Med sin täta och kolväterika atmosfär har Titan varit ett ämne av intresse i många decennier. Och med framgång för Cassini-Huygens uppdraget, som började utforska Saturnus och dess system för månar tillbaka 2004, det finns många förslag på bordet för uppföljningsuppdrag som skulle utforska ytan på Titan och dess metanhav i större djup.
De utmaningar som detta ger har lett till några ganska nya idéer, allt från ballonger och landare till flytande drönare och ubåtar. Men det är förslaget till en "Dragonfly" -drone av forskare vid NASA: s JHUAPL som verkar särskilt äventyrliga. Denna åttabladiga drönare skulle kunna vertikalt ta start och landning (VTOL), vilket gör det möjligt att utforska både atmosfären och ytan på Titan under de kommande decennierna.
Uppdragskonceptet föreslogs av ett vetenskapsteam under ledning av Elizabeth Turtle, en planetforskare från NASA: s Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL). Tillbaka i februari presenterades konceptet på ”Planetary Science Vision 2050 Workshop” - som ägde rum vid NASA: s huvudkontor i Washington, DC - och igen i slutet av mars vid den 48: e Lunar and Planetary Science Conference i The Woodlands, Texas.
Ett sådant uppdrag, som Turtle förklarade till Space Magazine via e-post, är både aktuellt och nödvändigt. Det skulle inte bara bygga på många senaste utvecklingen inom robotutforskare (t.ex. Nyfikenhet rover och den Cassini orbiter); men på Titan finns det helt enkelt ingen brist på möjligheter för vetenskaplig forskning. Som hon uttryckte det:
”Titan är en havsvärld med en unik twist, som är den rika och komplexa organiska kemi som förekommer i atmosfären och på ytan. Den här kombinationen gör Titan till ett särskilt bra mål för att studera planetenes livsmiljö. En av de stora frågorna om livets utveckling är hur kemiska interaktioner ledde till biologiska processer. Titan har gjort experiment i prebiotisk kemi i miljoner år - tidsskalor som är omöjliga att reproducera i labbet - och resultaten från dessa experiment är där för att samlas in. "
Deras förslag baseras delvis på tidigare Decadal Surveys, till exempel Campaign Strategy Working Group (CSWG) om prebiotisk kemi i det yttre solsystemet. Denna undersökning betonade att ett mobilt flygfordon (dvs ett luftskepp eller en ballong) skulle vara väl lämpat för att utforska Titan. Inte bara är Titan den enda kända kroppen annan än jorden som har en tät, kväverik atmosfär - fyra gånger så tät som jordens - men det är också tyngdkraften ungefär 1/7 av jordens.
Emellertid skulle ballonger och luftskip inte kunna studera Titans metansjöar, vilket är en av de mest spännande dragningarna 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.
Som sådant började Turtle och hennes kollegor leta efter ett förslag som representerade det bästa från båda världarna - dvs. en flygplattform och en lander. Detta var uppkomsten av Dragonfly-konceptet.
"Flera olika metoder har beaktats för platsutforskning av Titan (helikoptrar, olika typer av ballonger, flygplan)," sade Turtle. ”Dragonfly drar nytta av den senaste utvecklingen inom multirotorflygplan för att ge flygmobilitet för en lander med en sofistikerad nyttolast. Eftersom Dragonfly skulle kunna resa långa sträckor - några tiotals kilometer i taget och upp till några hundra kilometer under uppdraget - skulle det vara möjligt att göra mätningar på flera platser med mycket olika geologiska historier. ”
Uppdraget är också i linje med koncept som Turtle och hennes kollegor - som inkluderar Ralph Lorenz (också från JHUAPL), Melissa Trainer på Goddard Space Flight Center och Jason Barnes från University of Idaho - har utforskat i flera år. Tidigare föreslog de ett uppdragskoncept som skulle kombinera en ballong i Montgolfière-stil med en Pathfinder-liknande lander. Medan ballongen skulle utforska Titan från en låg höjd skulle landaren utforska ytan på nära håll.
Vid den 48: e Lunar and Planetetary Science-konferensen hade de officiellt avslöjat sitt ”Dragonfly” -koncept, som krävde en qaudcopter för att utföra både flyg- och ytstudier. Detta fyra-rotorfordon, hävdades, skulle kunna dra fördel av Titans tjocka atmosfär och låga tyngdkraft för att få prov och bestämma ytkompositioner i flera geologiska miljöer.
I sin senaste iteration innehåller Dragonfly åtta rotorer (två placerade vid vart och ett av sina fyra hörn) för att uppnå och upprätthålla flygning. Mycket som Nyfikenhet och kommande Mars 2020 Rovers, Dragonfly skulle drivas av en multimission radioisotop termoelektrisk generator (MMRTG). Detta system använder värmen som genereras genom att ruttna plutonium-238 för att generera elektricitet och kan hålla ett robotuppdrag igång i flera år.
Denna design, säger Turtle, skulle erbjuda forskare den ideala plattformen för att studera Titans miljö:
”Dragonfly skulle kunna mäta sammansättningsdetaljer för olika ytmaterial, vilket skulle visa hur långt organisk kemi har kommit i olika miljöer. Dessa mätningar kan också avslöja kemiska signaturer av vattenbaserat liv (som på jorden) eller till och med kolväte-baserat liv, om någon av dessa fanns närvarande på Titan. Dragonfly skulle också studera Titans atmosfär, yta och underytan för att förstå den aktuella geologiska aktiviteten, hur material transporteras och möjligheten att utbyta organiskt material mellan ytan och det inre vattenhavet. "
Detta koncept innehåller många senaste tekniska framsteg, som inkluderar modern styrelektronik och framsteg i kommersiell obemannad luftfartygsdesign (UAV). På toppen av det skulle sländan undanröja kemiskt drivna retrorlock och kunde driva upp mellan flygningar, vilket ger den en potentiellt mycket längre livslängd.
"Och nu är den perfekta tiden", säger Turtle, "eftersom vi kan bygga vidare på det vi har lärt oss från Cassini-Huygens-uppdraget att ta nästa steg i Titan-utforskningen."
För närvarande utvecklar NASAs Jet Propulsion Laboratory ett liknande koncept. Känd som Mars Helicopter "Scout", för användning på Mars, förväntas denna antenn drönas ombord Mars 2020 uppdrag. I det här fallet kräver designen två koaxiella motvridande rotorer, vilket skulle ge det bästa tryck-till-vikt-förhållandet i Mars tunna atmosfär.
Denna typ av VTOL-plattform kan bli grundpelaren under de kommande årtiondena, varhelst långsiktiga uppdrag som involverar organ som har atmosfär krävs. Mellan Mars och Titan kunde sådana luftdroner hoppa från ett område till det nästa, få prover för analys på plats och kombinera ytstudier med atmosfäriska avläsningar i olika höjder för att få en mer fullständig bild av planeten.
