Umělecká předběžná představa o vzhledu dronu Dragonfly na Saturnově měsíci Titanu (zdroj NASA/JHU-APL).

Nedávno došlo k upřesnění plánů přípravy i samotného letu sondy Dragonfly, která by měla dlouhodobě studovat Saturnův měsíc Titán. Jde zatím o jediný další konkrétní projekt využití radionuklidového zdroje MMRTG schválený k realizaci. Tyto jaderné generátory energie využívají zatím pouze marsovská vozidla Curiosity a Perseverance. Právě radionuklidový generátor umožní dlouhodobé studium atmosféry jednoho z nejzajímavějších objektů ve Sluneční soustavě.

Saturnův měsíc Titan

Titan je největší ze systému měsíců Saturna, jejichž počet přesahuje číslo osmdesát, a druhý největší měsíc ve Sluneční soustavě. Ještě větším je největší měsíc Jupitera Ganymédes. Je o něco větší, než je nejmenší planeta Sluneční soustavy Merkur. Z měsíců má jednu z nejhustších atmosfér. Je nejen velmi hustá, ale i neprůhledná. To je důvod, proč se o povrchu Titanu i struktuře a složení atmosféry vědělo před přímým zkoumáním jen velmi málo. První blízké snímky měsíce pořídila při průletu sonda Pioneer 11 v roce 1979, další pak přidaly sondy Voyager 1 a 2 při průletech systémem planety Saturn v letech 1980 a 1981. Podrobný průzkum pak realizovala sonda Cassini-Huygens. Sonda americké organizace NASA Cassini se stala oběžnicí Saturnu a realizovala několik blízkých průletů okolo Titanu. Přistávací pouzdro evropské organizace ESA Huygens pak 14. ledna 2005 přistálo na povrchu tohoto měsíce. Primárně bylo určeno pro průzkum atmosféry Titanu během průletu, ale pořídilo i velké množství zajímavých dat, včetně fotografií, po přistání na jeho povrchu. Pouzdro totiž vysílalo ještě hodinu po něm. V místě přistání se nevyskytovala kapalina, předpokládá se však, že by mohlo být periodicky zaplavováno.

Snímek Titanu pořízený sondou Cassini (zdroj NASA).

Atmosféra Titanu má tloušťku mezi 600 až 800 km. Jeho hlavní složkou je molekulární dusík, který tvoří 95 až 98 %. Dále obsahuje metan, který tvoří 1,5 až 5 %. Složení se mění s výškou. Vlivem slunečního záření mohou z metanu vznikat organické látky, jako je etan, propan, ethyn, propyn, butadiin a další. Vznikají i polycyklické aromatické uhlovodíky, které dávají měsíci charakteristické oranžové zabarvení. V atmosféře se vyskytuje i celá řada dalších příměsí, jako jsou oxidy uhličitý a uhelnatý, kyanovodík, kyanoacetylén, argon a helium. Hustá atmosféra a její pestré složení způsobuje, že je neprůhledná pro většinu vlnových délek. Povrch měsíce tak bylo možné studovat až právě přistávacím modulem Huygens. Teplota u povrchu je zhruba -180°C (94 K) a tlak 147 kPa (1,45 atm). Tedy zhruba o 50 % větší, než je atmosférický tlak na Zemi.

Hustá atmosféra vede k pestrému a složitému vývoji počasí. Relativně pomalá rotace, Titan má jako náš Měsíc rotaci vázanou s oběžnou dobou, která je téměř 16 pozemských dní, vede k tomu, že atmosféra rotuje rychleji než povrch planety. Hlavně ve vysokých vrstvách atmosféry vanou velmi rychlé větry. Ve stratosféře se tak zjišťují rychlosti až okolo 700 km/h. Ve vyšších vrstvách troposféry je to pouze okolo 100 km/h. U povrchu se však vlivem husté atmosféry rychlost větru snižuje na jednotky až desítku kilometrů za hodinu.

Série snímků pořízených při přistávání modulu Huygens (zdroj NASA/ESA).

Vývoj počasí je v daném místě na Titanu dán také „ročním“ obdobím určeným oběhem Saturnu kolem Slunce a podnebným pásmem. Je silně ovlivněn dramaticky větší vzdáleností Saturnu od Slunce. Titan tak dostává jen 1 % jeho svitu oproti Zemi. Kvůli velmi husté atmosféře, se navíc 90 % slunečního světla pohltí a na povrch se tak dostane jen 0,1 % svitu na povrchu Země. Saturn ovlivňuje vývoj počasí na Titanu díky silné gravitaci i intenzivnímu magnetickému poli. Je to i kvůli relativně malé vzdálenosti Titanu od Saturnu.

