Ein Helikopter fliegt nach Titan. Könnte ein Flugzeug das nächste sein?

Wie sind die Kohlenwasserstoffmeere auf Titan wirklich? Während die bevorstehende Helikoptermission Dragonfly zum dunstigen und kalten Saturnmond bis 2034 eintreffen sollte, um die Atmosphäre von Titan zu erkunden, besteht weiterhin Bedarf an einer Mission, die die mysteriösen Meere und Seen des Mondes untersuchen könnte, die mit flüssigen Kohlenwasserstoffen gefüllt sind.

Aber wie wäre es mit einem Flugzeug, das sowohl die Meere als auch den Himmel von Titan untersuchen könnte?

Ein neues Missionskonzept, das vom NASA-Programm Innovative Advanced Concepts (NIAC) finanziert wurde, heißt „TitanAir“ und umfasst ein Flugboot, das als Laker bekannt ist. Der Laker wäre mit zahlreichen Instrumenten ausgestattet, um sowohl Luft als auch Flüssigkeit zu schlürfen und zu schmecken, während er schwebte und segelte und nahtlos zwischen dem Navigieren durch Titans Atmosphäre und dem Gleiten über seine Seen überging, ähnlich wie ein Wasserflugzeug auf der Erde.

TitanAir ist eine von 14 verschiedenen visionären Ideen, die die Phase-I-Finanzierung von NIAC in Höhe von 175.000 US-Dollar erhalten haben, die Unterstützung bietet, um potenziell bahnbrechende Konzepte auszuarbeiten, die zukünftige Missionen verändern könnten.

TitanAir ist die Idee von Quinn Morley und seiner Firma Planet Enterprises. Morley hat 15 Jahre Erfahrung bei Boeing und macht derzeit einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau. Dies ist Morleys zweite NIAC-Auszeichnung, da er 2021 ein weiteres Phase-1-Stipendium erhielt, um die Entwicklung kostengünstiger, selbstfahrender „Borebots“ mit Robotern zu untersuchen, die Tiefbohrungen auf dem Mars durchführen können. Dieses Konzept wird derzeit für einen NIAC-Zuschuss der Phase II geprüft.

„Ich vermische einen ziemlich lächerlichen Sinn für Kreativität mit einem Talent für technisches Schreiben und einem starken Hintergrund in der Luft- und Raumfahrtherstellung“, schrieb Morley auf seiner Website und fügte hinzu, dass er der erste Student ist, der zum NIAC Principal Investigator ernannt wurde.

Die Idee für TitanAir ist, dass der Laker Methankondensation und organisches Material durch einen durchlässigen Abschnitt an der Vorderkante der Flügel „trinken“ kann. Passive Kapillarmerkmale an der Innenseite des Flügels würden die Flüssigkeiten zu wissenschaftlichen Instrumenten bringen, ähnlich wie Pflanzen Wasser von ihren Wurzeln zu den Blättern ziehen oder wie die Papierhandtücher des „schnelleren Pflückers“ funktionieren. Auf diese Weise werden auch Treibstofftanks für Raketen entworfen, um in einer schwerelosen Umgebung wieder zünden zu können, da die Adern im Tank die Flüssigkeiten in die Ansaugöffnung saugen.

„Kapillareffekte im Alltag faszinieren mich seit meiner Kindheit“, schrieb Morley auf seinem LinkedIn-Account, „aber was mich wirklich beeindruckt hat, war Don Pettits Kaffeetasse auf der Internationalen Raumstation.“

Im Jahr 2008 wollte der Astronaut Don Pettit sein Morgengebräu auf der ISS in einer Kaffeetasse statt in einer Tüte genießen, also erfand er eine Tasse, die in der Mikrogravitation funktioniert, indem sie Kapillarwirkung nutzt, um den Flüssigkeitsfluss zu steuern. Der Querschnitt des Bechers sieht aus wie ein Flugzeugflügel, und der schmale Winkel leitet die Flüssigkeit nach oben.

„Irgendwie nahm ich eine Idee, die von der Weltraum-Kaffeetasse und einem unordentlichen Fleck im Kühlschrank inspiriert war, überzeugte ein Team großartiger Leute, mit mir zusammenzuarbeiten, und mischte alles in der Sommerpause zu einem erfolgreichen NIAC-Konzept“, sagte Morley. „Ich bin mir nicht sicher, wie ich dazu inspiriert wurde, Flüssigkeit durch eine durchlässige Flügelhaut einzubringen. Ich erinnere mich jedoch, dass ich eine Weile über die Idee nachgedacht habe, ohne zu wissen, was ich mit einer Flügelbullnase voller Flüssigkeit tun sollte.“

Das beeindruckende Team, das Morley zusammengestellt hat, umfasst Dr. Narasimha Boddeti, Dr. Steven Collicott, Laura Forczyk und Dr. Peter Buhler.

Titan ist neben der Erde der einzige Körper im Sonnensystem, von dem bekannt ist, dass er Oberflächenseen und -meere besitzt. Aber bei den kalten Oberflächentemperaturen von Titan – etwa -180 Grad Celsius (-292 Grad Fahrenheit) – dominieren flüssiges Methan und Ethan das Kohlenwasserstoffäquivalent des Titans zum Wasser der Erde.

