Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) è un progetto disonda spazialeabbandonataprogettato per esplorare lelunedighiacciodiGiove. L'obiettivo principale era l'Europa, il cui oceano è considerato la culla più probabile della prima infanzia nel sistema solare. Anche GanimedeeCallisto, che ora si ritiene avessero oceani liquidi e salati sotto le loro superfici glaciali, furono presi di mira dalla missione. Questa è la prima variazione delprogetto Prometheus, quindi il progetto JIMO è spesso chiamatoprogetto Prometheusper estensione.
All'inizio degli anni 2000, la NASA lancia il programma di sistemi e tecnologie nucleari Prometheus ( Prometheus Nuclear Systems and Technology Programme ), era quello di promuovere un nuovo approccio all'esplorazione spaziale con l' energia nucleare che fornisce una maggiore manovrabilità (consentendo più destinazioni e / o grandi carichi utili ) e una ricchezza di energia elettrica (in grado di alimentare nuovi tipi di esperimenti scientifici e velocità di trasmissione dati elevate).
All'interno di questo programma, definisce lo sviluppo di una famiglia di veicoli basata su questo nuovo paradigma. Il primo di questi veicoli, Prometheus 1, doveva fungere da dimostratore di questa nuova strategia tecnologica portando a termine la missione denominata JIMO. Dopo l'abbandono del programma, poiché la missione JIMO era l'unica studiata nell'ambito del progetto, la terminologia diventa meno formale e ci riferiamo ora al progetto, al veicolo o alla missione indifferentemente con i termini JIMO o Prometheus.
JIMO fa anche parte di una serie di studi di sonda per l'Europa, motivati dal piano decennale di esplorazione spaziale della National Academy of Sciences . Questa sonda doveva quindi servire da modello per nuove missioni di esplorazione dei pianeti esterni.
La NASA ha avviato la fase di studio completo di Settembre 2002, che termina con Febbraio 2003la presentazione di una versione preliminare denominata JIMT ( Jupiter Icy Moons Tour ), disponibile in tre opzioni di fonte energetica: solare, radioisotopica o nucleare. Quest'ultima opzione è stata presentata come l'unica in grado di raggiungere l'obiettivo gioviano con un carico utile di 490 kg per una massa iniziale ragionevole (in questo caso 23 t ). Il veicolo doveva essere messo in orbita terrestre bassa (LEO ) da un lanciatore pesante senza il reattore nucleare che lo avrebbe raggiunto nello space shuttle per essere assemblato in orbita.
La fase successiva di specifica dei sistemi e della missione è stata completata da Marzo 2003 a Luglio 2005. Presentava un veicolo di 36 t di massa iniziale, comprese 12 t di xeno e 1.500 kg di carico utile. La progettazione e la fabbricazione della parte non nucleare del veicolo doveva essere eseguita da JPL con la collaborazione di Northrop Grumman , mentre il Los Alamos National Laboratory produceva il reattore nucleare sotto l'egida del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. DOE) e l'aiuto del Bettis Atomic Power Laboratory (nella) marina americana.
JIMO ha dovuto contare molte innovazioni tecnologiche. Doveva essere alimentato da un motore a ioni alimentato da un piccolo reattore nucleare . La conversione elettrica termodinamica doveva fornire una potenza 1000 volte maggiore rispetto a una sonda alimentata da RTG o pannelli solari , consentendo, oltre alle manovre a propulsione ionica, l'utilizzo di un radar in grado di sondare l'interno delle lune e una trasmissione dati ampia larghezza di banda .
Prima dell'inizio della fase di progettazione, le priorità della NASA si sono spostate e si sono spostate verso missioni con equipaggio. Il finanziamento del progetto si è concluso nel 2005, annullando di fatto la missione. Tra le altre questioni, la tecnologia nucleare proposta è stata ritenuta troppo ambiziosa per un dimostratore, così come il lancio in più parti e l'assemblea in orbita. Alcuni dei team coinvolti hanno poi lavorato su un progetto di mini centrale nucleare per la superficie lunare FSPS ( Fission Surface Power System ) fino alla fine ufficiale del progetto inOttobre 2005.
Il progetto era allora costato 460 milioni di dollari e il suo costo finale era stimato a 16 miliardi di dollari.
La sonda è strutturata attorno a un lungo albero che trasporta il reattore a un'estremità e i propulsori e gli strumenti scientifici all'altra estremità. Tra i due si estendono i pannelli di dissipazione del calore del reattore. L'albero ha tre cerniere che consentono di ripiegare il veicolo e di essere contenuto in una carenatura a razzo di 4,5 m di diametro per 26 m di altezza.
