Förra veckan - från måndag 27 februari till onsdag 1 mars - var NASA värd för ”Planetetary Science Vision 2050 Workshop” vid deras huvudkontor i Washington, DC. Under de många presentationer, tal och paneldiskussioner delade NASA sina många planer för rymdutforskningens framtid med det internationella samfundet.
Bland de mer ambitiösa av dessa var ett förslag att utforska Titan med hjälp av en flygutforskare och en lander. Utifrån framgången med ESA: s Cassini-Huygen-uppdrag skulle denna plan involvera en ballong som skulle utforska Titans yta från låg höjd, tillsammans med en Mars Pathfinder-stiluppdrag som skulle utforska ytan.
I slutändan skulle målet ett uppdrag till Titan vara att utforska den rika organiska kemiska miljön som månen har, vilket ger en unik möjlighet för planetariska forskare. Under en tid har forskare förstått att Titans yta och atmosfär har ett överflöd av organiska föreningar och all den prebiotiska kemi som krävs för att livet ska fungera.
Presentationen, med titeln “Aerial Mobility: Key to Exploring Titan's Rich Chemical Diversity” var ordförande av Ralph Lorenz från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, och medordförande av Elizabeth Turtle (också från John Hopkins APL) och Jason Barnes från avdelningen för fysik vid University of Idaho. Som Turtle förklarade till Space Magazine via e-post, presenterar Titan några spännande möjligheter för en nästa generations uppdrag:
"Titan är av särskilt intresse eftersom den rikliga och komplexa organiska kemi kan lära oss om kemiska interaktioner som kunde ha inträffat här på jorden (och någon annanstans?) Som ledde till livets utveckling. Dessutom har Titan inte bara ett inre hav med flytande vatten, utan det har också varit möjligheter för organiskt material att blandas med flytande vatten vid Titans yta, till exempel slagkratrar och eventuellt kryovolkanutbrott. Kombinationen av organiskt material med flytande vatten ökar naturligtvis astrobiologisk potential. ”
Av denna anledning har utforskningen av Titan varit ett vetenskapligt mål i årtionden. Den enda frågan är hur man bäst kan utforska Titans unika miljö. Under tidigare decadalundersökningar - såsom Campaign Strategy Working Group (CSWG) om prebiotisk kemi i det yttre solsystemet, där Lorenz var en bidragsgivare - har föreslagit att ett mobilt flygfordon (som ett luftskip eller en ballong) skulle väl- passar uppgiften.
Men sådana fordon skulle inte kunna studera Titans metansjöar, som är en av månens mest spännande dragningar när det gäller forskning om prebiotisk kemi. Dessutom skulle ett flygbil inte kunna utföra kemisk analys på ytan på plats, precis som Mars Exploration Rovers (Anda, möjlighet och Nyfikenhet) har gjort på Mars - och med enorma resultat!
Samtidigt undersökte Lorenz och hans kollegor koncept för utforskning av Titans kolvätehav - som den föreslagna Titan Mare Explorer-kapseln (TiME). Som en av flera finalister i NASA: s 2010-tävlingstävling 2010 krävde detta koncept distribution av nautisk robot till Titan under de kommande årtiondena, där det skulle studera sina metansjöar för att lära sig mer om metancykeln och söka efter tecken på organiskt liv.
Även om ett sådant förslag skulle vara kostnadseffektivt och ger några mycket spännande möjligheter för forskning, har det också några begränsningar. Under 2020- 2030-talet kommer till exempel Titans norra halvklot att uppleva sin vintersäsong; vid vilken tidpunkt atmosfärens tjocklek kommer att göra direkt-till-jorden kommunikation och jordvyer omöjliga. Dessutom skulle ett nautiskt fordon utesluta utforskningen av Titans landytor.