TitanAir landete und startete von den Seen und konnte jeden Tag etwa eine Stunde lang in niedrigen Höhen fliegen und aufsteigen.

Wie die bevorstehende Dragonfly der NASA würde jede Flugmission zum Titan einen Schub von der Atmosphäre des Mondes erhalten, die etwa viermal so dicht ist wie die Erdatmosphäre. In Kombination mit der geringen Schwerkraft von Titan (13,8 % der Schwerkraft der Erde), sagte Morley gegenüber Universe Today, ist es etwa 27-mal einfacher für jeden Motorflug auf Titan, aber nur, wenn die Flügel des Flugzeugs sehr lang und dünn wären.

„Der Vorteil von Flugzeugen ist der ‚Höhenflug‘ – man kann also im Horizontalflug mit viel weniger Energie als auf der Erde dahingleiten“, sagte Morley per E-Mail. „Wenn Sie also langsam an Höhe gewinnen möchten, können Sie dies möglicherweise mit 20-mal weniger Leistung tun als bei einem stabilen Flug auf der Erde.“

In Bezug auf das Design des TitanAir-Flugzeugs warnte Morley, dass sich seine derzeitige Untersuchung darauf konzentriert, die Machbarkeit der Flüssigkeitsaufnahmetechnologien für ein Flugzeug auf Titan zu bestimmen.

„Das Flugzeug ist also eine Art Stellvertreter oder Strohmann“, erklärte Morley. „NIAC nennt dies den Missionskontext.“

Aber derzeit stützen Morley und sein Team die Größe des Fluggeräts auf typische Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt auf der Erde, wie beispielsweise ein kleines Cessna-Flugzeug. In ihrem Whitepaper listet das Team ihr Kontextgewicht von etwa einer Tonne mit einer Spannweite von 10 Metern (30 Fuß) auf. Die Flügel müssten aufblasbar sein, um in das Raumschiff zu passen, das TitanAir zum Saturn-System bringen würde.

„Um ehrlich zu sein, ist die Größe des Lakers im Moment nicht eingeschränkt, weil die Anforderungen, auf einem See zu schwimmen und in der Luft zu fliegen, irgendwie unvereinbar sind“, sagte Morley gegenüber Universe Today. „Wenn wir das gesamte Fahrzeug für den Laker-Fall dimensionieren würden, könnten die Flügel unerschwinglich lang sein. Die aufblasbaren Flügel sollen uns wirklich die längeren Flügel geben, die wir brauchen, um einen großen Rumpf zu tragen, und uns eine angemessene Effizienz bei langer Dauer bieten Flüge, während immer noch eine Verkleidung der zweiten Stufe eingebaut werden kann.“

Was die Instrumente anbelangt, werden Urey-artige Instrumente der nächsten Generation in Betracht gezogen, die eine integrierte Suite enthalten würden, die für die Suche nach Biomarkern entwickelt wurde, die „gut für die Analyse komplexer organischer Stoffe geeignet wären“. Insgesamt hätten die Instrumente eine Masse von weniger als 20 kg, könnten aber an verschiedenste Flugzeuggrößen angepasst werden.

Ein weiteres Instrument, das Morley und sein Team in Betracht ziehen, basiert auf Dragonflys Probenahmesystem namens DrACO (Drill for Acquisition of Complex Organics), das Material von der Oberfläche von Titan extrahieren und an ein Massenspektrometer liefern wird. Wenn ein Bohrer an den Flügelspitzen des Lakers montiert wäre, könnte er Küstenmaterial beproben.

„Der Laker könnte einen Flügel über die Küste schwingen und Probenahmen aus der Sicherheit des Sees durchführen“, schrieb Morley und fügte hinzu, dass dies eine gefährliche Aufgabe für ein Fahrzeug wie Dragonfly sein könnte, da die Gefahr besteht, dass es stecken bleibt. „Dies könnte den wissenschaftlichen Ertrag verstärken und den Zugang zu schwer zugänglichen Beweisen für den Wasserkreislauf freischalten.“

Während das Team mehrere Herausforderungen auflistet, die es zu bewältigen gilt, wie z. B. Materialien für die Flügel und den Rumpf, die der extremen Kälte von Titan standhalten und den giftigen Kohlenwasserstoffen standhalten könnten, besteht der Vorteil des TitanAir-Konzepts darin, dass es viele der Empfehlungen unterstützen könnte die Decadal Survey, um Titan zu studieren und seinen mysteriösen Methankreislauf zu verstehen. Es würde auch zum Verständnis planetarer Atmosphären beitragen, die andernfalls mehrere Missionen und Raumfahrzeuge erfordern würden, was zu geringeren Kosten führen würde.

„Es gibt nur wenige Optionen, die auf sinnvolle Weise zu all diesen Fragen beitragen können, aber wir glauben, dass dieses Konzept das Potenzial hat, die Diskussion über die Klimawissenschaft, die präbiotische Atmosphärenchemie, die Zusammensetzung von Seen und die Bewohnbarkeit des Planeten Titan zu verändern“, sagte Morley und Team schlossen in ihrem Papier.