V červenci loňského roku dostala planeta Saturn první umělou družici – plný název projektu je však Cassini/Huygens. Samostatnou částí sondy je totiž atmosférické pouzdro. Úkolem pouzdra bylo sestoupit 14. ledna, tedy před několika dny, k Titanu, provést sérii měření v atmosféře a nakonec přistát na povrchu. Právě v těchto dnech už bychom měli znát výsledky experimentu i to, zda skončil úspěchem.
Historie projektu sahá do doby, kdy sonda Voyager 1 pořídila první snímky Titanovy atmosféry. Dr. D. Gautier z Meudonské observatoře a Wing Ip z Institutu Maxe Plancka v Lindau navrhli v listopadu 1982, aby ESA spolu s NASA vyslala k Titanu speciální sondu. Návrh byl zařazen jako projekt středního rozsahu M1 evropského programu Horizon 2000 a stal se součástí sondy NASA Saturn Orbiter, posléze pojmenované CASSINI.
Úspěch evropské vědy a techniky
V chvíli kdy čtete tyto řádky už by mělo být jasno, zda se projekt vydařil, byl by to určitě mimořádný evropský úspěch: Huygens byl totiž kompletně navržen, vyroben i vyzkoušen v rámci Evropské kosmické agentury ESA.
Celkové evropské náklady na dosud nejnáročnější meziplanetární výpravu dosáhly 750 mil. USD.
Konkrétní studie byly zahájeny počátkem 90. let a na podzim 1992 přešly do vývojového stadia. Výroba byla svěřena francouzské firmě Aerospatiale a pod jejím vedením se na ní podílela řada evropských firem. Významným podílem přispěl samozřejmě ústav ESTEC v Noordwijku.
Huygens má tvar disku o průměru 2,75 m a hmotnosti 352 kg; patří k němu i dalších 46 kg podpůrného vybavení trvale spojeného se sondou – tři boxy s elektronikou, systém pro oddělení pouzdra a jeho stabilizaci rotací a propojovací kabeláž.
Konstrukce sondy
Pouzdro má hliníkovou kostru a aparatura i provozní subsystémy jsou na dvou plošinách z hliníkové voštiny, zakrytých hliníkovým pláštěm. Ve směru letu bylo při balistickém sestupu chráněno aerodynamickým tepelným štítem tvaru kužele s vrcholovým úhlem 120° o hmotnosti asi 80 kg, tvořeným keramickými destičkami z francouzského materiálu AQ60 podobných vlastností, jako má štít amerického raketoplánu. Speciálním tmelem jsou připevněny na hliníkové voštině. Na opačné straně má pouzdro vrstvu silikonové pěny Prosial. Pomalý sestup a příp. přistání zajišťoval padákový systém o hmotnosti asi 15 kg se třemi různými padáky.
Systém regulace teploty zajišťuje uvnitř pouzdra téměř konstantní pokojovou teplotu bez ohledu na to, zda se sonda nachází u Venuše, kde je tok sluneční energie 3800 W/m2 nebo nad Titanem (17 W/m2). Kromě vícevrstvého mylarového obalu, ho tvoří 35 radioizotopických jednotek o tepelném výkonu po 1 W.
Energetický systém o hmotnosti 45 kg tvoří pět chemických baterií o celkové kapacitě 1600 Wh. Každá sestává ze dvou modulů se 13 články LiSO2 (7,6 Ah). Vystačí nejvýše na 3 hodiny plné činnosti, tj. při spotřebě 250 až 300 W a tvoří tak jeden z kritických subsystémů.
Dvojice vysílačů s vlastními anténními systémy pracuje v pásmu S (tj. 2 až 4 GHz) a rychlostí 8–20 kbit/s předává data na čtyřmetrovou parabolickou anténu mateřské sondy s časovým posuvem asi 4 s pro snížení objemu ztracených dat při krátkodobých výpadcích spojení. Cassini byl po celou dobu v přímém dohledu a relace skončí nejpozději poté, co pouzdro zmizí za místním horizontem.
Co nesl Huygens na palubě?
Pouzdro Huygens o hmotnosti 48 kg a obsahuje 39 senzorů pro šest sdružených experimentů. Podobně jako sonda Cassini nese rovněž CD-ROM se jmény pozemšťanů, obsahující však rovněž celé pozdravy.
