20 år med rumsonden: Nu begynder Cassinis finale
Nu begynder Cassinis sidste rejse, næsten 20 år efter rumsonden blev opsendt fra Jorden.
Cassini rumsonde finale 20 år Saturn

Tegning af Cassini over Saturns ringe. (Illustration: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Lørdag 22. april fløj Cassini for sidste gang forbi den store måne Titan, og onsdag 26. april vil rumsonden for første gang krydse gennem Saturns ringe.

Forbiflyvningen af Titan er beregnet således, at Cassini kommer ind på en kurs, der 15. september vil forvandle den nu 2,5 ton tunge rumsonde til en lysende meteor højt oppe i Saturns atmosfære.

Det tager naturligvis ikke næsten fem måneder at flyve fra Titan til Saturn, men den lange flyvetid skyldes en nøje udtænkt rejseplan, der skal sikre det størst mulige videnskabelige udbytte.

For 22. april satte Cassini ikke kursen direkte mod Saturn. I stedet blev sonden sendt ind i en aflang bane, hvor risikoen for et alvorligt uheld er så stor, at det først er ved afslutningen af projektet, man tør vove forsøget.

I de kommende måneder skal Cassini nemlig ikke mindre end 22 gange krydse ringene i det smalle mellemrum mellem den inderste ring kaldet D-ringen og Saturns øvre atmosfære.

LÆS OGSÅ: Slutspil for Cassini: Rumsonde skal strejfe Saturns ringe

Cassini rumsonde finale 20 år Saturn

Cassinis sidste baner, der bringer den helt ind i det small mellemrum mellem ringene og Saturn. Indtil nu har Cassini fløjet i ’Ring Grazing Orbits’, der har bragt sonden tæt på ringenes yderkant. (Illustration: NASA/JPL-Caltech)

Ispartikler kan lave uoprettelig skade

Det er en ganske dristig manøvre, for afstanden mellem fra det øverste skylag i Saturns atmosfære og til kanten af D-ringen er ikke mere end godt 7.000 km.

Ganske vist står der i bøgerne, at dette smalle område skulle være nogenlunde frit for de små partikler af næsten ren is, som ringene består af – men vi ved det ikke.

Og selv en lille partikel på under en centimeter kan udrette umådelig skade på Cassini, da sonden passerer med en fart på typisk omkring 110.000 km i timen, eller over 30 km i sekundet.

Da Saturns ringe er meget tynde, typisk under 100 meter, tager passagen heldigvis kun en brøkdel af et sekund.

Og lidt kan man da gøre: Cassini drejes, så den fire meter store parabolantenne vender fremad – det er nemlig den del af Cassini, som, man mener, bedst kan tåle et sammenstød.

LÆS OGSÅ: Cassini kaster lys over Saturns Ringe

Sidste opgave: Målinger af Saturns atmosfære

Og antennen har en sidste opgave: Når sonden møder Saturns atmosfære 15. september, vil antennen vende bagud og være rettet mod Jorden.

Det vil sikre antennen den maksimale levetid, men der sker nok det, at luftmodstanden meget hurtigt får skubbet så meget til Cassini, at antennen ikke længere peger mod Jorden.

Cassini rumsonde finale 20 år Saturn

Nærbillede af de sidste baner. Den orange bane er den bane, der fører Cassini ind i Saturns atmosfære, hvor den vil brænde op 15. september. (Illustration: NASA / Jet Propulsion Laboratory - Caltech / Erick Sturm)

Derefter drejer det sig kun om få minutter, før Cassini brænder op. Men man kan håbe på heldet, og at vi kan nå at modtage nogle få direkte målinger af Saturns atmosfære.

Billeder bliver der ikke tale om – de tager simpelthen for lang tid at overføre. De sidste billeder vil være taget flere timer tidligere.

LÆS OGSÅ: Jorden fotograferet fra Saturn

Det skal Cassini

Naturligvis er der et formål med at krydse gennem ringplanen de 22 gange med en betydelig risiko for, at Cassini simpelthen bliver totalt ødelagt under en passage. Listen over opgaver er lang:

  • Der skal tages meget detaljerede billeder af Saturns skyer fra en afstand på kun få tusinde kilometer.
  • Der skal tages nærbilleder af ringene, så man for første gang kan få en mulighed for at måle deres samlede masse. Det kan give oplysninger til at forstå, hvordan det enorme ringsystem er opstået.
  • Præcise målinger af Saturns magnetfelt og tyngdefelt skal i hus. Man håber omsider at finde ud af, hvor hurtigt Saturn roterer. Det er meget vanskeligt at få præcise målinger af rotationen ved at følge skyer, der farer afsted i enorme stormvejr. Her er magnetfeltet en bedre guide, fordi feltet stammer fra det indre af Saturn.
  • Cassini giver mulighed for at analysere nogle ispartikler fra ringene direkte – de skal bare ikke være så store, at de ødelægger måleinstrumenterne eller hele sonden.

En nødvendig finale

NASA bliver ofte spurgt, om der ikke er andre muligheder end at lade den meget kostbare rumsonde brænde op i atmosfæren, men af to grunde det er ikke tilfældet.

For det første er Cassini ved at løbe helt tør for brændstof til styreraketterne, og når det sker, har man effektivt mistet kontrollen over rumsonden.

