مأموریت دراگون‌فلای؛ تلاش برای کاوش تیتان، بزرگ‌ترین قمر سیاره زحل

ناسا در جدیدترین پروژه خود با نام «دراگون‌فلای» قصد دارد یکی از قمرهای سیاره زحل با نام تیتان را مورد مطالعه قرار دهد. این قمر به‌دلیل شباهت بسیار زیادی که به زمین دارد، مورد‌توجه بسیاری از دانشمندان است. در این مقاله قصد داریم با مأموریت دراگون‌فلای بیشتر آشنا شویم.

برنامه مرزهای جدید ناسا

در اوایل دهه ۲۰۰۰، ناسا برنامه «New Frontiers» یا «مرزهای جدید» را با هدف افزایش اکتشافات منظومه شمسی اجرا کرد. تیم‌های علمی داخلی و بین‌المللی اهداف اکتشافی خاص خود را در این برنامه مطرح می‌کنند. این تیم‌ها اغلب مؤسسه‌های تحقیقاتی یا دانشگاه مرتبط هستند که پروژه را نظارت می‌کنند و عمدتاً از دانشمندان و مهندسان زمینه‌های مختلف رشته‌های علمی تشکیل شده‌اند. تیم‌ها باید پروژه‌هایی را طراحی کنند که هزینه‌های بالای اکتشافات فضایی را در مقایسه با نتایج ارزشمند حاصل از پروژه، متعادل نمایند.

برنامه مرزهای جدید براساس رویکرد نوآورانه‌ای ساخته شده است. این پروژه‌ها را نمی‌توان در دسته مأموریت‌های علمی استراتژیک بزرگ و پرچم‌دار قرار داد، اما با توجه به محدودیت‌های بودجه و زمان، پروژه‌های ارزشمندی هستند که دانش ما را از منظومه شمسی افزایش می‌دهند.

درحال‌حاضر سه مأموریت از این سری درحال انجام و یک مأموریت درحال آماده‌سازی و توسعه ملزومات است. مأموریت «New Horizons» در سال ۲۰۰۶ با هدف مطالعه پلوتون به فضا رفت. مأموریت بعدی «جونو»‌ نام دارد که در سال ۲۰۱۱ پرتاب و در سال ۲۰۱۶ وارد مدار مشتری شد. درنهایت به مأموریت «OSIRIS-REx» می‌رسیم که در سال ۲۰۱۶ به‌سمت سیارک «Bennu»‌ رفت تا آن را با دقت در سال‌های ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۱ مطالعه کند و درنهایت در سال ۲۰۲۳ نمونه‌هایی از آن را به زمین بفرستد.

مأموریت دراگون‌فلای

دراگون‌فلای چهارمین برنده برنامه مرزهای جدید ناسا است که در سال ۲۰۲۵ اجرایی می‌شود. ناسا در تیرماه ۱۳۹۸ اعلام کرد پروژه‌ای با نام «دراگون‌فلای» با شکست ۱۱ تیم دیگر، برنده مسابقه «مرزهای جدید» شده است. بدین‌ترتیب، آژانس فضایی ناسا این مأموریت را تا سقف ۸۵۰ میلیون دلار حمایت خواهد کرد.

در این مأموریت، دراگون‌فلای - که به‌معنای «سنجاقک» است - در سال ۲۰۲۵ این فرصت را خواهد داشت که موشکی را از زمین به تیتان، بزرگ‌ترین قمر سیاره زحل، پرتاب کند. این هواگرد (aircraft) که به‌دلیل شکل ظاهری‌اش به این نام شناخته شده، تقریباً به‌اندازه یک ماشین کوچک است که چهار بازو دارد و هر بازو دو روتور هلیکوپتر را حمل می‌کند. درحقیقت این یک هواپیمای بدون سرنشین است که به‌طور خاص برای نمونه‌برداری از جو و سطح تیتان طراحی شده. این هواگرد مجهز به هشت روتور با هدف توانایی پرواز از یک ناحیه به ناحیه دیگر در سیارات است و می‌تواند با سرعت ۱۰ کیلومتر بر ثانیه پرواز کند.

این کوادکوپتر با هدف نمونه‌برداری از پوسته یخی و ماسه‌های هیدروکربنی طراحی شده است. این دستگاه مجهز به یک مخزن خلأ است که می‌تواند نمونه‌هایی از سطح را جمع‌آوری کند. این مخزن مجهز به مته‌ای است که می‌تواند ترکیب شیمیایی دقیق نمونه‌های جمع‌آوری‌شده را شناسایی کند. بدین‌ترتیب دراگون‌فلای می‌تواند به سؤالات بی‌پاسخ دانشمندان درباره ساختار شیمیایی سطح تیتان پاسخ دهد.