Sestupová kamera a spektrální radiometr DISR představují soubor 13 čidel pro měření teploty částic v atmosféře a na povrchu, osvětlení, spektrální výzkum a získání snímků poté, co pouzdro klesne pod oblačnou pokrývku, tedy v posledních zhruba 25 km sestupu. Krátce před přistáním se rozsvítí reflektor, ozařující povrch tak, aby bylo možné pořídit záběry ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra. Zobrazování se provádí v rozsahu 660-1000 nm s velkým a středním rozlišení ve vertikálním směru a malým rozlišením v bočním směru, spektrální analýza 480-960 nm a 870-1700 nm a fotometrie 350-470 nm. Čtyři sluneční radiometry pracují v pásmu kolem 550 nm a 939 nm se dvěma rozdílnými polarizačními filtry. Na experimentu se podílejí odborníci USA, Německa a Francie.
Lapač aerosolu a pyrolytické zařízení ACP je zařízení pro sběr aerosolu a následnou pyrolýzu s cílem zachytit atmosférické částice ve dvou výškových hladinách. V troposféře na výškové úrovni 160–40 km se provede odběr samovolným nasáním, v oblačné vrstvě ve výškách 23–17 km malým čerpadlem. V obou případech se filtr přesune do malé pícky, v níž se vzorek ohřívá na teplotu 0, 250 a 600 °C a odpařuje se tak, aby mohl být analyzován v následujícím zařízení. Cílem je stanovit chemické složení fotochemických aerosolů (vodík, uhlík, dusík, kyslík), koncentraci organických kondenzátů ve stratosféře (C2, H2, C2, H, HC3N, HCN) a troposféře (zejména CH4, C2H6) a zastoupení oxidu uhličitého. Na experimentu se podílejí odborníci Francie, Rakouska, Belgie a USA.
Plynový chromatograf a hmotový spektrometr GCMS pro měření chemického složení plynů a aerosolových částic v atmosféře od výšek kolem 170 km až k povrchu. Tři chromatografické kolony postupně oddělují plyny a další složky v rozsahu atomových hmotností 2 až 146. Hmotový spektrometr slouží jako detektor pro chromatograf, neseparované vzorky atmosféry a vzorky z pyrolýzy. Na experimentu se podílejí odborníci USA, Rakouska a Francie.
Zařízení pro výzkum atmosféry HASI obsahující čidla pro měření fyzikálních a elektrických vlastností atmosféry Titanu: hustoty atmosféry, větrného proudění příp. po přistání na hladině mohutnosti vln, teploty a tlaku. Tvoří ho membránové tlakoměry s rozsahem do 2 kPa, kontaktní teploměry s přesností 0,2 K v rozsahu 50–300 K, speciální hustoměr, tříosý akcelerometr pro stanovení změn zrychlení v rozsahu miliontin až setin G, radarový výškoměr, mikrofon pro registraci akustických signálů (např. hromu) do 90 dB, šest elektrod na dvou výsuvných tyčích pro měření permitivity a elektrických vlastností atd. Na experimentu se podílejí odborníci Itálie, Rakouska, Finska, Německa, Francie, Nizozemí, Norska, Španělska, USA a V. Británie.
Speciální anemometr pro měření rychlosti větru DWE pro zjištění atmosférického proudění a turbulencí v rozmezí 2–200 m/s. Využívá dvou ultrastabilních rubidiových oscilátorů (jeden v pouzdru, druhý na mateřské sondě), zajišťujících přesnou nosnou frekvenci rádiových signálů a umožňujících měřit dopplerův posuv nosného signálu mezi Cassini a Huygensem, způsobený atmosférickým driftem pouzdra. Na experimentu se podílejí odborníci Francie, Německa, Itálie a USA.
Soubor pro povrchový výzkum SSP je komplex, od něhož se očekává získání informací o fyzikálních vlastnostech a složení povrchu Titanu a některé údaje o atmosféře během sestupu. Z měření rychlosti zvuku akustickým detektorem bude možné odvodit složení a teplotu atmosféry, výšku i případný pohyb povrchu (vlny). Další akustický detektor (sonar) je určen pro měření hloubky případného moře až do 500 m. Akcelerometr umožní ze změny zrychlení stanovit přistávací rychlost, kapacitní snímače hustotu (do 700 kg/m3), dielektrickou konstantu a elektrický odpor kapaliny, sklonoměr kývavé pohyby do 60° během sestupu i po přistání (vlny na hladině), optická čidla změří index lomu v rozsahu 1,25 až 1,45, kontaktní čidla tepelné vlastnosti. Na experimentu se podílejí odborníci Británie, Itálie, Nizozemí a USA.Pokud všechno bude fungovat podle plánu, očekává se získání nejméně 175 MB nových informací.
