Met zijn dichte en koolwaterstofrijke atmosfeer is Titan al tientallen jaren een onderwerp van interesse. En met het succes van de Cassini-Huygens missie, die in 2004 Saturnus en zijn systeem van manen begon te verkennen, liggen er veel voorstellen op tafel voor vervolgmissies die het oppervlak van Titan en de methaanzeeën dieper zouden verkennen.
De uitdagingen die dit met zich meebrengt, hebben tot vrij nieuwe ideeën geleid, variërend van ballonnen en landers tot zwevende drones en onderzeeërs. Maar het is het voorstel voor een 'Dragonfly'-drone door onderzoekers van NASA's JHUAPL dat bijzonder avontuurlijk lijkt. Deze achtbladige drone zou in staat zijn om verticaal op te stijgen en te landen (VTOL), waardoor hij de komende decennia zowel de atmosfeer als het oppervlak van Titan kan verkennen.
Het missieconcept werd voorgesteld door een wetenschappelijk team onder leiding van Elizabeth Turtle, een planetaire wetenschapper van het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL) van de NASA. In februari werd het concept gepresenteerd tijdens de 'Planetary Science Vision 2050 Workshop' - die plaatsvond op het hoofdkantoor van NASA in Washington, DC - en opnieuw eind maart op de 48e conferentie over maan- en planeetwetenschappen in The Woodlands, Texas.
Een dergelijke missie, zoals Turtle via e-mail aan Space Magazine uitlegde, is zowel actueel als noodzakelijk. Het zou niet alleen voortbouwen op veel recente ontwikkelingen in robotverkenners (zoals de Curiosity rover en de Cassini orbiter); maar op Titan is er geen gebrek aan mogelijkheden voor wetenschappelijk onderzoek. Zoals ze het uitdrukte:
"Titan is een oceaanwereld met een unieke twist, namelijk de rijke en complexe organische chemie die in de atmosfeer en op het oppervlak voorkomt. Deze combinatie maakt Titan een bijzonder goed doelwit voor het bestuderen van planetaire bewoonbaarheid. Een van de grote vragen over de ontwikkeling van het leven is hoe chemische interacties tot biologische processen hebben geleid. Titan doet al miljoenen jaren experimenten in de prebiotische chemie - tijdschalen die in het laboratorium onmogelijk te reproduceren zijn - en de resultaten van deze experimenten moeten worden verzameld. "
Hun voorstel is gedeeltelijk gebaseerd op eerdere Decadal Surveys, zoals de Campaign Strategy Working Group (CSWG) on Prebiotic Chemistry in the Outer Solar System. Deze enquête benadrukte dat een mobiel vliegtuig (dat wil zeggen een luchtschip of een ballon) zeer geschikt is om Titan te verkennen. Titan is niet alleen het enige bekende lichaam anders dan de aarde met een dichte, stikstofrijke atmosfeer - vier keer zo dicht als die van de aarde - maar de zwaartekracht is ook ongeveer 1/7 van die van de aarde.
Ballonnen en luchtschepen zouden echter niet in staat zijn de methaanmeren van Titan te bestuderen, wat een van de meest opwindende trekpleisters is voor zover het onderzoek naar prebiotische chemie betreft. Bovendien zou een luchtvoertuig geen in-situ chemische analyse van het oppervlak kunnen uitvoeren, net zoals de Mars Exploration Rovers (Geest, kans en Nieuwsgierigheid) hebben gedaan op Mars.
Als zodanig gingen Turtle en haar collega's op zoek naar een voorstel dat het beste van twee werelden vertegenwoordigde - namelijk een hoogwerker en een lander. Dit was het ontstaan van het Dragonfly-concept.
