Các kỹ sư đã thiết kế một đầu dò vô tuyến nhỏ gọn, chạy bằng pin có thể giúp giải mã những bí mật của các hành tinh ngoài hành tinh.
Đầu dò nhỏ được đề xuất, được gọi là Gravity Imaging Radio Observer (GIRO), sẽ sử dụng trường trọng lực để lập bản đồ chính xác phần bên trong và thành phần của các ngoại hành tinh và các thiên thể khác.
"GIRO là một đầu dò vô tuyến nhỏ phản xạ các tín hiệu vô tuyến được gửi từ tàu vũ trụ chủ đã mang và thả nó", Ryan Park, kỹ sư chính tại NASA và giám sát viên của nhóm Solar System Dynamics tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực, đã nói với Space.com trong một email.
Park và các đồng nghiệp đã thiết kế GIRO để đo những biến đổi tinh tế trong trường hấp dẫn của các hành tinh, mặt trăng và tiểu hành tinh. Họ đã mô tả khái niệm về đầu dò mới trong một bài báo được công bố vào ngày 29 tháng 5 trên Tạp chí Khoa học Hành tinh.
"Khi đầu dò và tàu vũ trụ chủ cùng bay quanh (hoặc bay ngang qua) một thiên thể mục tiêu theo đội hình, các biến thể hoặc 'độ gồ ghề' trong trường hấp dẫn của thiên thể đó sẽ gây ra những thay đổi rất nhỏ trong quỹ đạo của cả đầu dò và tàu vũ trụ chủ", Park cho biết. "Những thay đổi này có thể được đo bằng hiệu ứng Doppler trong tín hiệu vô tuyến."
Bằng cách phân tích các đặc điểm Doppler này và lập bản đồ các trường hấp dẫn này với độ chính xác cao, các nhà nghiên cứu có thể suy ra cấu trúc bên trong và động lực của các hành tinh, mặt trăng và các thiên thể khác. Thông tin chi tiết này giúp trả lời những câu hỏi cơ bản về khối lượng, mật độ, thành phần, lịch sử hình thành và tiềm năng hoạt động địa chất hoặc núi lửa của chúng — biến GIRO thành một công cụ mạnh mẽ, có độ chính xác cao cho các sứ mệnh thám hiểm không gian trong tương lai.
"GIRO sẽ đặc biệt hữu ích — và thậm chí là cần thiết — đối với các vấn đề đòi hỏi phải khôi phục trường hấp dẫn có độ chính xác cao, thám hiểm các môi trường nguy hiểm và/hoặc các tình huống có cơ hội thu thập dữ liệu hạn chế", Park cho biết.
Dữ liệu trọng lực có độ chính xác cao là rất quan trọng trong các tình huống mà tín hiệu trọng lực yếu, chẳng hạn như xác định khối lượng của một tiểu hành tinh nhỏ hoặc phát hiện những thay đổi trong trường trọng lực của một mặt trăng hành tinh theo thời gian.
"Môi trường nguy hiểm đề cập đến những nơi mà thực tế là rất khó để thực hiện các chuyến bay ngang qua hoặc quỹ đạo", Park giải thích. Một ví dụ điển hình là môi trường phức tạp và có khả năng nguy hiểm do các vành đai của Sao Thiên Vương tạo ra. "Việc thu thập dữ liệu hạn chế áp dụng cho các trường hợp chỉ có một số ít chuyến bay ngang qua hoặc một khoảng thời gian quỹ đạo ngắn là khả thi", ông nói thêm.
Độ chính xác cao, chi phí thấp và khả năng mang nhiều đầu dò cùng một lúc của đầu dò chạy bằng pin được ổn định bằng spin có thể giúp giải quyết những vấn đề đầy thách thức này.
"So với theo dõi bức xạ trên mặt đất thông thường, GIRO dự kiến sẽ cung cấp độ chính xác tốt hơn từ 10 đến 100 lần", Park cho biết. "Mức độ chính xác này rất quan trọng đối với khoa học hành tinh vì nó cho phép lập bản đồ chi tiết hơn nhiều về trường hấp dẫn, tiết lộ các đặc điểm tinh tế của cấu trúc bên trong một hành tinh hoặc mặt trăng."
Bằng cách kết hợp các khả năng cơ bản của các sứ mệnh trước đây như GRAIL, GIRO có thể cắt giảm chi phí và tính phức tạp bằng cách sử dụng các thành phần vô tuyến nhẹ, công suất thấp trong khi vẫn cung cấp các phép đo trọng lực chính xác, theo Park.
Điều này có nghĩa là "khoa học trọng lực có thể được tiến hành như một phần của các sứ mệnh thám hiểm rộng hơn thay vì yêu cầu tàu vũ trụ chuyên dụng", ông giải thích.
Ngoài ra, GIRO có thể mở ra cánh cửa để khám phá các thiên thể nhỏ hơn và các hệ hành tinh xa xôi có thể thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về cách các hành tinh hình thành và tiến hóa và liệu chúng có thể chứa các điều kiện cho sự sống hay không.
