Tänk om vi hade förmågan att jaga ner interstellära objekt som passerar genom vårt solsystem, som 'Oumuamua eller kometen Borisov? En sådan rymdfarkost skulle behöva vara redo att gå med ett ögonblicks varsel, med kapacitet att öka hastigheten och ändra riktning snabbt.

Det är tanken bakom ett nytt uppdragskoncept som heter Extrasolar Object Interceptor och Sample Return-rymdfarkosten. Den har fått undersökande finansiering från NASA genom sitt Innovative Advanced Concepts (NIAC) program.

"Att ta tillbaka prover från dessa objekt kan i grunden förändra vår syn på universum och vår plats i det, säger Christopher Morrison, en ingenjör från Ultra Safe Nuclear Corporation-Tech (USNC-Tech) som lämnade in förslaget till NIAC.

Konceptet som Morrison och hans team föreslår är en radioisotop-elektrisk framdrivningsfarkost som förlitar sig på Chargeable Atomic Battery (CAB) teknologi, ett kraftsystem som USNC har utvecklat för kommersiellt bruk. Batterierna är kompakta och har en miljon gånger energitätheten jämfört med toppmoderna kemiska batterier – såväl som fossila bränslen.

"Radioisotoper har ungefär samma mängd total energi lagrad i varje atom, Morrison förklarade. "Hur snabbt de frigör den energin beror på halveringstiden. Pu-238 har en halveringstid på 88 år, perfekt för långa uppdrag till det yttre solsystemet. CAB-batterierna vi utvecklar på USNC-Tech har kortare halveringstider och har en högre effekttäthet. I NIAC, vi använder en radioisotop med en halveringstid på fem år och en effekttäthet över 30 gånger den för Plutonium-238 (Pu-238)."

Pu-238 är NASA:s vanliga kärnkraftsval för sin rymdfarkost. Den har använts för mer än två dussin mycket framgångsrika amerikanska rymduppdrag - som New Horizons, och Curiosity and Perseverance Mars rovers – för sina radioisotopkraftsystem (RPS).

Pu-238, står dock inför vissa utmaningar. Endast en begränsad mängd Pu-238 kan produceras (bara 14 ounces (400 gram) varje år just nu med en väg mot 50 ounces (1500 g) under de närmaste åren). Detta räcker knappt för att möta NASA:s framtida uppdragsbehov för sina stora program.

Mindre program och kommersiella företag står inför utmaningar inte bara på grund av bristen på utbudet, men också för att Pu-238 anses vara ett speciellt kärnmaterial med icke-spridningsproblem. Radioisotoperna i CAB-tekniken är istället kommersiella till sin natur, i själva verket används många av dem flitigt i den medicinska industrin för cancerbehandlingar.

"CAB-batterier i kombination med elektrisk framdrivning skulle vara mycket enkla system, " Morrison berättade för Universe Today. "Detta är all beprövad teknologi. Den verkliga innovationen vi drar nytta av är den nuvarande regleringsmiljön. Före 2019, det fanns ingen rättslig ram för kommersiella företag att använda kärnkraft. Nu är det officiellt sanktionerat."

Presidentens memo NPSN-20 under 2019 ledde Department of Transportation, och specifikt Federal Aviation Administration, att utveckla ett skiktat regelsystem som skulle tillåta kommersiella företag att skjuta upp kärnkraftsdrivna rymdfarkoster.

Morrisons förslag förklarar att "CAB är enklare och billigare att tillverka än Pu-238 och säkerhetsfallet förstärks avsevärt av CAB:s inkapsling av radioaktiva material i en robust karbidmatris. Denna teknik är överlägsen fissionssystem för denna applikation eftersom fissionssystem behöver en kritisk massa medan radioisotopsystem kan vara mycket mindre och passa på mindre uppskjutningssystem, minska kostnader och komplexitet."

Den CAB-drivna rymdfarkosten, kallad "Extrasolar Express, " har en bränslemassa på strax under ett ton. SpaceX:s Falcon 9, i kontrast, kan placera över 20 ton i omloppsbana. Vad skulle göras med allt extra utrymme i bärraketen?

Morrison förklarar:"Vi kan byta ut en del av den massan mot en extra fartökning bort från jorden. Dessutom, en del av den extra massan kan användas för att öka säkerheten genom att inkludera en stor robust sköld som skyddar radioisotopen och säkerställer att det inte släpps ens i värsta fall. Väl i en hög bana kan skölden kastas ut, och rymdfarkosten kan resa obehindrat på sitt uppdrag."

Extrasolära objekt nu på scenen

Innan de två ovanliga och spännande interstellära objekten brast ut på scenen i vårt solsystem ("Oumuamua 2017 och Borisov 2019) hade astronomer inte övervägt att vandrande intrångare från andra stjärnsystem rutinmässigt skulle kunna passera förbi. Nu, forskare beräknar att i genomsnitt sju sådana objekt passerar in i jordens omloppsbana varje år. Att ta reda på mer om dessa objekt är en lockande möjlighet, sedan just nu, allt vi kan göra är att titta på dem med teleskop när de rusar förbi oss.

