¿Cuál es la factibilidad de lanzar una sonda a Sedna?

Este planeta enano alcanza el perihelio en el verano de 2076. A una distancia de 76 ua, ¿es factible lanzar una sonda que llegue a tiempo a Sedna? Con un período orbital de más de 11.000 años, esta puede ser la única oportunidad de la humanidad (como la conocemos). Las búsquedas repetidas en Internet no han podido revelar ninguna nación o grupo que esté haciendo planes para esta misión todavía, pero ¿se debe a una falta de visión o es la tarea en sí misma imposible?

Parece que Neptune puede estar en una posición para ayudar a proporcionar una asistencia de gravedad alrededor de 2056. Si es posible, dicha misión debería apuntar a una captura orbital y/o aterrizaje.

Además de los objetivos científicos y los derechos de jactancia, tal misión también serviría como un precursor interestelar. Cualquier orbitador/módulo de aterrizaje, lógicamente, necesitaría ser diseñado para durar tanto como podamos hacer que dure, siglos si no milenios. ¡Imagínate tener una baliza interestelar en el borde de nuestro sistema solar!

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¡Gran visión! Pero en ese período de tiempo tan largo, creo que uno preferiría esperar un tiempo y ver si no hay objetos de tipo Sedna más fácilmente accesibles a los que ir. Creo que su descubrimiento es aún demasiado joven para convertirse en un plan de misión del siglo.
En una línea de pensamiento similar, es posible que desee esperar 40 años para obtener mejores sistemas de propulsión y energía, en lugar de lanzar uno ahora para llegar allí en 60 años.
Enviar uno ahora debería ser factible, incluso. Sería bueno que una sonda registrara el antes y el durante. Pero la financiación sería una pesadilla.
@LocalFluff: ¿Por qué Sedna en particular? Mira la ilustración de su órbita (la línea roja en la vista de Celestia arriba). Si una sonda puede "hacer autostop", eventualmente será llevada a una distancia de 937 AU (0.0148 ly). Además, debido al marco de tiempo extremadamente largo involucrado, tal misión proporcionaría un banco de pruebas de ingeniería ideal para equipos de vida ultralarga, que serán necesarios cuando la humanidad apunte sondas a otros sistemas estelares.
@MarkAdler: En mi opinión, diseñar una misión Sedna podría muy bien servir como impulso para desarrollar mejores sistemas de propulsión y energía.
¡937 AU es una distancia desde la cual un radiotelescopio podría usar el Sol como lente gravitacional! Sin embargo, Sedna tardaría 6000 años en alcanzar el afelio. Si Dawn el próximo año descubre que Ceres es un objeto del cinturón de Kuiper capturado, una misión que aterrice allí en 2076 podría decirnos mucho sobre Sedna. Aunque incluso eso parece optimista con las políticas espaciales actuales.
No estoy seguro de que una misión a Sedna sea realmente una "preparación" para una misión interestelar. Sedna en el perihelio tiene 76 AU, mientras que Proxima Centauri tiene 271 000 AU. Eso es más de tres órdenes de magnitud de diferencia. No es que no esté a favor de una misión a Sedna (sería increíble), pero no llegaremos a la estrella más cercana hasta dentro de mucho, mucho tiempo...
No estoy convencido de que "hacer autostop" sea una idea útil. Una sonda que pueda encontrarse con Sedna ya estará en una órbita que la llevará a más de 900 AU (la distancia del afelio de Sedna). Si llegar tan lejos es el objetivo, no estoy seguro de qué te compra estar en órbita alrededor de Sedna, o incluso en su superficie, en comparación con estar en el espacio abierto. Por supuesto, explorar Sedna en sí sería genial.
¿Te refieres a una misión de sobrevuelo (estilo New Horizons) o un orbitador?

Respuestas (3)

Análisis de primer orden

Dado que tenemos propulsores de iones prácticos, es hora de mirarlos.

espacio profundo 1

La sonda DS1 pesaba 387 kg, tenía 83 kg de combustible, funcionó durante 162 días y generó 92 mN. Entonces, generó alrededor de 0,2 mm/s^2.

La nave tampoco está seca como un tanque. Tiene aproximadamente 6 meses (180 días) de combustible por diseño. Ese es un diseño de combustible de aproximadamente el 20%, y mi estimación de la masa del propulsor en sí es de 10 kg, aproximadamente 0,01 N por kg, y escalando linealmente, con aproximadamente 16 veces la masa del propulsor en combustible por año. (Estos números son aproximados, pero proporcionan una línea de base)

Alimentando un propulsor de 2 kW...