Thiết kế một thí nghiệm trọng lực GIRO đi kèm với một loạt thách thức riêng, phần lớn trong số đó xoay quanh cách thức lập kế hoạch cho nhiệm vụ. Để có được dữ liệu chính xác, các đầu dò phải được thả vào các quỹ đạo được lựa chọn cẩn thận không chỉ cho phép đo trọng lực chính xác mà còn duy trì kết nối vô tuyến mạnh với tàu vũ trụ chính.
Đối với các nhiệm vụ ngoài hành tinh, các đầu dò GIRO sẽ chạy bằng pin, vì vậy tất cả các phép đo phải được hoàn thành trước khi pin cạn sau 10 ngày. Tuy nhiên, đối với các nhiệm vụ gần mặt trời hơn, có một tùy chọn để sạc lại pin bằng ánh sáng mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
—Robot nhảy, vệ tinh nhiệt hạch và nhiều hơn nữa! Các nghiên cứu mới do NASA tài trợ một ngày nào đó có thể 'thay đổi khả năng'
—Mẻ ý tưởng công nghệ không gian hoang dã mới của NASA bao gồm khái niệm trả lại mẫu Titan và nhiều hơn nữa
—10 ngoại hành tinh cực đoan này nằm ngoài thế giới này
Ngoài ra, quỹ đạo của tàu thăm dò phải tuân thủ các quy tắc bảo vệ hành tinh nghiêm ngặt, bao gồm thời gian chúng ở trên quỹ đạo và cách xử lý an toàn sau đó để tránh làm ô nhiễm các thế giới khác.
Theo Park, về mặt kỹ thuật, GIRO có thể được tích hợp vào một sứ mệnh hành tinh trong vòng một đến ba năm. Mặc dù các hạn chế về ngân sách và chính trị sẽ ảnh hưởng đến mốc thời gian này.
"Các cột mốc quan trọng nhất trước khi tích hợp bao gồm việc xây dựng và thử nghiệm các nguyên mẫu giống như chuyến bay trong môi trường mô phỏng chặt chẽ các điều kiện thực tế của sứ mệnh", Park cho biết. "Khi các cột mốc này được đáp ứng và cơ hội thực hiện nhiệm vụ được xác định, GIRO có thể được tích hợp vào tải trọng cho các nhiệm vụ sắp tới, chẳng hạn như các nhiệm vụ nhắm tới tiểu hành tinh, mặt trăng hoặc các hành tinh bên ngoài."
Đầu dò nhỏ được đề xuất, được gọi là Gravity Imaging Radio Observer (GIRO), sẽ sử dụng trường trọng lực để lập bản đồ chính xác phần bên trong và thành phần của các ngoại hành tinh và các thiên thể khác.
"GIRO là một đầu dò vô tuyến nhỏ phản xạ các tín hiệu vô tuyến được gửi từ tàu vũ trụ chủ đã mang và thả nó", Ryan Park, kỹ sư chính tại NASA và giám sát viên của nhóm Solar System Dynamics tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực, đã nói với Space.com trong một email.
Park và các đồng nghiệp đã thiết kế GIRO để đo những biến đổi tinh tế trong trường hấp dẫn của các hành tinh, mặt trăng và tiểu hành tinh. Họ đã mô tả khái niệm về đầu dò mới trong một bài báo được công bố vào ngày 29 tháng 5 trên Tạp chí Khoa học Hành tinh.
"Khi đầu dò và tàu vũ trụ chủ cùng bay quanh (hoặc bay ngang qua) một thiên thể mục tiêu theo đội hình, các biến thể hoặc 'độ gồ ghề' trong trường hấp dẫn của thiên thể đó sẽ gây ra những thay đổi rất nhỏ trong quỹ đạo của cả đầu dò và tàu vũ trụ chủ", Park cho biết. "Những thay đổi này có thể được đo bằng hiệu ứng Doppler trong tín hiệu vô tuyến."
Bằng cách phân tích các đặc điểm Doppler này và lập bản đồ các trường hấp dẫn này với độ chính xác cao, các nhà nghiên cứu có thể suy ra cấu trúc bên trong và động lực của các hành tinh, mặt trăng và các thiên thể khác. Thông tin chi tiết này giúp trả lời những câu hỏi cơ bản về khối lượng, mật độ, thành phần, lịch sử hình thành và tiềm năng hoạt động địa chất hoặc núi lửa của chúng — biến GIRO thành một công cụ mạnh mẽ, có độ chính xác cao cho các sứ mệnh thám hiểm không gian trong tương lai.
"GIRO sẽ đặc biệt hữu ích — và thậm chí là cần thiết — đối với các vấn đề đòi hỏi phải khôi phục trường hấp dẫn có độ chính xác cao, thám hiểm các môi trường nguy hiểm và/hoặc các tình huống có cơ hội thu thập dữ liệu hạn chế", Park cho biết.