علاوه بر جمع‌آوری نمونه، دراگون‌فلای می‌تواند شرایط جوی و آب‌وهوای تیتان را نیز مطالعه کند و داده‌های موردنیاز را جمع‌آوری نماید. تصاویری از مناظر مختلف این قمر نیز ثبت خواهد شد. محققان در راستای تجهیز بیشتر موفق شده‌اند یک لرزه‌سنج داخلی را برای ثبت هرگونه فعالیت زمین‌لرزه‌ای در تیتان، روی دراگون‌فلای نصب کنند.

تیم تحقیقاتی دراگون‌فلای

رهبر تیم تحقیقاتی دراگون‌فلای، «جیسون بارنز»، استاد دانشگاه «آیداهو» است که به‌عنوان محقق اصلی تیم فعالیت می‌کند. این تیم که تحت نظر آزمایشگاه فیزیک کاربردی «جانز هاپکینز» است، شامل ۳۵ محقق از کشورهای مختلف می‌شود.

تیم تحقیقاتی دراگون‌فلای یک سال گذشته را صرف تکمیل طرح‌های خود، برنامه‌ریزی برای تحقیقات و انجام آزمایشات لازم کرده است. اعضای تیم برخی از اجزای دراگون‌فلای را در دمای سطح تیتان مورد آزمایش قرار دادند. آن‌ها همچنین مدل مقیاس‌شده از این هواگرد را که توسط دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا ساخته شده است، مورد آزمایش قرار دادند.

مقصد دنیای اقیانوس‌هاست!

در سال ۲۰۰۴، فضاپیمای «کاسینی» حین مطالعه سیاره زحل، برای اولین‌بار نگاه دقیقی به تیتان انداخت. کاسینی همچنین کاوشگر «هویگنس» را به سطح این قمر فرستاد تا به مدت ۷۲ دقیقه اطلاعاتی جمع‌آوری کند. به‌نظر می‌رسد این قمر دارای باران، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاهای متعدد است که از متان و اتان پر شده‌اند. مشاهدات کاسینی همچنین نشان می‌دهد که لایه‌ای از یخ سطح تیتان را پوشانده است که در زیر آن دنیایی از اقیانوس‌ها وجود دارد.

در استوا تپه‌های شنی غول‌پیکر روی یخ‌ها قرار دارند. تپه‌های شنی به‌جای اینکه از ماسه ساخته شده باشند، احتمالاً انبوهی از ترکیبات آلی پیچیده به نام هیدروکربن هستند. هیدروکربن‌های پیچیده احتمالاً زمانی تشکیل می‌شوند که نور خورشید سبب تفکیک متان اتمسفر این قمر می‌شود و مولکول‌های حاصل از این تفکیک در فرایندهای شیمیایی دیگر باهم ترکیب شده و ساختارهای جدیدی به‌وجود می‌‌آورند که برخی از آن‌ها را می‌توان در سطح یافت.

دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند ترکیب و ساختار دقیق مواد روی سطح را تشخیص دهند. مکنزی در‌این‌باره می‌گوید:‌ «اگر از من بپرسند دقیقاً در سطح تیتان چیست، نمی‌توانم پاسخی بدهم. جوی که از ورود نور خورشید ممانعت می‌کند (احتمالاً در اثر تفکیکی که در جو رخ می‌دهد)، باعث تولید مواد آلی مختلفی می‌شود.»

قمر سیاره زحل، تیتان

تیتان، بزرگ‌ترین قمر سیاره زحل، به‌دلیل داشتن اتمسفر و سطح جامد در گروه سیارات زمین و مریخ جای می‌گیرد. درحقیقت تیتان، زمین و مریخ تنها مکان‌هایی در منظومه شمسی با این ویژگی‌ها هستند. در مقایسه با زهره و مریخ، ویژگی‌های جوی تیتان به زمین بسیار شبیه است. اتمسفر متراکم و جاذبه کم این قمر - گرانش تیتان یک هفتم گرانش زمین است - پرواز در فاصله کم از سطح را نسبت به زمین آسان‌تر می‌کند. جو تیتان چهار‌برابر جو زمین چگالی دارد.

در فاصله زحل از خورشید، نور خورشیدی که به آن و قمرهایش می‌رسد، حدود یک درصد نوری از خورشید است که به زمین می‌رسد. از آنجا که تیتان جو مه‌آلودی دارد، دانشمندان برای کنترل ربات روی سطح آن دچار چالش هستند. مه تیتان بیشتر نور را پراکنده می‌کند و به همین دلیل دراگون‌فلای نمی‌تواند به انرژی خورشیدی متکی باشد. در روز این کوادکوپتر از خورشید انرژی می‌گیرد و در شب از انرژی هسته‌ای استفاده می‌کند؛ همانند روشی که برای تأمین انرژی مریخ‌نوردهای «استقامت» و «کنجکاوی» به‌کار برده شده است.