En el sistema solar interior, la energía solar es viable para un propulsor eléctrico; más allá de los asteroides, se vuelve prácticamente inviable.

Los generadores radiotérmicos, del mismo modo, se miden en kilogramos por vatio... uno de los más eficientes estaba en los viajeros, con alrededor de 40 W de electricidad por kilogramo... para obtener una aceleración razonable de 0,2 mm/s^2, ellos volverse poco práctico.

Lo que nos empuja al rango de los reactores de fisión nuclear. Lo que también significa grandes masas: el SNAP-10A pesaba 290 kg y 30 kW.

En la hipótesis

Necesitamos una nave espacial de varias toneladas. Hay un diseño para un reactor nuclear de 100kW de salida eléctrica, ~520kg. Esto sería adecuado para alimentar unas 50 unidades NSTAR a 91 mN cada una; suponiendo solo 20 de estas unidades, y 80 kg cada una por 6 meses en masa de reacción, y 10 kg cada una, más una carga útil científica de 200 kg, podemos obtener una buena hipótesis de primer orden. Asumiré por ahora una duración de la planta de 5 años, ya que el SAFE400 ha estado en pruebas durante varios años y no puedo encontrar documentación para su uso de combustible.

  kg    kW   Item
 200    40   NSTAR x20, giving 2N
 520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
6400     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
 200    10   science package comparable to a mars orbiter.
7400    --   mission mass.

Esto daría un impulso de misión en el lanzamiento de 0,00027 m/s^2. Casi directamente comparable con DS1... y un empuje de 720 días, utilizando un giro y un tirón, cubre aproximadamente 3,4 AU y una velocidad máxima de 8,3 km/s, o 17861396 s por AU o aproximadamente 209 días por AU... y 71 AU para cubrir. Esto significaría alrededor de 41 años adicionales.

Sin embargo, la aceleración real aumentaría durante la misión, y siendo la masa de combustible la proporción más grande, podemos usar la masa promedio de alrededor de 4000 kg para calcular en general, casi duplicando la velocidad de apagado del motor y reduciendo el tiempo de inercia a aproximadamente 20 años. Los problemas restantes son combustible para la planta de energía, que carezco de datos para calcular.

Se podría utilizar una masa de combustible mayor, aumentando la duración, pero disminuyendo la aceleración inicial. Una duración de combustible de 4 años, por ejemplo,

   kg    kW   Item
  200    40   NSTAR x20, giving 2N
  520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
12800     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
  200    10   science package comparable to a mars orbiter.
21800    --   mission mass. (probably about 1050kg tanks dry)

El inicial sería de aproximadamente 0,00009 m/s^2, con un pico de aproximadamente 0,0019 m/s^2, y un promedio de aproximadamente 0,001 m/s^2... y cubriría aproximadamente 51 UA bajo empuje y una velocidad máxima de unos 62 km/s... o unos 28 días por AU, durante unos 2 años de tiempo de inercia.

Esto pondría un tiempo de viaje aproximado de la misión del orden de 6 años, y aproximadamente la mitad de él empujando hacia afuera, 1/3 deslizándose y 1/6 desacelerando en órbita.

Desafortunadamente, las tecnologías no están completamente probadas. Por no completamente probado, quiero decir (1) que no sabemos si realmente sobrevivirán a una "quemadura" constante de 4 años... aunque sabemos que durarán al menos 160 días, y (2) el sistema de fisión no ha existido el tiempo suficiente para establecer que, de hecho, durará los 4-10 años necesarios para una misión

respuesta especulativa

Sí, un análisis de primer orden indica que es plausible que se pueda realizar una misión, y con un tiempo de vuelo de menos de 10 años.

Hay una serie de caprichos, sin embargo, en los datos disponibles. La masa estructural simplemente se estima; la masa de combustible puede ser insuficiente para la duración indicada, etc.

