20 grudnia 2017 r. amerykańska Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) zdecydowała o dalszym kierunku swojego programu o nazwie New Frontiers. Thomas Tsurbuchen, szef Dyrekcji Naukowej NASA, opowiedział o planach agencji kosmicznej na konferencji prasowej. Według niego kolejna automatyczna stacja kosmiczna w ramach programu New Frontiers trafi albo na Tytana (satelitę Saturna), albo na kometę Czuriumow-Gierasimienko. Do którego z tych dwóch obiektów kosmicznych trafi automatyczna stacja kosmiczna, stanie się znana dopiero w 2019 roku.
W przypadku, gdy specjaliści NASA zdecydują się na kometę, agencja wyśle do niej statek kosmiczny, który będzie musiał pobrać próbki z jej powierzchni, a następnie wysłać je na Ziemię. Ten finalistyczny projekt nazywa się CAESAR. Głównym celem tej misji jest zebranie związków organicznych, aby zrozumieć, w jaki sposób komety mogą przyczynić się do powstania życia na naszej planecie. Warto zauważyć, że sonda Philae, dostarczona na jej powierzchnię przez europejską stację Rosetta, wylądowała już na komecie Czuriumow-Gierasimienko. Sonda zdołała jednak przesłać tylko telemetrię na Ziemię, po czym połączenie z urządzeniem zostało utracone. Pod koniec września 2016 roku stacja Rosetta została spuszczona z orbity i wysłana do zderzenia z kometą.
W przypadku, gdy wybór NASA zostanie dokonany na korzyść Tytana, na jego powierzchnię zostanie wysłany statek kosmiczny Dragonfly, który został już nazwany helikopterem nuklearnym, ale na zewnątrz będzie wyglądał bardziej jak quadrocopter. Dragonfly będzie musiała zeskanować powierzchnię Tytana, aby określić, z czego jest zrobiona i jak jest ułożona. Również kosmiczny helikopter będzie musiał odpowiedzieć na pytanie: jakie są warunki atmosferyczne na tym satelicie Saturna. Specjaliści z amerykańskiej agencji kosmicznej uważają, że na Tytanie mogą istnieć pozaziemskie formy życia.
Tytan w naturalnych kolorach (zdjęcie „Cassini”)
Finalistami konkursu na najlepszy projekt misji kosmicznej w ramach programu eksploracji układu słonecznego New Frontiers były dwa zespoły rozwojowe, w konkursie wzięło udział łącznie 12 kandydatów. Oba projekty brzmiące powyżej otrzymają około 4 milionów dolarów rocznie na opracowanie szczegółów i koncepcji. Muszą sfinalizować swoje programy do lipca 2019 r., po przeanalizowaniu wszystkich możliwych zagrożeń związanych z ich misjami, a następnie przedstawią ostateczną propozycję. Projekt zwycięzcy zostanie uruchomiony pod koniec 2025 roku. Opracowanie każdej z misji będzie wymagało około 850 mln dolarów, projekt zwycięzcy otrzyma tę kwotę od NASA, a agencja pokryje również wszystkie koszty wystrzelenia zwycięskiego statku kosmicznego w kosmos – kolejne 150 mln dolarów.
Jak zauważają eksperci, ogłoszona „cena” jest około dwukrotnie wyższa od kosztów „lekkich” misji kosmicznych w ramach innego programu – Discovery, a także 2-4 razy mniej niż budżet „flagowych” stacji robotycznych i przestrzeni kosmicznej NASA teleskopy. Zapowiadany budżet pozwala na umieszczenie na sondach dość dużego i rozbudowanego zestawu instrumentów, a także długożyciowych radioizotopowych źródeł zasilania, jednak pod względem swoich możliwości i żywotności sondy te nadal będą ustępować takim flagowcom jak Cassini, Galileo czy Podróżnicy.
Warto dodać, że w ramach programu New Frontiers amerykańska agencja kosmiczna zrealizowała już trzy udane misje. Sonda Juno bada orbitę Jowisza, sonda New Horizons zmierza obecnie w kierunku Plutona, a OSIRIS-REx leci na asteroidę, aby pobrać próbki z jej powierzchni. Według Thomasa Zurbuchena, agencja nie podjęła jeszcze decyzji, które pojazdy nośne zostaną użyte do uruchomienia danej misji. Jednocześnie wyraził przekonanie, że do czasu rozpoczęcia prac nad stworzeniem wymaganych stacji i sond ciężka rakieta SLS, a także prywatne kosmiczne „ciężkie ciężarówki” będą gotowe do uruchomienia nowej generacji międzyplanetarnych sond amerykańskich..
Helikopter nuklearny na Tytanie – misja DragonFly
„Tytan to wyjątkowe ciało niebieskie z gęstą atmosferą, jeziorami i prawdziwymi morzami węglowodorów, cyklem substancji i trudnym klimatem. Spodziewamy się kontynuować sprawę Cassini i Huygensa, aby zrozumieć, czy na powierzchni Tytana znajdują się wszystkie „cegiełki życia” i czy może na nim istnieć życie. W przeciwieństwie do innych modułów lądowania, nasza „ważka” będzie mogła latać z miejsca na miejsce, pokonując setki kilometrów” – powiedziała szefowa misji DragonFly Elizabeth Turtle.
