Заморожений край Плутона: друга місія через 50 років
Спадщина New Horizons: Від пролітного дослідження до архіву даних
14 липня 2015 року космічний апарат NASA New Horizons пролетів повз Плутон зі швидкістю 14 км/с (31,000 миль на годину), вперше отримавши високоякісні зображення карликової планети, яка залишалася загадкою з моменту свого відкриття у 1930 році. Чотири зображення, отримані за допомогою далекомірного інструмента LORRI, в поєднанні з кольоровими даними з інструменту Ralph, показали «серце» у вигляді плоскої ділянки з азотного льоду, що простягається на 1,000 км, оточену гірськими масивами з водяного льоду, що піднімаються на 2-3 км над поверхнею.
Сьогодні архів місії містить понад 50 Гб сирих та каліброваних даних. Дослідники продовжують аналізувати ці набори даних — від спектральних кубів, які відображають метанові та вуглекислотні заморожені смуги, до вимірювань високої точності, які використовуються для вивчення внутрішньої структури Плутона. У червні 2025 року JWST додав спектри середнього інфрачервоного діапазону, що виявляють швидкість сублімації на схилах Спутник Планітія, що допомогло уточнити наше розуміння сезонного транспорту летючих речовин.
Виклики проектування місії: Шлях до орбіти
Науковці одностайно погоджуються, що орбітальний апарат — це єдиний спосіб глобально картографувати Плутон, досліджувати тимчасові процеси та вивчати підповерхневі океани через детальні вимірювання гравітаційного поля. Однак існує безліч труднощів:
- Відстань та вікна запуску: Плутон знаходиться приблизно за 5.9 мільярдів км від Землі. Для цього необхідна допомога гравітації Юпітера, але Юпітер не буде знову в сприятливому положенні до середини 2040-х років, що може додати 10-15 років до часу перельоту.
- Бюджет ΔV: Для досягнення орбіти з швидкістю близько 700 м/с ΔV потрібна високоефективна система пропульсії та понад 2000 кг пального, якщо не використовуються ядерні електричні двигуни.
- Генерація енергії: Сонячна радіація на Плутоні становить 1/1000 від земної; лише радіоізотопні енергетичні системи (РПС) або ядерні реактори можуть забезпечити близько 500 Вт–5 кВт, необхідних для приладів та авіоніки.
Технології ядерної пропульсії: Поточний стан та дорожня карта
Вивчаються дві ядерні опції:
- Радіоізотопні термоелектричні генератори (РТГ): Перевірені на New Horizons та Curiosity, РТГ забезпечують 125–300 Втелектричних кожен. Для орбітального апарата Плутона знадобиться 5–8 одиниць для базових операцій.
- Ядерна електрична пропульсія (ЯЕП): Концепції нового покоління, такі як реактор NASA Kilopower Next Generation (KP-NG), мають на меті виробляти 1–10 кВтелектричних, живлячи іонні двигуни з потужністю тяги 3–5 кВт. У 2020 році в доповіді JPL Джона Касані було зазначено, що система ЯЕП потужністю 10 кВт могла б скоротити час перельоту на близько 30% і збільшити швидкість передачі даних у чотири рази. Проте у 2024 році Міністерство енергетики США виділило лише 15 мільйонів доларів на KP-NG, залишивши розвиток реактора без фінансування.
“Без значного прогресу в зрілості ядерної електричної пропульсії нам доведеться чекати 27 років до введення в орбіту,” — говорить доктор Емілі Лян, керівник відділу пропульсії в дослідницькому центрі Гленна NASA.
Комерційні ракети-носії та потенціал Starship для зовнішньої сонячної системи
Starship компанії SpaceX, з вантажопідйомністю 150 тонн на низькій орбіті, може вивести на орбіту апарат для дослідження Плутона вагою понад 10 тонн з потужним прискорювачем. Попередні дослідження, проведені інженерами SpaceX, вказують на можливість прямого запуску до 12 астрономічних одиниць на рік без гравітаційних допомог, що може скоротити час подорожі на 2-4 роки. Однак деталі про перевірені в польоті вакуумні двигуни Raptor, інтеграцію авіоніки для глибококосмічних місій та захист від радіації залишаються непублікацією.
Міжнародна співпраця та бюджетна перспектива
У 2023 році Декларація про планетарну науку підтвердила пріоритети: повернення зразків з Марса, орбітальний апарат для Урана та орбітальний ландер для Енцелада — Плутон не потрапив до короткого списку. Проте місія Європи JUICE та запропонований Китаєм орбітальний апарат CE-7 свідчать про зростаючий міжнародний інтерес. Спільне дослідження концепцій NASA та ESA могло б розподілити витрати та ризики, хоча геополітика та цикли фінансування ускладнюють такі партнерства.
Бюджетна пропозиція адміністрації Байдена на 2026 фінансовий рік відновлює фінансування планетарної науки NASA до 3 мільярдів доларів — на 15% більше, ніж у 2024 році — та відкриває можливість фінансування для розвитку технологій ЯЕП в рамках програми DARPA DRACO. Якщо Конгрес підтримає, ядерна пропульсія може досягти рівня готовності технологій (TRL) 6 до 2032 року, проклавши шлях для вікна запуску у 2035–2040 роках.
Сценарії часових рамок та нові наукові цілі
Виходячи з варіантів пропульсії та запуску, виникає три сценарії:
- Конвенційні РПС + SLS Block 2 (запуск у 2035 році): 27–30 років в подорожі; введення в орбіту приблизно 2062 року; оцінка витрат 4–5 мільярдів доларів.
- Реактор ЯЕП + пряма ін’єкція Starship (запуск у 2038 році): 18–22 роки в подорожі; орбіта приблизно 2056 року; підвищені вимоги до демонстрації реактора та надійності Starship; витрати на розробку близько 6 мільярдів доларів.
- Гібрид міжнародного партнерства (запуск у 2040 році): Змішаний гібрид РТГ/сонячно-електричний; помірний час подорожі (24 роки); орбіта приблизно 2064 року; розподіл витрат зменшує навантаження на NASA приблизно на 30%.
Висновок: Терпіння та підготовка
Заморожені рівнини Плутона та підозрюваний підповерхневий океан продовжують манити. Хоча «серце» Спутник Планітія вразило нас у 2015 році, протилежний півкулю та динамічні процеси — криовулканізм, сезонні цикли замороження та внутрішнє нагрівання — залишаються загадкою. Розвиток технологій ядерної пропульсії, комерційних важких ракет-носіїв та глобальних партнерств врешті-решт визначить, чи зможемо ми досягти орбіти до 2050-х років, чи чекатимемо до 2060-х і далі. Наразі вчені покладаються на дані New Horizons, спостереження з Hubble та James Webb, а також лабораторні симуляції, підтримувані штучним інтелектом та обчислювальними кластерами, щоб розкрити таємниці Плутона — терпляче чекаючи дня, коли ми повернемося.