Čekání na den D
Při meziplanetárním letu bylo pouzdro propojeno konektory se sondou Cassini a všechny jeho vlastní systémy s výjimkou samostatného „budíku“ (ten není zdvojen, nýbrž ztrojen!) fungují až po oddělení.
Stav přístrojů a systémů pouzdra Huygens byl během dlouhého letu kontrolován přibližně každých šest měsíců. Předposlední, v pořadí 15. zkouška, zahrnující i úspěšný test časovacího systému se uskutečnila na oběžné dráze v polovině září. 25.12. 2004. kolem 2 h UT se mateřská sonda postarala o pouzdro naposledy. Huygens se kvůli stabilizaci roztočil rychlostí 7 ot/min, poté se od ní pomocí výbušných nýtů a tří pružin oddělil relativní rychlostí 0,3 m/s a zahájil 22 denní samostatnou cestu k Titanu.
Dnem „D“ byl 14. leden 2005. Protože energie baterií je omezená, byl Huygens probuzen až čtvrt hodiny před tím, než kolem 9 h UT vstoupila rychlostí 6,1 km/s do Titanovy atmosféry asi 1000 km nad povrchem.
Kroky do neznáma
Aerodynamické brždění proběhlo ve výškách od 350 do 200 km a přetížení při něm nemělo přesáhnout 10 až 25 G. Maximálnímu tepelnému namáhání byl žáruvzdorný štít vystaven ve výšce asi 270 km, kdy se rozžhavil na 12 až 15 tisíc stupňů.
Během 150 sekund klesla rychlost na 400 m/sec, při níž se ve výšce pod 180 km vymrštil stabilizační padák o průměru 2,6 metru. Po dalším poklesu výšky o 20 kilometrů došlo k uvolnění hlavního padáku o průměru 8,3 metru, který pak snížil vertikální rychlost na 80 m/sec. Zároveň se ve výšce kolem 160 km odstřelil ochranný štít, vysunula se měřicí čidla a začne nejdůležitější fáze výzkumu.
Zhruba po čtvrt hodině byl hlavní brzdný padák odhozen, protože by sestup k povrchu neúnosně zpomalil. Vhodnou rychlost snášení zajistil sestupový padák o průměru 3 metrů. Na něm se Huygens snesl z výšky asi 120 km, prostředím o teplotě kolem –130°C a přitom měl vysílat naměřená data na přelétající sondu Cassini. Nejistota, zda pouzdro vydrží dopad vedla k tomu, že povrchová aktivita není primárním cílem výzkumu. Ovšem pokud pouzdro před několika dny dosedlo na pevninu rychlostí pod 25 km/h, nemělo by se poškodit. A pokud dopadlo do kapaliny, je konstruováno tak, aby v ní mohlo plavat.
Přistávací elipsa zahrnuje rozhraní světlé a tmavé oblasti povrchu, jak nám jej zobrazil Hubbleův teleskop.
Tři hodiny slávy
Sedm let pouzdro spalo, jen každých půl roku rušeno kontrolou technického stavu, aby se na závěr svého aktivní života během tří hodin činnosti pokusilo revolučním způsobem změnit naše znalosti o sluneční soustavě a vzniku života.
Klíčovými otázkami, na které má Huygens najít odpověď, jsou:
– Jak vypadá povrch Titanu a je alespoň jeho část v kapalném stavu, jak tomu nasvědčují infračervená pozorování HST?
– Je nitro tohoto tělesa ještě žhavé?
– Proč má Titan jako jediný měsíc v celé sluneční soustavě hustou atmosféru?
– V jakém složení a množství jsou na povrchu organické sloučeniny a mohl z nich v chladném prostředí začít vznikat život? Už v těchto dnech bychom měli znát odpovědi na některé otázky, zodpovězení dalších si určitě vyžádá podrobné analýzy odborníků.
www.saturntoday.com
http://saturn.jpl.nasa.gov
www.esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens
http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=12
http://esapub.esrin.esa.it/bulletin/bullet92/b92hassa.htm
http://www.lib.cas.cz/knav/space.40
