Dragonfly è un veicolo spaziale di tipo drone che verrà inviato sulla superficie di Titano, la più grande luna di Saturno, per studiare la chimica prebiotica e la possibilità di esistenza di vita extraterrestre in ambienti diversi da quelli della Terra. Il veicolo sarà in grado di visitare diverse zone della superficie grazie alla possibilità di spostarsi in volo.
Titano è l'unico corpo celeste del sistema solare, oltre alla Terra, ad avere una chimica complessa, ricca di carbonio e idrocarburi sulla superficie e con un oceano di acque interne, che lo rende un obiettivo prioritario per l'astrobiologia. La missione è stata proposta nell'aprile 2017 all'interno del programma New Frontiers della NASA dal Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, ed è stata selezionata come uno dei due finalisti (su dodici proposte) a dicembre 2017 per perfezionare ulteriormente il concetto della missione. Il 27 giugno 2019, Dragonfly è stata selezionata per diventare la quarta missione nel programma New Frontiers.
Panoramica Dragonfly è una missione di astrobiologia per Titano per valutare la sua abitabilità planetaria e studiarne la chimica prebiotica. La sonda Dragonfly eseguirà voli controllati con decollo e atterraggio verticale, alimentata da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), i pannelli solari sarebbero infatti inservibili, a causa della distanza dal Sole e dall'opacità dell'atmosfera di Titano. La missione consentirà di campionare diverse regioni e contesti geologici.
Titano è un obiettivo ambizioso per lo studio dell'astrobiologia, sia perché la sua superficie contiene un'abbondante chimica complessa ricca di carbonio e acqua allo stato liquido, sia perché gli idrocarburi liquidi possono formarsi sulla sua superficie, formando probabilmente una zuppa primordiale prebiotica.Dragonfly: Exploring Titan's Surface with a New Frontiers Relocatable Lander. American Astronomical Society, DPS meeting #49, id.219.02. October 2017.
Storia
La concezione iniziale della missione Dragonfly ha avuto luogo durante una conversazione a cena tra gli scienziati Jason W. Barnes (Dipartimento di Fisica, Università dell'Idaho) e Ralph D. Lorenz (Laboratorio di Fisica Applicata dell'Università Johns Hopkins) e ci sono voluti 15 mesi per renderla una proposta di missione dettagliata. La Principal Investigator è Elizabeth Turtle, una scienziata planetaria presso il laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University.NASA Selects Johns Hopkins APL-Led Mission to Titan for Further Development . Johns Hopkins Applied Physics Laboratory - Press release. 21 December 2017.
La missione Dragonfly si basa su diversi studi precedenti sull'esplorazione aerea di Titano, incluso lo studio Titan Explorer Flagship del 2007Titan Explorer - Flagship Study (PDF). NASA and APL. January 2008., che proponeva un pallone aerostatico per l'esplorazione regionale e l'AVIATR, una specie di aeroplano proposto per il programma Discovery. Il concetto di un lander con un rotore che volava a batteria, ricaricato durante la notte di Titano di 8 giorni da una fonte di energia nucleare, è stato proposto da Lorenz nel 2000.Post-Cassini Exploration of Titan: Science Rationale and Mission Concepts PDF). R. Lorenz, Journal of the British Interplanetary Society, 2000, Vol. 53, pages 218-234. Una discussione più recente ha incluso uno studio di esplorazione su rotore, condotto da Larry Matthies nel 2014 presso il Jet Propulsion Laboratory, che avrebbe utilizzato un piccolo velivolo simile a un drone rilasciato da un lander o una mongolfiera.NIAC Phase 1 Final Study Report on Titan Aerial Daughtercraft. (PDF) Larry Matthies. NASA/JPL. 2014.