Para el primer ejemplo, obtengo Δ v de ≈ 64,77 km/s usando NSTAR citado yo sp = 3300 s y la ecuación del cohete de Tsiolkovsky Δ v = v mi en ⁡ metro 0 metro 1 . A la mitad Δ v girar, eso es entonces en ≈ 32,386 km/s con aproximadamente 27% la masa de reacción se deja para la desaceleración, pero eso no es realmente necesario para un sobrevuelo. Aunque calcular el tiempo es un poco más complicado, ya que depende de Δ v logrado en el lanzamiento, asistencias de gravedad, trayectoria, etc. Empuje por sí mismo de NSTAR no sería suficiente para escapar de la velocidad heliocéntrica aunque.
@aramis: Excelente análisis. Pregunta: usted dice que "no todas las tecnologías están completamente probadas". ¿Puede estimar los niveles de preparación tecnológica de las tecnologías no probadas?
@TidalWave: gracias por los cálculos delta v . Con respecto al empuje NSTAR: ¿suficiente para igualar la velocidad orbital de Sedna en una aproximación cercana para una misión de captura/aterrizaje?
Por no completamente probado, quiero decir (1) que no sabemos si realmente sobrevivirán a una "quemadura" constante de 4 años... aunque sabemos que durarán al menos 160 días. (2) el sistema de fisión no ha existido el tiempo suficiente para establecer que, de hecho, durará los 4-10 años necesarios para una misión.
En realidad, la velocidad de escape no será un problema siempre que el curso no sea retrógrado: ya está en equilibrio cuando está en órbita, y el viejo Nivenesque "atrás te lleva adentro, adentro te lleva girando, girando te saca y afuera trae tú de vuelta..." se aplica. Solo es cuestión de cronometrarlo. Gire hacia arriba en órbita, cronometrado para romper en la dirección de la órbita pero por encima de la velocidad orbital. Agrega algunas AU al curso general.
En un momento, la NASA propuso la sonda/misión TAU a 1000 UA, que podría haber medido distancias a estrellas cercanas a través de paralaje, y tomado medidas, etc. La página Wiki es en.wikipedia.org/wiki/TAU_%28spacecraft%29 La propuesta La sonda usó un cohete eléctrico nuclear que usó un reactor de fisión de 1 MW para la energía y un impulsor de iones para el empuje. Esto fue en 1987. Supongo que algo similar funcionaría para Sedna.

Teniendo en cuenta que la Voyager 1 ya está a 126 AU del Sol 36 años después de su lanzamiento, no debería haber ninguna razón para que no sea posible energéticamente utilizando un lanzamiento normal, pequeñas maniobras y sobrevuelos planetarios. Solo un sobrevuelo de Júpiter debería ser suficiente. Júpiter también proporcionará el cambio necesario en la inclinación.

Sin embargo, diseñar una sonda que garantice su funcionamiento durante tanto tiempo sería bastante difícil. (No se aseguró que la nave espacial Voyager trabajara más allá de Saturno).

Pero (corríjanme si me equivoco) las Voyagers han estado informando casi desde su lanzamiento. ¿Podría una sonda a Sedna, por el contrario, hacerlo a la manera de Rosetta con largos períodos de hibernación?
Sí, las Voyagers han estado funcionando, pero no fueron diseñadas ni probadas para hacer eso. Diseñar y probar algo para vivir tanto tiempo es difícil. (Con eso quiero decir que no sé cómo hacerlo).
La hibernación de Rosetta fue para ahorrar dinero en la Tierra en operaciones. Hace muy poco en la forma de extender la vida útil del hardware.
La sonda Voyager se benefició de una alineación planetaria muy afortunada que les permitió realizar múltiples asistencias por gravedad. Esto no se puede reproducir a voluntad.
Había dos sondas Voyager. El que mencioné tuvo solo dos asistencias, de Júpiter y Saturno. También como mencioné, solo Júpiter sería suficiente. Por lo tanto, podría hacer que Júpiter lo balancee en la dirección de Sedna cada año de Júpiter (12 años terrestres).
@MarkAdler Me refiero a la hibernación para mejorar la longevidad de la fuente de alimentación, la electrónica también puede beneficiarse, pero no sé lo suficiente como para hacer más que un comentario pasajero en ese frente
@MarkAdler: Sí, la longevidad del equipo es tanto el principal desafío como una de las principales razones para una misión Sedna. Y es bueno saber que tal misión podría tener múltiples ventanas de lanzamiento.
@Todos, la caída de potencia de los termopares ya está paralizando a los viajeros y también ha paralizado a los pioneros. La Voyager no ha podido operar el paquete científico completo de manera efectiva durante una década y ahora está en un punto en el que apenas puede operar la radio y no al mismo tiempo que los instrumentos científicos. Eso sí, la pila radiotérmica todavía se está cocinando, pero los termopares necesarios para convertir el calor en electricidad se han corroído y ya no son lo suficientemente eficientes para funcionar bien.
@Todos: si usa un RTG, se degradará ya sea que se use la energía o no. El calor degrada los termopares y no hay forma de que un RTG regule la cantidad de calor que produce.
¿Se puede desarrollar un RTG que cambie mecánicamente un nuevo juego de termopares cada una o dos décadas?
Además de la sugerencia de Russell (cambiar los termopares en el camino), creo que la ciencia de los materiales habrá avanzado lo suficiente para 2040 más o menos (especialmente si se financia) para crear termopares que duren de manera confiable el par de décadas deseadas. También me pregunto si una misión a Sedna sería un buen candidato para una vela solar para alguna parte de la propulsión, al menos hasta que la sonda estuviera demasiado lejos del Sol.
Como casi todo lo demás, esto parece ser un argumento sólido para el proyecto Orión. Una pena lo de la política.