Porównanie rozmiarów Ziemi, Tytana (na dole po lewej) i Księżyca
Tytan jest największym księżycem Saturna i drugim co do wielkości księżycem w całym Układzie Słonecznym (ustępuje tylko księżycowi Jowisza Ganimedesowi). Ponadto Tytan jest jedynym ciałem w Układzie Słonecznym, z wyjątkiem Ziemi, dla której udowodniono stabilne istnienie cieczy na jej powierzchni, a także jedynym satelitą planety o gęstej atmosferze. Wszystko to sprawia, że Tytan jest bardzo atrakcyjnym obiektem do różnych badań naukowych i studiów.
Średnica tego satelity Saturna wynosi 5152 kilometry, czyli jest o 50% większa niż średnica Księżyca, podczas gdy Tytan jest o 80% większy niż masa satelity naszej planety. Ponadto Tytan jest większy niż planeta Merkury. Siła grawitacji na Tytanie wynosi około jednej siódmej grawitacji Ziemi. Powierzchnia satelity składa się głównie z lodu wodnego i osadowej materii organicznej. Ciśnienie na powierzchni Tytana jest około 1,5 raza wyższe niż ciśnienie na powierzchni Ziemi, temperatura powietrza przy powierzchni wynosi -170.. -180 stopni Celsjusza. Pomimo dość niskiej temperatury satelita ten jest porównywany z Ziemią we wczesnych stadiach swojego rozwoju. Dlatego naukowcy nie wykluczają istnienia najprostszych form życia na Tytanie, w szczególności w istniejących podziemnych zbiornikach, w których warunki mogą być znacznie wygodniejsze niż na jego powierzchni.
Dragonfly, pomysł naukowców z Johns Hopkins University, będzie wszechstronnym lądownikiem wyposażonym w wiele śmigieł, które umożliwią mu pionowe startowanie i lądowanie. W przyszłości pozwoli to niezwykłemu helikopterowi na eksplorację powierzchni i atmosfery Tytana. „Jednym z naszych głównych celów jest prowadzenie badań nad rzekami i jeziorami metanu. Chcemy zrozumieć, co dzieje się w ich głębi”- powiedziała główna przywódczyni misji Dragonfly, Elizabeth Turtle. „Ogólnie rzecz biorąc, naszym głównym zadaniem jest rzucenie światła na tajemnicze środowisko satelity Saturna, bogate w chemię organiczną i prebiotyczną. W końcu Tytan jest dziś rodzajem laboratorium planetarnego, w którym można by badać reakcje chemiczne podobne do tych, które mogły spowodować powstanie życia na Ziemi.”
Taki projekt, jeśli wygra konkurs w 2019 roku, będzie bardzo nietypowy i nowy nawet dla NASA. Dzięki swoim dwóm cechom urządzenie Dragonfly będzie mogło przemieszczać się z miejsca na miejsce. Pierwszym z nich jest obecność elektrowni jądrowej, która zapewni jej energię na bardzo długi czas. Drugi to zestaw kilku potężnych silników śmigłowych, które mogą unieść ciężki pojazd eksploracyjny w gęste powietrze Tytana. Wszystko to sprawia, że Dragonfly jest nieco podobny do helikopterów czy quadkopterów, z jedynym wyjątkiem, że kosmiczny helikopter nuklearny będzie zaprojektowany do działania w znacznie trudniejszych warunkach niż na Ziemi.
Helikopter jądrowy Dragonfly na powierzchni Tytana, ilustracja NASA
Eksperci zauważają, że dron ten będzie w pełni zasilany energią wytwarzaną przez radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG). Dość gęsta i gęsta atmosfera Tytana sprawia, że wszelkie technologie przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną stają się nieefektywne, dlatego energia jądrowa stanie się podstawowym źródłem energii dla misji. Podobny generator jest zainstalowany w łaziku Curiosity. W nocy taki generator będzie w stanie w pełni naładować akumulatory drona, co pozwoli samolotowi wykonać jeden lub kilka lotów w ciągu dnia, o łącznym czasie trwania do godziny.
Wiadomo, że zestaw narzędzi Dragonfly ma zawierać: spektrometry gamma, które będą w stanie badać skład warstwy podpowierzchniowej Tytana (urządzenie to pomoże naukowcom znaleźć dowody na obecność ciekłego oceanu pod powierzchnią satelity); spektrometry masowe do analizy składu izotopowego pierwiastków lekkich (takich jak azot, węgiel, siarka i inne); czujniki geofizyczne i meteorologiczne, które będą mierzyć ciśnienie atmosferyczne, temperaturę, prędkość wiatru, aktywność sejsmiczną; będzie miał też aparaty do robienia zdjęć. Mobilność „helikoptera jądrowego” pozwoli mu szybko zebrać różne próbki i wykonać niezbędne pomiary.