Dessa erbjuder några av de mest troliga utsikterna för att studera Titans avancerade kemiska utveckling, inklusive Titans sanddyner. Som ett lindat område har detta område troligen material avsatt från hela Titan och kan också innehålla vattenförändrade material. Mycket som Mars Pathfinder landningsplats valdes så att den kunde samla in prover från ett brett område, som att platsen skulle vara en idealisk plats för en lander.
Som sådan förespråkade Lorenz och hans kollegor den typ av uppdrag som formulerades i 2007 års flaggskeppstudie, som krävde en Montgolfière-ballong för regional utforskning och en Pathfinder-liknande lander. Detta skulle ge möjlighet att utföra ytavbildning vid upplösningar som är omöjliga från omloppsbana (på grund av den tjocka atmosfären) samt undersöka ytkemin och månens inre struktur.
Så medan ballongen skulle samla in högupplösta geografiska data om månen, kunde landaren utföra seismologiska undersökningar som skulle känneteckna isens tjocklek ovanför Titans inre vattenhav. Ett landeruppdrag skulle emellertid vara begränsat vad gäller räckvidd, och ytan på Titan ger problem för rörlighet. Detta skulle göra flera landare, eller en flyttbar landare, till det mest önskade alternativet.
”Potentiella mål inkluderar områden där vi kan mäta fasta ytmaterial, vars sammansättning fortfarande inte är väl känd, till exempel Titans sanddyn,” sade Turtle. ”Detaljerad in situ-analys krävs för att bestämma deras sammansättning. Sjöarna och haven är också spännande; emellertid på kortare tid (uppdrag som anländer till 2030-talet) kommer de flesta av dem att vara i vintermörker. Så att utforska dem skulle förmodligen behöva vänta till 2040-talet. ”
Detta uppdragskoncept skulle också dra fördel av flera tekniska framsteg som har gjorts under de senaste åren. Som Lorenz förklarade under presentationen:
”Tyngre än luft-rörlighet hos Titan är i själva verket mycket effektiv, dessutom förbättringar av autonoma flygplan under de två decennierna sedan CSWG gör sådan utforskning till ett realistiskt perspektiv. Flera landare på plats som levereras av ett flygfordon som ett flygplan eller en lander med flygmobilitet för att komma åt flera platser, skulle ge den mest önskvärda vetenskapliga förmågan, mycket relevant för teman om ursprung, funktionssätt och liv. "
Lorenz, Turtle och Barnes kommer också att presentera dessa resultat vid den kommande 48: e Lunar and Planetetary Science-konferensen - som kommer att äga rum 20-20 mars i The Woodlands, Texas. Där kommer de att förenas med ytterligare medlemmar av Johns Hopkins APL och University of Idaho, samt paneldeltagare från NASA: s Goddard Space Flight Center, Pennsylvania State University och Honeybee Robotics.
Men när de tar upp några ytterligare utmaningar som inte uppstod vid 2050 Vision Workshop kommer de att presentera en liten vrid på sin idé. I stället för en ballong och flera landare, kommer de att presentera ett uppdragskoncept som involverar en "Dragonfly" qaudcopter. Detta fyra-rotorfordon skulle kunna dra fördel av Titans tjocka atmosfär och låga tyngdkraft för att få prov och bestämma ytkompositionen i flera geologiska miljöer.
Detta koncept innehåller också många nya tekniska framsteg, som inkluderar modern kontrollelektronik och framsteg inom kommersiell obemannad luftfartygsdesign (UAV). Därutöver skulle en quadcopter avskaffa kemiskt drivna retrorlock och kunna driva upp mellan flygningar, vilket skulle ge den en mycket längre livslängd.
Dessa och andra koncept för att utforska Saturnus månen Titan kommer säkert att få dragkraft under de kommande åren. Med tanke på de många mysterierna som är inlåsta i denna värld - med inkluderande riklig vattenis, prebiotisk kemi, en metancykel och ett hav som är troligtvis en prebiotisk miljö - är det verkligen ett populärt mål för vetenskaplig forskning.