احتمال داده می‌شود طی واکنش‌های شیمیایی خاصی که هنوز مشخص نیست، آب مایع با هیدروکربن‌های سطح ترکیب شود و معجونی شبیه به سوپ ایجاد کند که می‌تواند منجر به تشکیل حیات در تیتان شود. با مطالعه شیمی تیتان، محققان احتمالاً بتوانند به سؤالاتی در مورد چگونگی شکل‌گیری بلوک‌های سازنده حیات پاسخ دهند.

هدف دراگون‌فلای: مطالعه حیات!

همان‌طور که می‌دانید برای تشکیل حیات به سه مؤلفه اصلی نیاز است: یک منبع انرژی مانند خورشید، یک حلال مایع مانند آب و مواد آلی - طیف گسترده‌ای از ترکیبات مبتنی بر کربن که پروتیٔین‌ها را همان‌طور که می‌شناسیم، برای حیات می‌سازند. اما این یک دستورالعمل مبهم است، مثل اینکه بگویید این وعده غذایی را با اجاق گاز، آب و یک قابلمه بپزید!

پیش از پیدایش حیات بر زمین، جو زمین بسیار متفاوت بوده است. تقریباً اکسیژن و متان بسیار بیشتری وجود داشت. مواد شیمیایی آلی در نور خورشید مستقیماً به سطح زمین می‌رسیدند. اما دقیقاً نمی‌دانیم این موارد چطور منجر به تشکیل حیات بر سطح زمین شدند تا امروز من و شما روی این مسیٔله متمرکز شویم. ما نمی‌توانیم به گذشته سفر کنیم و ببینیم دقیقاً چه اتفاقی افتاده است، اما خوشبختانه مکان‌هایی با شرایط سابق زمین وجود دارد که تیتان یکی از آن‌هاست.

یکی از اهداف مهم این مأموریت این است که بفهمیم چه چیزی سبب شده حیات در سیاره ما شکل بگیرد و زمین تبدیل به یک محیط قابل‌زیست شود. به عبارت دیگر، چه نوع فرایندهای شیمیایی منجر به تولد و توسعه حیات در زمین شده است. تیتان مملو از فرایندهای شمیایی و ساختارهای ناشناخته است که مطالعه هر کدام اطلاعات ارزشمندی در‌این‌باره در اختیار ما قرار می‌دهد.

مأموریت اولیه دراگون‌فلای بیش از دو سال طول خواهد کشید. با‌این‌حال، کوادکوپتر مرکزی می‌تواند برای مدت طولانی‌تری به اکتشافات خود ادامه دهد.

در جستجوی هدف

فرود بر سطح سیارات همیشه چالش‌های بزرگی برای مهندسان در اکتشافات فضایی بوده است. مانند یک فرودگر مریخ، دراگون‌فلای پس از آنکه به‌همراه سپر حرارتی خود در اتمسفر تیتان حرکت کرد - تا از سوختن آن جلوگیری شود - به کمک چتر نجات سرعت خود را برای فرود کاهش می‌دهد. در ادامه دراگون‌فلای چترها را رها می‌کند و سپس به‌آرامی روی سطح فرود می‌آید.

مهندسان این تیم اعلام کرده‌اند زمانی که دراگون‌فلای وارد منطقه فرود شود، دوربین‌ها و تجهیزات داخلی می‌توانند محل فرود ایمن را جستجو و شناسایی کنند.

طبق‌ برنامه‌ریزی‌ها، دراگون فلای ابتدا نزدیک خط استوای تیتان در «شانگری لا» فرود می‌آید و پس از مدتی از دهانه برخوردی «Selk»‌ بازدید می‌کند؛ جایی که انرژی حاصل از برخورد ممکن است یک دریاچه موقت آب مایع ایجاد کرده باشد.

علاوه‌بر‌این، معمولا فرودگرها و کاوشگرهای سیاره‌ای فقط می‌توانند یک منطقه کوچک از سیاره را بازدید و کاوش کنند. اما گرانش کم و جو متراکم تیتان به دراگون‌فلای این اجازه را می‌دهد که جابه‌جا شود.

کوادکوپتر مرکزی دراگون‌فلای پیش از جابه‌جایی به مناطق دیگر، از هر ناحیه ممکن به‌صورت کامل نمونه‌برداری و عکس‌برداری می‌کند. هر یک روز در تیتان معادل با دو هفته در زمین است. این کوادکوپتر احتمالاً یک بار در هر روز تیتان موقعیت خود را تغییر دهد.