"Er zijn verschillende methoden overwogen voor in-situ verkenning vanuit de lucht van Titan (helikopters, verschillende soorten ballonnen, vliegtuigen)", zegt Turtle. “Dragonfly profiteert van de recente ontwikkelingen in vliegtuigen met meerdere rotoren om luchtmobiliteit te bieden aan een lander met een geavanceerd laadvermogen. Omdat Dragonfly lange afstanden zou kunnen afleggen - enkele tientallen kilometers per keer en tot een paar honderd kilometer tijdens de missie - zou het mogelijk zijn om metingen uit te voeren op meerdere locaties met zeer verschillende geologische geschiedenissen. ”
De missie past ook in de concepten die Turtle en haar collega's - waaronder Ralph Lorenz (ook van JHUAPL), Melissa Trainer van het Goddard Space Flight Center en Jason Barnes van de Universiteit van Idaho - al jaren onderzoeken. In het verleden stelden ze een missieconcept voor dat een ballon in Montgolfière-stijl zou combineren met een Pathfinder-achtige lander. Terwijl de ballon Titan vanaf een lage hoogte zou verkennen, verkende de lander het oppervlak van dichtbij.
Op de 48e conferentie over maan- en planeetwetenschappen hadden ze officieel hun 'Dragonfly'-concept onthuld, waarin werd opgeroepen tot een qaudcopter om zowel lucht- als oppervlaktestudies uit te voeren. Dit voertuig met vier rotoren zou kunnen profiteren van de dikke atmosfeer en de lage zwaartekracht van Titan om monsters te verkrijgen en oppervlaktesamenstellingen te bepalen in meerdere geologische omgevingen.
In zijn nieuwste versie bevat de Dragonfly acht rotors (twee geplaatst op elk van de vier hoeken) om de vlucht te bereiken en te behouden. Net als de Nieuwsgierigheid en aanstaande Mars 2020 rovers, zou de Dragonfly worden aangedreven door een Multimission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG). Dit systeem gebruikt de warmte die wordt gegenereerd door rottend plutonium-238 om elektriciteit op te wekken en kan een robotmissie jarenlang volhouden.
Dit ontwerp, zegt Turtle, zou wetenschappers het ideale in-situ platform bieden om de omgeving van Titan te bestuderen:
“Dragonfly zou compositorische details van verschillende oppervlaktematerialen kunnen meten, wat zou laten zien hoe ver de organische chemie is gevorderd in verschillende omgevingen. Deze metingen kunnen ook chemische handtekeningen onthullen van leven op waterbasis (zoals dat op aarde) of zelfs leven op basis van koolwaterstoffen, als er een aanwezig was op Titan. Dragonfly zou ook de atmosfeer, het oppervlak en de ondergrond van Titan bestuderen om de huidige geologische activiteit, hoe materialen worden getransporteerd en de mogelijkheid van uitwisseling van organisch materiaal tussen het oppervlak en de binnenwateroceaan te begrijpen. "
Dit concept omvat veel recente technologische vooruitgang, waaronder moderne besturingselektronica en vooruitgang in het ontwerpen van commerciële onbemande luchtvaartuigen (UAV). Bovendien zou de Dragonfly de chemisch aangedreven retrorockets uitschakelen en zou hij tussen vluchten kunnen opstarten, waardoor hij een mogelijk veel langere levensduur zou hebben.
"En nu is het de perfecte tijd", zegt Turtle, "omdat we kunnen voortbouwen op wat we hebben geleerd van de Cassini-Huygens-missie om de volgende stappen in Titan-verkenning te zetten."
Momenteel ontwikkelt NASA's Jet Propulsion Laboratory een soortgelijk concept. Bekend als de Mars-helikopter "Scout", voor gebruik op Mars, wordt deze luchtdrone naar verwachting gelanceerd aan boord van de Mars 2020 missie. In dit geval vereist het ontwerp twee coaxiale tegengesteld draaiende rotoren, die de beste verhouding tussen stuwkracht en gewicht zouden opleveren in de dunne atmosfeer van Mars.
Dit soort VTOL-platform kan de steunpilaar worden in de komende decennia, waar langetermijnmissies waarbij lichamen met een atmosfeer betrokken zijn, nodig zijn. Tussen Mars en Titan konden dergelijke luchtdrones van het ene gebied naar het andere springen, monsters nemen voor in-situ analyse en oppervlaktestudies combineren met atmosferische metingen op verschillende hoogten om een completer beeld van de planeet te krijgen.