Sfruttando sistemi e tecnologie già collaudati di velivoli a rotore, Dragonfly utilizzerà un veicolo multi-rotore per spostarsi con i suoi strumenti in più posizioni per effettuare misurazioni della composizione della superficie, delle condizioni atmosferiche e dei processi geologici.Langelaan J. W. et al. (2017) Proc. Aerospace Conf. IEEE
Dragonfly e CAESAR sono stati i due progetti finalisti per la missione numero 4 del programma New Frontiers, ed entrambi hanno ricevuto un finanziamento di 4 milioni di dollari ciascuna per rivedere e programmare i dettagli della spedizione.e il 27 giugno 2019, la NASA ha selezionato Dragonfly per lo sviluppo; verrà lanciata nel 2026 per arrivare nel 2034. La NASA ha annunciato la selezione di Dragonfly il 27 giugno 2019, per costruire e lanciare nel 2026. Dragonfly sarà la quarta missione di New Frontiers, una serie di investigazioni sulle scienze planetarie guidate dai ricercatori, che rientrano in un limite massimo di sviluppo di circa 850 milioni di dollari e, inclusi i servizi di lancio, il costo totale sarà di circa un miliardo.
Nel novembre 2023, a causa delle incertezze sui finanziamenti governativi, la NASA ha deciso di posticipare il lancio di un anno, dal 2027 al 2028. Il 25 novembre 2024, la NASA ha annunciato l'assegnazione del servizio di lancio per la missione Dragonfly. La sonda verrà lanciato tramite un Falcon Heavy di SpaceX in una finestra di lancio prevista nel luglio 2028.
Obiettivi scientifici
Titano rappresenta per gli studiosi di astrobiologia un analogo della Terra nella sua fase primordiale e può fornire indizi su come la vita possa essersi generata. Nel 2005, il lander Huygens dell'Agenzia spaziale europea ha effettuato alcune misurazioni nell'atmosfera e sulla superficie di Titano rilevando la tolinaSarah Hörst "What in the world(s) are tholins?", Planetary Society, July 23, 2015. Retrieved 30 Nov 2016., un mix di vari tipi di idrocarburi (composti organici).New Images from the Huygens Probe: Shorelines and Channels, But an Apparently Dry Surface , Emily Lakdawalla, January 15, 2005, verified March 28, 2005 Poiché l'atmosfera di Titano oscura la superficie a molte lunghezze d'onda, le composizioni specifiche di materiali solidi di idrocarburi sulla superficie di Titano rimangono essenzialmente sconosciute.Dragonfly Proposed to NASA as Daring New Frontiers Mission to Titan. Matt Williams, Universe Today. 25 August 2017. Misurare le composizioni di materiali in diverse impostazioni geologiche rivelerà fino a che punto la chimica prebiotica è progredita in ambienti che forniscono ingredienti chiave per la vita, come le pirimidine (basi utilizzate per codificare le informazioni nel DNA) e gli amminoacidi, i blocchi costitutivi delle proteine.
Le aree di particolare interesse sono i siti in cui l'acqua liquida extraterrestre, presente grazie a eventi di impatto o flussi criovulcanici, ha interagito con i composti organici abbondanti. Dragonfly ha la capacità di esplorare diversi luoghi per caratterizzare l'abitabilità dell'ambiente di Titano, indagare fino a che punto la chimica prebiotica è progredita, e cercare marcatori biologici indicativi di vita basata sull'acqua come solventi o addirittura biochimiche ipotetiche.
L'atmosfera contiene abbondante azoto e metano e forti evidenze indicano che il metano liquido esiste sulla superficie. Ci sono prove che indicano anche la presenza di acqua liquida e ammoniaca sotto la superficie, che può essere rilasciata in superficie dall'attività criovulcanica.Robert Zubrin, The Case for Mars: The Plan to Settle the Red Planet and Why We Must, p. 146, Simon & Schuster/Touchstone, 1996,
Design e costruzione
Dragonfly sarà un lander a rotore, molto simile a un grande quadricottero con doppi rotori, per un totale di otto eliche. La configurazione ridondante dei rotori permetterà il prosieguo della missione (in volo) nel caso di danni agli stessi, garantendolo come minimo se ci sarà la perdita di un'elica o di un motore. Ciascuno degli otto rotori avrà un diametro di circa un metro. Il velivolo potrà viaggiare a circa e potrà volare fino a di quota.