Snímek z povrchu Titanu pořízený přistávacím modulem Huygens (zdroj ESA).

Na tomto měsíci existuje i koloběh tekutin v atmosféře a na povrchu. Jsou tak zde oblaka, déšť, řeky, jezera i moře. Kvůli velmi nízkým teplotám však nejde o vodu, ale o metan, etan a další uhlovodíky. Sonda Cassini při svých průletech okolo Titanu, a hlavně pouzdro Huygens, sice dokázaly získat řadu informací o jeho atmosféře, povrchu a vývoji počasí na něm, ale naše znalosti o extrémně zajímavém tělese jsou i tak zatím velmi omezené. Atraktivní je i možnost výskytu velmi složitých organických molekul, a dokonce i možnost vzniku jisté formy organického života. Do jisté míry připomíná atmosféra Titanu raná stádia vývoje atmosféry na Zemi.

Dragonfly - mise do atmosféry Titanu

Právě to je důvod, proč se již delší dobu uvažuje o sondách, které by se na studium atmosféry a povrchu Titanu zaměřovaly. Existuje však řada problémů, na které se při jejich přípravě naráží. Sondy nemohou kvůli velké vzdálenosti od Slunce i vysoké absorpční schopnosti atmosféry využít sluneční panely. Je tak třeba využívat radionuklidové zdroje. Aparatura musí být schopna pracovat v atmosféře Titanu a vypořádat se i s výskytem jezer uhlovodíků.

Objevily se tak projekty balónů, které by se vznášely v atmosféře Titanu, modulů, které by pracovaly na hladině vodních ploch nebo dokonce pod nimi. Některé měly mít vlastní pohon, nebo by se čistě vznášely v atmosféře nebo plachtily po hladině jezera. Žádný z projektů však nezískal schválení pro realizaci.

Začátek mise dronu Dragonfly na Titanu (zdroj NASA).

Situace se změnila dne 27. června 2019, kdy se se stal vítězem výběru projektu v rámci programu New Frontiers stal návrh robotické létající sondy pro průzkum Saturnova měsíce Titanu pojmenované jako Dragonfly (Vážka). Zvítězil tak nad projektem sondy CAESAR, která by zkoumala kometu 67P/Čurjumov-Gerasimenko. Půjde tak o čtvrtou misi tohoto programu. Tři mise už se realizovaly. Sonda New Horizons zkoumala Pluto a jeho měsíc Charón i tělesa za Plutem. Sonda Juno intenzivně zkoumá systém planety Jupiter. Sonda OSIRIS-REx zkoumala planetku Benno a nyní letí se vzorky jeho hornin k Zemi.

Čtvrtou misí by pak měla být právě Dragonfly. Tento stroj se bude mezi jednotlivými místy, které bude zkoumat, přesouvat letem s pomocí vrtulí. Na rozdíl od marsovské helikoptéry Ingenuity, která má jen dvě protiběžné vrtule, bude mít Dragonfly vrtulí rovnou osm, jejich průměr bude okolo jednoho metru. Budou seskupeny do čtyř dvojic protiběžných vrtulí. Létající zařízení tak bude více připomínat velké pozemské drony. Půjde o první vícevrtulový vědecký přístroj na jiném vesmírném tělese. Rychlost letu bude okolo 36 km/h a výška až 4 km.

Dron využije toho, že hustota atmosféry je na Titanu čtyřikrát vyšší, než je tomu na Zemi. Přitažlivost je naopak nižší, než je na zemském povrchu. Z hlediska létání jde o excelentní prostředí. Zařízení se tak může relativně snadno přemisťovat z místa na místo. Jeho životnost a základní mise by měly trvat nejméně okolo tří let. Bude tak možné prozkoumat rozsáhlou oblast a velmi rozmanité geologické struktury na Titanu. Vědecké přístroje budou zaměřeny na studium povrchu i atmosféry, specifické bude zaměření na analýzu chemických procesů, které zde probíhají. Hlavně pak na vznik organických látek a možných prebiotických procesů.

Složené obrázky Titanu získané během třináctileté mise sondy Cassini v infračervené oblasti, která umožnila proniknout do nitra atmosféry měsíce (zdroj NASA).