"Dessa föremål verkar komma ganska nära oss, " sade Morrison, "att skapa ett uppdrag för att komma ikapp ett är inte en fråga om avstånd utan en fråga om hastighet. Det förändrar ekvationen till skillnad från de flesta uppdrag, som behöver lång livslängd. Detta är bara ett hastighetsproblem, eftersom du kan fånga upp det och ta ett prov och gå tillbaka till jorden så länge du har delta v för att utföra uppdraget."

Morrison förklarade den potentiella uppdragsplanen för Extrasolar Object Interceptor och Sample Return:Starta Interceptor-rymdskeppet mot Jupiter och vänta på att ett lämpligt extrasolärt objekt ska upptäckas.

"Du kanske måste vänta ett år eller så, " han sa, "men oavsett vad, du kommer förmodligen att behöva utföra ett flygplansbyte, eftersom dessa objekt inte kommer in på vårt ekliptiska plan. Tanken är att flyga mot Jupiter, förhoppningsvis vara på ett bra ställe att göra en slangbella runt Jupiter för att komma in i samma planorientering som objektet."

Rymdfarkosten kan vara liknande i storlek och massa som Dawn-uppdraget, som också använde elektrisk framdrivning. Men istället för Dawns enorma solpaneler, CAB skulle ge tillräckligt med kraft för att skapa en snabb rymdfarkost. Interceptorn skulle behöva stora värmeavvisande radiatorer, som (liksom Dawns solpaneler) skulle vara den största delen av rymdfarkosten.

Detaljerna för provreturdelen håller fortfarande på att utarbetas, men kanske något som liknar TAGSAM-provinsamlingssystemet som används av OSIRIS-REx-uppdraget.

"Jag anser mig vara mer "Scotty" för att designa detta Interceptor-uppdrag, men jag skulle skaffa en Spock för att hjälpa till att ta reda på den vetenskapliga delen, " funderade Morrison.

CAB tillverkas med icke-radioaktiva material och "laddas" sedan i ett strålningsfält för att skapa en specifik radioisotop. Morrison sa att det finns många olika radioisotoper av intresse (till exempel Cobalt-60 och Thulium-170) och att tekniken kan tillgodoses för att möta en kunds effekttäthet och livstidsbehov. Många av CAB-teknikens potentiella kunder är markbaserade företag som tittar på undervattens- eller underjordiska applikationer.

"Tekniken är banbrytande för månuppvärmningsapplikationer i wattskala på kort sikt, men NIAC-förslaget representerar den sportigare versionen av tekniken."

NIAC-programmet framställer sig självt som att fostra visionära idéer som kan förändra framtida NASA-uppdrag med skapandet av genombrott, samtidigt som innovatörer och entreprenörer engageras som partners. Även om Extrasolar Object Interceptor och Sample Return aldrig gör det som ett "riktigt" uppdrag, Morrison och USNC kommer att fortsätta arbeta för att göra deras CAB till en livskraftig kraftkälla för både jorden och rymden.

"Jag är oerhört tacksam för att vi fick NIAC-finansiering, " sade Morrison, "Vårt företag investerar redan våra egna pengar i den här tekniken. Vi vill att CAB ska vara framtidens Duracell-batteri för allt som verkar omöjligt - som långvariga rymduppdrag, eller i avlägsna miljöer på jorden."

Utöver CAB-batterier, USNC-företaget har utvecklat andra kärntekniker. "Radioisotoper som används i CAB är heta bergarter som producerar konsekvent värme under en lång tidsperiod. En fissionsreaktor är en annan typ av kärnteknik som kan slås på och av, upp och ner" förklarar Chris. USNC utvecklar en liten modulär fissionsreaktor för användning i kanadensiska Arktis och detta projekt är huvudfokus för företagets ansträngningar.

"Kanada spenderar många hundra miljoner per år på diesel för generatorer för att driva sina små städer i avlägsna regioner, " sade Morrison, "och de vill verkligen byta till att använda små modulära reaktorer."

Det visar sig att kraftsystem som fungerar bra för avlägsna platser på jorden är bra för avlägsna platser i rymden, för. UNSC-Tech, där Morrison arbetar, är ett dotterbolag till USNC fokuserat på flygindustrin och avancerade markbaserade system. USNC-Tech utvecklar fissionsframdrivningsteknik tillsammans med NASA och DARPA samt en Lunar- och Martian-reaktor kallad "Pylon-reaktorn".

"USNC-Tech designar "LEGO"-klossarna för rymdkärnteknik. Rymduppdrag skulle använda samma grundläggande markbaserade teknik arrangerad i en annan konfiguration för att åstadkomma modiga nya saker på nya platser, "Förklarade Morrison. "Men Extra Solar Express NIAC är förmodligen min favorit."