Il volo aereo su Titano è aerodinamicamente più favorevole rispetto alla Terra, poiché la gravità è più bassa, i venti sono deboli e la sua atmosfera densa consente una efficiente propulsione del rotore. La fonte di energia a radioisotopi è stata usata precedentemente con successo in molti veicoli spaziali, e l'ampio uso di droni sulla Terra consente di avere a disposizione una tecnologia ben collaudata, integrata da algoritmi che consentono di poter effettuare correzioni in tempo reale nell'ambiente in cui verrà utilizzato. Il velivolo sarà progettato per funzionare in condizioni estreme, sotto l'effetto della radiazione cosmica e con temperature medie di .
Su Titano la densità atmosferica (circa 4 volte quella sulla Terra a livello del mare) e la bassa gravità (il 13,8% di quella sulla Terra) ci dicono che la potenza necessaria per far volare una determinata massa è di un fattore circa 40 volte inferiore a quella necessaria sulla Terra, quindi sarà più facile volare, sebbene dovremo affrontare la sfida delle temperature molto fredde, la luce più debole e la maggior resistenza aerodinamica sul corpo del velivolo.Montgolfiere Aerobots for Titan (PDF). Jack A. Jones and Jiunn Jenq Wu. NASA's Jet Propulsion Laboratory. Tra i fattori negativi c'è anche l'attrito atmosferico maggiore che comporta un dispendio di energia maggiore per muoversi parallelamente alla superficie. L'aeromobile può comunque percorrere distanze significative grazie all'alimentazione a batterie che verranno ricaricate da un generatore termoelettrico radioisotopico multimissione (MMRTG) durante la notte.Post-Cassini Exploration of Titan: Science Rationale and Mission Concepts (PDF). R. Lorenz, Journal of the British Interplanetary Society, 2000, Vol. 53, pages 218-234. Gli MMRTG convertono il calore dal decadimento naturale di un radioisotopo in elettricità. Il velivolo sarà in grado di percorrere decine di chilometri per ogni carica della batteria e rimanere in volo per qualche ora.Dragonfly: Exploring Titan's Prebiotic Organic Chemistry and Habitability (PDF). E. P. Turtle, J. W. Barnes, M. G. Trainer, R. D. Lorenz, S. M. MacKenzie, K. E. Hibbard, D. Adams, P. Bedini, J. W. Langelaan, K. Zacny, and the Dragonfly Team. Lunar and Planetary Science Conference 2017. Il veicolo utilizzerà i sensori per esplorare nuovi obiettivi scientifici, tornando al sito originale fino a quando i nuovi luoghi di atterraggio non saranno verificati come sicuri dal controllo missione.
Il progetto preliminare prevede per il quadricottero una massa di , che durante la fase di atterraggio su Titano sarà imballato in uno scudo termico di 3,7 metri di diametro. Sarà inoltre dotato di due trapani per il campionamento della superficie, uno su ciascun carrello di atterraggio.
Il velivolo rimarrà a terra durante le notti di Titano, che dureranno circa 8 giorni terrestri o 192 ore.Dragonfly: A Rotorcraft Lander Concept for Scientific Exploration at Titan (PDF). Ralph D. Lorenz, Elizabeth P. Turtle, Jason W. Barnes, Melissa G. Trainer, Douglas S. Adams, Kenneth E. Hibbard, Colin Z. Sheldon, Kris Zacny, Patrick N. Peplowski, David J. Lawrence, Michael A. Ravine, Timothy G. McGee, Kristin S. Sotzen, Shannon M. MacKenzie, Jack W. Langelaan, Sven Schmitz, Larry S. Wolfarth, and Peter D. Bedini. Johns Hopkins APL Technical Digest, 34(3), 374-387. Le attività durante la notte possono includere la raccolta e l'analisi dei campioni, gli studi sismologici, il monitoraggio meteorologico e l'imaging microscopico locale utilizzando illuminatori a LED come quelli presenti sul lander Phoenix e sul rover Curiosity. Le comunicazioni con la Terra saranno dirette con un'antenna ad alto guadagno.
Il centro di eccellenza di Penn State Vertical Lift Research è responsabile per la progettazione e l'analisi del rotore, lo sviluppo del sistema di controllo del volo a rotore, i test in ambienti simulati, il supporto per il test a terra e la valutazione delle prestazioni di volo.Aerospace engineers developing drone for NASA concept mission to Titan. Chris Spallino, PhysOrg. 10 January 2018.
Carico scientifico