Dữ liệu trọng lực có độ chính xác cao là rất quan trọng trong các tình huống mà tín hiệu trọng lực yếu, chẳng hạn như xác định khối lượng của một tiểu hành tinh nhỏ hoặc phát hiện những thay đổi trong trường trọng lực của một mặt trăng hành tinh theo thời gian.
"Môi trường nguy hiểm đề cập đến những nơi mà thực tế là rất khó để thực hiện các chuyến bay ngang qua hoặc quỹ đạo", Park giải thích. Một ví dụ điển hình là môi trường phức tạp và có khả năng nguy hiểm do các vành đai của Sao Thiên Vương tạo ra. "Việc thu thập dữ liệu hạn chế áp dụng cho các trường hợp chỉ có một số ít chuyến bay ngang qua hoặc một khoảng thời gian quỹ đạo ngắn là khả thi", ông nói thêm.
Độ chính xác cao, chi phí thấp và khả năng mang nhiều đầu dò cùng một lúc của đầu dò chạy bằng pin được ổn định bằng spin có thể giúp giải quyết những vấn đề đầy thách thức này.
"So với theo dõi bức xạ trên mặt đất thông thường, GIRO dự kiến sẽ cung cấp độ chính xác tốt hơn từ 10 đến 100 lần", Park cho biết. "Mức độ chính xác này rất quan trọng đối với khoa học hành tinh vì nó cho phép lập bản đồ chi tiết hơn nhiều về trường hấp dẫn, tiết lộ các đặc điểm tinh tế của cấu trúc bên trong một hành tinh hoặc mặt trăng."
Bằng cách kết hợp các khả năng cơ bản của các sứ mệnh trước đây như GRAIL, GIRO có thể cắt giảm chi phí và tính phức tạp bằng cách sử dụng các thành phần vô tuyến nhẹ, công suất thấp trong khi vẫn cung cấp các phép đo trọng lực chính xác, theo Park.
Điều này có nghĩa là "khoa học trọng lực có thể được tiến hành như một phần của các sứ mệnh thám hiểm rộng hơn thay vì yêu cầu tàu vũ trụ chuyên dụng", ông giải thích.
Ngoài ra, GIRO có thể mở ra cánh cửa để khám phá các thiên thể nhỏ hơn và các hệ hành tinh xa xôi có thể thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về cách các hành tinh hình thành và tiến hóa và liệu chúng có thể chứa các điều kiện cho sự sống hay không.
Thiết kế một thí nghiệm trọng lực GIRO đi kèm với một loạt thách thức riêng, phần lớn trong số đó xoay quanh cách thức lập kế hoạch cho nhiệm vụ. Để có được dữ liệu chính xác, các đầu dò phải được thả vào các quỹ đạo được lựa chọn cẩn thận không chỉ cho phép đo trọng lực chính xác mà còn duy trì kết nối vô tuyến mạnh với tàu vũ trụ chính.
Đối với các nhiệm vụ ngoài hành tinh, các đầu dò GIRO sẽ chạy bằng pin, vì vậy tất cả các phép đo phải được hoàn thành trước khi pin cạn sau 10 ngày. Tuy nhiên, đối với các nhiệm vụ gần mặt trời hơn, có một tùy chọn để sạc lại pin bằng ánh sáng mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
—Robot nhảy, vệ tinh nhiệt hạch và nhiều hơn nữa! Các nghiên cứu mới do NASA tài trợ một ngày nào đó có thể 'thay đổi khả năng'
—Mẻ ý tưởng công nghệ không gian hoang dã mới của NASA bao gồm khái niệm trả lại mẫu Titan và nhiều hơn nữa
—10 ngoại hành tinh cực đoan này nằm ngoài thế giới này
Ngoài ra, quỹ đạo của tàu thăm dò phải tuân thủ các quy tắc bảo vệ hành tinh nghiêm ngặt, bao gồm thời gian chúng ở trên quỹ đạo và cách xử lý an toàn sau đó để tránh làm ô nhiễm các thế giới khác.
Theo Park, về mặt kỹ thuật, GIRO có thể được tích hợp vào một sứ mệnh hành tinh trong vòng một đến ba năm. Mặc dù các hạn chế về ngân sách và chính trị sẽ ảnh hưởng đến mốc thời gian này.
"Các cột mốc quan trọng nhất trước khi tích hợp bao gồm việc xây dựng và thử nghiệm các nguyên mẫu giống như chuyến bay trong môi trường mô phỏng chặt chẽ các điều kiện thực tế của sứ mệnh", Park cho biết. "Khi các cột mốc này được đáp ứng và cơ hội thực hiện nhiệm vụ được xác định, GIRO có thể được tích hợp vào tải trọng cho các nhiệm vụ sắp tới, chẳng hạn như các nhiệm vụ nhắm tới tiểu hành tinh, mặt trăng hoặc các hành tinh bên ngoài."