W ciągu zaledwie godziny lotu to urządzenie będzie w stanie pokonać dystans od 10 do 20 kilometrów. Oznacza to, że w ciągu zaledwie jednego lotu dron DragonFly będzie w stanie pokonać większą odległość niż amerykański łazik Curiosity podczas 4 lat pobytu na czerwonej planecie. A podczas całej swojej dwuletniej misji „helikopter jądrowy” będzie mógł zbadać dość imponujący obszar powierzchni księżyca Saturna. Dzięki obecności na pokładzie potężnej elektrowni dane z urządzenia, według Turtle'a, będą przesyłane bezpośrednio na Ziemię.
Jeśli projekt wygra konkurs i uzyska ostateczną akceptację w ramach Programu Eksploracji Układu Słonecznego New Frontiers, misja wystartuje w połowie 2025 roku. Jednocześnie DragonFly dotrze na Tytana dopiero w 2034 roku, gdzie przy sprzyjającym rozwoju wydarzeń będzie pracował na swojej powierzchni przez kilka lat.
W drodze do komety „sowieckiej” – misja CAESAR
Drugą misją, która obecnie odnosi zwycięstwo w konkursie New Frontiers, może być sonda CAESAR – pierwszy statek kosmiczny NASA, który pobiera próbki substancji lotnych i organicznych z powierzchni komety, a następnie wraca na Ziemię. „Komety można nazwać najważniejszymi, ale jednocześnie najmniej zbadanymi obiektami Układu Słonecznego. Komety zawierają te substancje, z których Ziemia została „uformowana”, a także były głównymi dostawcami materii organicznej dla naszej planety. Co odróżnia komety od innych znanych ciał Układu Słonecznego? Wnętrze komet nadal zawiera substancje lotne, które były obecne w Układzie Słonecznym w momencie jego narodzin”- powiedział Steve Squires, szef misji CAESAR.
Zdjęcie komety Czuriumow-Gierasimienko wykonane 19 września 2014 roku aparatem Rosetta
Według szefa działu planetarnego NASA Jima Greena misja ta zostanie wysłana na bardzo dobrze zbadaną kometę, w pobliżu której odwiedziła już inna sonda, mówimy o europejskiej misji o nazwie Rosetta. Kometa o indeksie 67P nazywana jest „sowiecką”, ponieważ została odkryta przez sowieckich astronomów. Jest to kometa krótkookresowa z okresem orbitalnym około 6 lat i 7 miesięcy. Kometa Churyumov-Gerasimenko została odkryta w ZSRR 23 października 1969 roku. Został odkryty przez radzieckiego astronoma Klima Churyumova w Kijowie na kliszach fotograficznych innej komety - 32P / Komas Sola, które wykonała Svetlana Gerasimenko we wrześniu tego samego roku w Obserwatorium Ałma-Ata (pierwsze zdjęcie, na którym nowa kometa widoczny był wykonany 11 września 1969)). Indeks 67P oznacza, że jest to 67. krótkookresowa kometa otwarta.
Stwierdzono, że kometa Czuriumow-Gierasimienko ma strukturę porowatą, 75-78% jej objętości jest puste. Po oświetlonej stronie komety temperatury wahają się od -183 do -143 stopni Celsjusza. Na komecie nie ma stałego pola magnetycznego. Według najnowszych szacunków jego masa to 10 miliardów ton (błąd pomiaru szacowany jest na 10%), okres obrotu to 12 godzin 24 minuty. W 2014 roku za pomocą aparatu Rosetta naukowcy byli w stanie znaleźć na komecie cząsteczki 16 związków organicznych, z których cztery – aceton, propanal, izocyjanian metylu i acetamid – nie zostały wcześniej znalezione na komecie.
Zdaniem przedstawicieli amerykańskiej agencji kosmicznej, wybór misji CAESAR, która zostanie wysłana na dobrze zbadaną kometę, pozwoli upiec trzy ptaki jednym kamieniem - to czyni misję bezpieczniejszą, tańszą, a także przyspiesza jej start. Według Squiresa, pewną rolę odegra również zainstalowanie kapsuły do zbierania i zwracania gleby z komety na Ziemię. Kapsuła ta została wcześniej stworzona przez japońską agencję kosmiczną dla sondy Hayabusa. „Wybór tej kapsuły tłumaczy się tym, że misja CAESAR wymagała kapsuły, która przez cały lot, aż do zetknięcia się z powierzchnią ziemi, nadal będzie utrzymywała substancje lotne z komety w postaci zamrożonej. Kapsuła do sondy Hayabusa posiada osłonę termiczną, która zapobiega jej nagrzewaniu się do kilkuset stopni Celsjusza, co mogłoby się zdarzyć przy wykorzystaniu naszych technologii” – zauważył amerykański naukowiec.
Możliwy widok sondy CAESAR, ilustracja NASA
Zgodnie z planami NASA sonda CAESAR ma być wyposażona w silnik jonowy. Stosunkowo szybko dotrze do powierzchni komety Czuriumow-Gierasimienko. Próbki jego materii, jak ma nadzieję Steve Squires, mogą znaleźć się na Ziemi w 2038 roku.