Sonda Cassini dokázala v infračervené oblasti a pomocí radaru prozkoumat povrch Titanu i proměny jeho oblačnosti. Naše znalosti jsou tak dostatečné k tomu, abychom vybrali vhodnou dobu i místo pro přistání. Jako první lokalita se předpokládá místo Shangri-La, které je pokryto dunami. V jeho okolí je řada odlišných terénů, které lze studovat. Předpokládá se, že by Dragonfly mohla realizovat až osmikilometrové přelety. Konečným cílem základní fáze činnosti dronu by měl být impaktní kráter Selk, ve kterém by se měly vyskytovat uhlovodíky v kapalném stavu. V této základní misi by měl Dragonfly urazit okolo 175 km. To je vzdálenost, která významně přesahuje celkovou vzdálenost, kterou zatím urazila všechna marsovská vozidla dohromady. Je to dáno tím, že let je přece jen rychlejší forma přesunu.

Hmotnost dronu by měla být okolo 450 kg a před přistáním bude umístěn uvnitř tepelného štítu o průměru necelé čtyři metry. Elektrickou energii i potřebné teplo v extrémně chladném prostředí zajistí sestava složena z lithiových baterií a radionuklidového zdroje MMRTG. V průběhu noci na Titanu se budou baterie dobíjet z radionuklidového zdroje a přes den se naakumulovaná energie bude využívat pro let. Radionuklidový generátor zajistí energii i pro napájení vědeckých přístrojů. Během nočního klidu bude Dragonfly realizovat odběr vzorků a jejich analýzy, seismická i meteorologická měření. Zařízení bude komunikovat přímo se Zemí úzce směrovanou anténou.

Vzhledem k velké vzdálenosti a celkovým podmínkám bude muset Dragonfly pracovat velmi autonomně a musí tak do velké míry využívat umělou inteligenci. Využití potřebných postupů se nyní v praxi testuje u vozítka Perseverance na Marsu. Zajištění dostatku elektřiny a efektivní výpočetního zázemí je i z tohoto důvodů klíčové.

Detailnější představa o vzhledu Dragonfly v uměleckém zobrazení (NASA).

Jeho základními přístroji jsou hmotový spektrometr pro identifikaci chemických molekul. Zaměří se hlavně na ty organické, které jsou relevantní pro biologické procesy. Spektrometry záření gama a neutronů, které budou spolupracovat s pulsním generátorem neutronů založeném na fúzi deuteria a tritia. Tato sestava se bude zaměřovat na studium složení povrchu pod a okolo dronu. Dalším vědeckým nákladem bude výběr meteorologických přístrojů a seismometr. Velmi důležitá bude i sestava mikroskopických a panoramatických kamer pro zobrazení okolí a identifikaci zajímavých vědeckých cílů. Doplní je ještě další přístroje, které umožní charakterizovat atmosféru i povrch Titanu.

Původní datum startu mise bylo stanoveno na rok 2026 s dobou příletu v roce 2034. Na podzim roku 2020 byl start i z důvodu epidemie COVID-19 posunut na rok 2027. Předpokládá se využití gravitačního praku při průletu okolo Venuše a tři průletů okolo Země. Půjde o první sondu letící do vnějších oblastí Sluneční soustavy, která nevyužije průlet okolo Jupitera. Přesný rozvrh letu a tím i doba příletu k Saturnu je ještě dost otevřená a může se měnit. O tom svědčí i to, že se objevují informace o tom, že i při zpoždění startu by se sonda k Saturnu mohla dostat už na přelomu let 2033 a 2034. Zatím není ani přesně stanovena, která raketa sondu vynese na její dráhu. Základní mise sondy je plánovaná na tři roky, ovšem životnost radionuklidového zdroje je násobně vyšší. Je tak velká šance, že Dragonfly, stejně jako to vidíme u Curiosity, významně překročí předpokládanou základní dobu práce na svém cílovém tělese. I to je obrovská výhoda využití radionuklidového zdroje.

Vědci a technici NASA teď před sebou mají obrovskou porci práce. Musí připravit a otestovat jednotlivé části dronu i jeho vědeckého vybavení. S využitím stávajících zásob plutonia 238 musí také připravit další radionuklidový zdroj MMRTG. Pro jeden takový generátor současné zásoby plutonia stačí. Podrobněji je situace se zásobami plutonia 238 a konstrukcí i fungováním radionuklidových zdrojů popsána v dřívějších článcích (zde, zde). Pokud se jim podaří Dragonfly připravit a úspěšně na Titan dopravit, půjde o kvalitativní zlom ve výzkumu takto vzdálených těles pomocí robotických létajících zařízení. Můžeme se tak těšit na velmi zajímavé informace, které mohou být klíčové pro pochopení vzniku života ve vesmíru.