Quando il progetto è stato interrotto, non c'era stata una scelta definitiva del tipo di reattore da utilizzare sulla sonda, ma tra quelle proposte dal DOE, la seguente configurazione era la più plausibile.
Il reattore si trova nella parte anteriore del veicolo, nascosto dietro uno scudo fatto di materiale che assorbe i neutroni e tungsteno (assorbitore di raggi gamma ) che protegge la zona conica appiattita (6 ° × 12 °) in cui si trova il resto del motore veicolo.
Opera in spettro veloce e la sua reattività è regolata da riflettori scorrevoli controllati da aste passanti attraverso lo schermo. È alimentato per poter fornire 1 MW termico per 15 anni.
Viene raffreddato da un circuito a gas accoppiato direttamente a quattro convertitori (due attivi e due di back-up) che operano in un ciclo Brayton chiuso: la miscela elio - xeno esce dal reattore a 1150 K , aziona una turbina , passa attraverso un recuperatore , quindi uno scambiatore con il circuito del radiatore, quindi passa attraverso una turbopompa che lo restituisce al recuperatore e al reattore. La pompa e la turbina sono accoppiate dallo stesso asse di rotazione sul quale è presente anche un alternatore che genera fino a 100 kW di potenza elettrica.
Dall'altro lato dello scambiatore, il circuito del radiatore azionato da un'elettropompa fa circolare acqua o NaK nei 532 m 2 di pannelli disposti lungo il palo all'ombra dello scudo.
Il reattore è circondato da una protezione contro i micrometeoriti . Durante il lancio, è inoltre avvolto in un guscio composito di titanio e carbonio fenolico, e una bacchetta di veleno di neutroni è inserita nel suo nucleo, questo impedisce la contaminazione dell'ambiente terrestre in caso di rientro atmosferico accidentale e immersione. Tuttavia, gli effetti di un impatto al suolo non erano ancora stati valutati e contrastati. Queste protezioni vengono rilasciate dopo che la sonda è stata espulsa dall'orbita terrestre e prima che il reattore venga avviato.
I propulsori ionici testati, denominati HiPEP ( High Power Electric Propulsion ) e NEXIS ( Nuclear Electric Xenon Ion System ), derivano da propulsori ionici elettrostatici a griglia come quello utilizzato su Deep Space 1 . HiPEP si differenzia per la sua tecnica di ionizzazione del gas basata sull'induzione a microonde e NEXIS per l'omogeneità del suo plasma e delle sue griglie di carbonio. Queste variazioni offrono un significativo miglioramento dell'efficienza, della potenza e della durata di questo tipo di motore. Il modello previsto per la sonda, denominato Heracles, doveva essere progettato sulla base dei risultati dei test effettuati su questi due modelli precursori. Il suo impulso specifico è stato previsto a 6000 s.
Propulsore HiPEP
HiPEP in funzione
Propulsore NEXIS
NEXIS in funzione
I propulsori dovevano essere disposti in due gondole contenenti ciascuna 4 motori a ioni, 3 grandi propulsori ad effetto Hall (fornendo una spinta aggiuntiva ma meno efficace in alcuni casi critici) e 6 piccoli propulsori ad effetto Hall per il controllo dell'assetto. Queste gondole sono collegate al veicolo da supporti articolati che consentono di ottenere la spinta vettoriale , garantendo in parte il controllo dell'assetto a un costo inferiore.
La bassa spinta del getto e il conseguente percorso di trasferimento a spirale forniscono maggiori opportunità di partenza e minore sensibilità alle deviazioni dalla data ottimale in ogni finestra di lancio .
L'elevato impulso specifico consente di ridurre la massa di carburante (o di aumentare il carico utile), ma a causa della bassa spinta, le manovre di fuga o cattura in campi gravitazionali intensi richiedono molto tempo. Per non passare mesi a girare a spirale intorno alla Terra, la partenza è assicurata da due stadi di trasferimento con propulsione chimica.
Il veicolo viene quindi messo in LEO da tre lanci con un lanciatore da 40 t ancora non concepito con una bassa capacità di orbita. L'assemblaggio viene quindi eseguito mediante ancoraggio automatico. La sonda ha inizialmente un segmento di ormeggio che garantisce le funzioni prima del suo dispiegamento e avviamento (alimentazione tramite pannelli solari, collegamento radio UHF e controllo dell'assetto tramite propulsori idrazina ). Questo segmento viene rilasciato prima del transito interplanetario.
Alla fine del progetto sono stati definiti gli obiettivi scientifici e le capacità offerte dal veicolo ma non sono stati scelti gli strumenti. Questa scelta doveva essere fatta nel gennaio 2008 dopo aver consultato la comunità scientifica e i subappaltatori. Tuttavia, sulla base dello studio JIMT, alcuni dispositivi erano fortemente previsti.