Intentaré responder a tu pregunta.

La mejor oportunidad de vuelo . Sedna está ahora (mayo de 2016) a 85,7 AU de Sol. Será en 76 AU en 2076 (dentro de 60 años). Luego, nuevamente, después de otros 60 años (en 2136), Sedna estará nuevamente en 86 AU. Entonces, realmente no hay prisa por enviar una misión hacia él.

Cada 12 años, Júpiter se puede utilizar para ayudar a la gravedad. Una segunda asistencia de gravedad puede, en la posición actual, ser realizada por un sobrevuelo de Neptuno. Todas las naves espaciales que ahora están escapando de la gravedad del Sol han utilizado la asistencia de la gravedad de Júpiter. Esto incluye Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 y New Horizons. Las 5 naves espaciales tuvieron que viajar (o tendrán que hacerlo) unos 30 años para llegar a la distancia actual de Sedna.

Con la tecnología actual, podemos enviar una sonda espacial hacia Sedna, similar a New Horizons. Tendremos que esperar unos 30 años para realizar un sobrevuelo y ver qué hay allí.

Propulsión . Una sonda espacial a Sedna puede ser muy similar a New Horizons. Se puede lanzar con un cohete Atlas V y viajar con una velocidad similar. Podría ser posible usar una vela solar o un motor de iones, pero nadie lo ha intentado a tal escala. Entonces, solo hablaré de motores químicos clásicos, que se han utilizado para barcos anteriores.

Enviar una sonda para un sobrevuelo de Sedna es probablemente tan difícil como enviar New Horizons hacia Plutón. Si la sonda pesa lo mismo que New Horizons, la cantidad de combustible necesaria será casi la misma. Sin embargo, si quieres construir un orbitador o incluso un módulo de aterrizaje, todo es más complicado. Sedna es más pequeño que Plutón, por lo que tiene poca gravedad. Si una nave espacial se acerca a una velocidad similar a New Horizons (14,5 km/s), no hay nada que pueda detenerla. Hay dos formas de insertar un objeto en órbita alrededor de Sedna:

  1. Haz una enorme nave espacial, con suficientes reservas de hidracina, para reducir la velocidad. Esto significa que tendrá que aumentar demasiado el peso de la nave, lo cual no es factible.
  2. Envía la sonda a menor velocidad, para que la gravedad de Sedna pueda capturarla. Si lo hace, el viaje llevará mucho más tiempo, probablemente más de 100 años.

Si queremos tocar la superficie de Sedna, será mejor que construyamos un impactador, como el que usa la sonda Deep Impact . El impactador nos proporcionará imágenes desde cerca de la superficie. El impacto expondrá materiales debajo de la superficie.

Desafíos técnicos . El problema más importante es que el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) tiene una vida útil limitada. El isótopo de plutonio utilizado tiene una vida media de 87 años, por lo que debería ser suficiente. Sin embargo, los termopares utilizados en un RTG también tienen una vida útil limitada. Los Pioneers han perdido contacto aproximadamente a la misma distancia donde está Sedna. Las Voyagers han sobrevivido más lejos en el espacio, pero apenas pueden encender sus antenas. Se espera que New Horizons deje de funcionar en la órbita de Sedna. Entonces, nuestra nave espacial tendrá que usar un RTG mucho más grande y poderoso.

Las comunicaciones con la Tierra son mucho más difíciles a gran distancia. New Horizons necesitó menos tiempo para enviar datos después de su encuentro con Júpiter del que necesita ahora, después del encuentro con Plutón, incluso si el encuentro con Júpiter resultó en la adquisición de muchos más datos.

Conclusión . Con nuestra tecnología actual, podemos construir una sonda espacial similar a New Horizons. La sonda, con la ayuda de la gravedad de Júpiter, viajará 30 años hasta Sedna y realizará un sobrevuelo. El RTG debe ser más grande que los utilizados para las sondas anteriores (probablemente llevará 50 kg de plutonio). Los datos del encuentro necesitarán algunos años para ser descargados a la Tierra.

Enviar un orbitador o un módulo de aterrizaje a Sedna, con la tecnología actual, no es factible.

¿Sin reactores nucleares?
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