig för resor till andra gasjättar med mindre modifieringar.
Det är en ambitiös idé, inte minst eftersom E-Sail-idén aldrig har prövats i en skala som denna. En liten satellit som heter ESTCube-1 testar för närvarande idén och Europeiska unionen har ett pågående forskningsprojekt för att testa den ytterligare. Ytterligare en finsk satellit kommer att testa principen mer i detalj i år men det kommer säkert att behövas mer arbete för ett uppdrag av den här typen.
Ändå är fördelarna med E-segel framför gravitationsslungor tydliga. Förutom att de är snabbare kan de också lanseras när som helst med endast mindre variationer i restid. Däremot kan slangbellor bara gå när gravitationsgudarna är i linje.
Vad Janhunen och co inte diskuterar är kostnaden för ett sådant uppdrag, vilket för att vara rättvist är svårt att sätta fingret på i detta skede av en design. Fördelen med ett uppdrag av Cassini- eller Galileo-typ är att dessa farkoster opererar i åratal runt sina målplaneter och skickar tillbaka enorma mängder data om än till enorma kostnader. Nackdelen är att allt går förlorat om rymdfarkosten går förlorad på något sätt.
Däremot skickar E-sail-uppdraget tillbaka några minuters data från dess brinnande intåg i atmosfären. Det är säkert värdefullt men skulle behöva vara betydligt billigare för att motivera.
Så en god förståelse för de relativa kostnaderna för dessa typer av uppdrag kommer att vara avgörande för att avgöra om E-Sails har en framtid i utforskningen av det yttre solsystemet.
Ref: arxiv.org/abs/1312.6554 : Snabbt E-Sail Uranus Entry Probe Mission