Le specifiche scientifiche richiedevano che le tre lune visitate fossero mappate da telecamere e telescopi con una risoluzione di 25 cm / pixel e Io con 1 km / pixel. La topografia del rilievo doveva essere eseguita da un radar ad apertura sintetica operante con una potenza di 5 kW a 35 GHz , la risoluzione verticale ottenuta essendo inferiore a un metro.
Il sondaggio dell'interno delle croste di ghiaccio dei satelliti doveva essere effettuato da un radar ad alta potenza, composto da tre antenne Yagi , in grado di osservare la stratigrafia glaciale e l'interfaccia con l'oceano fino a 20 km di profondità.
Gli spettrometri di massa dovevano analizzare la materia neutra e ionizzata espulsa dalla superficie delle lune visitate. In questo tipo di esperimento, è preferibile analizzare la materia neutra perché la materia ionizzata è messa in moto dal campo magnetico locale ed è quindi difficile correlare la sua composizione chimica con la sua posizione originale. La materia neutra, se "immobile" rispetto al luogo di produzione, è invece nettamente meno abbondante. È stato quindi proposto di provocare l'espulsione di materiale mediante l'ablazione della superficie delle lune mediante laser o mediante il flusso di xeno ottenuto puntando i motori della sonda verso la superficie.
La comunicazione con la Terra situata a più di 6 UA doveva essere in grado di trasferire 50 Mbit / s di dati. La potenza richiesta per un tale flusso, se resa disponibile dalla fonte di energia nucleare, supera di gran lunga la capacità di un tubo a onde viaggianti , motivo per cui il sistema di comunicazione doveva essere accoppiato ad un gruppo di quattro antenne, oppure ad un non ancora combinatore di tubi progettato.
Essendo l'Europa l'obiettivo scientifico più importante, il 25% del carico utile doveva essere dedicato a un esperimento di superficie ESSP ( Europa Surface Science Package ) che includeva un lander ELM ( Europa Lander Mission ). Avrebbe depositato un modulo da 38,7 kg (230 kg compreso il peso dei suoi razzi e airbag di atterraggio) alimentato da un piccolo RTG. Il modulo avrebbe inviato le sue misurazioni durante i 30 giorni di orbita della sonda attorno alla luna.
È stato proposto di aggiungere alla missione un modulo di discesa nell'atmosfera gioviana e possibilmente un satellite relè. Il modulo doveva funzionare fino ad una pressione di 100 atmosfere , molto oltre quella rilasciata dalla sonda Galileo nel 1995 che fu distrutta ad una pressione di 23 atm. Ma questo obiettivo aggiuntivo avrebbe richiesto troppe modifiche al progetto originale o agli obiettivi primari.
A partire dal Maggio 2015, sono stati effettuati tre lanci per mettere in LEO e per assemblare le due fasi di trasferimento e la sonda. Le fasi di trasferimento dovevano spingere la sonda fuori dalla vicinanza della Terra durante la finestra di lancio che si estendeva dall'estremitàottobre 2015 a metàgennaio 2016.
Durante il mese successivo a questa prima manovra, la sonda doveva essere resa operativa dispiegando le sue strutture, attivando e testando il reattore e i propulsori. Il trasferimento interplanetario sarebbe poi durato fino alAprile 2021, periodo durante il quale i motori ionici avrebbero funzionato 2/3 del tempo.
Arrivata nella zona d'influenza di Giove, la navigazione della sonda sarebbe diventata più complessa e delicata. In questo ambiente gravitazionale disturbato dall'interazione di molti corpi, la durata di un'orbita attorno a una luna è breve e in assenza o incapacità di correzioni, la sonda sarebbe stata condannata a schiantarsi dopo poche settimane. D'altra parte, la dinamica di questi numerosi corpi offre molte opportunità di manovra per assistenza gravitazionale , quindi ci si aspettava che con questa tecnica tutti i trasferimenti tra i satelliti avrebbero risparmiato l'80% della quantità di carburante teoricamente necessaria per questa tecnica. parte della missione. La cattura della sonda dalla sua prima destinazione Callisto sarebbe durata quasi un anno (fino alFebbraio 2022).
La sonda avrebbe studiato Callisto, poi Ganimede per 3 mesi ciascuno, e infine l'Europa per 1 mese. Avrebbe osservato Io ogni volta che la sua posizione e i vincoli della missione primaria lo permettevano. L'ordine in cui le lune vengono visitate partendo da quella più esterna consente di minimizzare l'irraggiamento degli strumenti da parte di Giove durante il ciclo di vita della sonda.
Alla fine della sua missione in Settembre 2025, il veicolo doveva essere parcheggiato in un'orbita stabile intorno all'Europa nonostante la vicinanza di Giove.