Da Cassini blev opsendt, vejede den 5,7 ton, og nu er vægten nede på omring 2,5 ton, fordi der siden opsendelsen er brugt over 3 ton brændstof.

Det meste brændstof blev brugt til at bremse Cassini ned, da den nærmede sig Saturn i 2004, så den gik ind i en bane om Saturn. Men siden da er banen blevet justeret flere gange for at opnå det største videnskabelige udbytte.

Heldigvis har man her kunnet spare meget på styrebrændstoffet, fordi Cassini i høj grad har anvendt tyngdekraften fra den store måne Titan til at ændre banen.

Cassini rumsonde finale 20 år Saturn enceladus

De gejsere, der strømmer op fra sprækker på ismånen Enceladus, er en af de vigtigste grunde til, at Cassini skal skaffes af vejen for ikke at komme med biologisk forurening. For gejserne viser, at der er et hav under isen, og at kemiske reaktioner mellem vand og klippe har skabt fødegrundlaget for mikroorganismer. (Illustration: NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute )

LÆS OGSÅ: Cassini fanger flotte billeder af Saturnmåner

Cassini må ikke forurene månerne

Den anden grund hænger sammen med, hvad rumsonden har opdaget om de to måner Enceladus og Titan. Den kun 500 km store ismåne Enceladus har vist sig at være meget aktiv med gejsere af vanddamp og organiske stoffer som CO2, metan, propan og acetylen. Gejserne er tegn på, at der under den isdækkede overflade er et hav, som i hvert fald indeholder de nødvendige stoffer til liv.LÆS OGSÅ: Varme kilder kan understøtte liv på Saturns måne Enceladus

Muligheden for at finde liv på Enceladus er blevet styrket af opdagelsen om, at gejserne indeholder omkring 1 procent molekylær brint.

Her på Jorden ved vi, at metanproducerende mikroorganismer netop kan leve af brint og CO2. Om der findes sådanne mikroorganismer på Enceladus, kan vi naturligvis ikke vide, men fundet af brint øger da sandsynligheden.

Derfor ønsker man ikke, at Cassini skal styrte ned på Enceladus og måske forurene den med mikroorganismer fra Jorden.

Det samme gælder for den store måne Titan, som både har en tæt atmosfære og store søer af flydende metan. Der er også fundet organiske stoffer i Titans atmosfære af især kvælstof og metan, så heller ikke denne måne vil man have forurenet ved at Cassini utilsigtet faldt ned.

Det mest sikre er derfor at bringe flyvningen til ophør ved at lade Cassini brænde op i Saturns atmosfære – hvilket også giver en enestående mulighed for direkte at måle atmosfærens sammensætning.

Cassinis 20 års rejse

Cassini vil gå over i historien som en af de store rumsonder.

Dens rejse varede 20 år fra 1997 til 2017, og siden 2004 har den kredset om Saturn i mange forskellige baner, der har ført den tæt forbi alle de store måner og flere af de mere end 50 mindre måner – og nu til sidst også tæt på ringene.

Saturn har ni klassiske måner, alle med navne fra mytologien. Mimas, Enceladus, Thetys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, Japetus og Phoebe. Hver af disse måner har deres egen historie at fortælle, og vi kan her kun nævne et par højdepunkter.

Titan var højdepunktet

Det største højdepunkt var landingen af den europæisk byggede sonde Huygens på Titan. Vi var selv til stede i kontrolcentret i Darmstadt i Tyskland, da det skete, og vi glemmer aldrig, da de første billeder fra overfladen indløb:

Et rødt, stenet landskab der næsten kunne ligne Mars, men med en stor forskel: De mange sten uden skarpe kanter og tydeligt formet af erosion fra en væske. Og med en temperatur på -180 grader kunne væsken kun være flydende metan.

Cassini rumsonde finale 20 år Saturn Titan

Huygens første billede fra overfladen af Titan. Bemærk stenenes afrundede former, der viser, at de har været udsat for erosion – sandsynligvis fra flydende metan. Himlen er orange, fordi Titan er helt dækket af et tågelag, der blandt andet består af ret komplicerede organiske stoffer, de såkaldte Tholiner. (Foto: ESA/NASA/JPL/University of Arizona)

Men der skulle gå flere år, før Cassini fandt metansøer, først ved Titans sydpol og senere både søer og mindre have ved nordpolen. Hertil kommer nogle enorme klitområder af organiske stoffer ved ækvator.

Hyperion og Japetus

Hyperion er på grund af sit udseende blevet sammenlignet med en gammeldags badesvamp. Massefylden er så lav, at Hyperion må være fuld af hulrum. Og så roterer den kaotisk om sig selv – det er simpelthen umuligt at beregne, hvornår og i hvilken retning Solen vil stå op næste gang.

Så er der Japetus, der blev opdaget i 1671 af Giovanni Cassini, der også har lagt navn til rumsonden. Cassini undrede sig meget, for han kunne kun se månen, når den var på den ene side af Saturn.

Cassini gættede selv på, at forklaringen måtte være, at Japetus var lys på den ene side og sort som kul på den anden side. Den teori er nu fuldt ud bekræftet, men der er endnu en mærkelig ting ved Japetus: En 20 km høj bjergkæde, der går næsten hele vejen rundt om Japetus ved ækvator, og i den grad får månen til at ligne en stor valnød.

Hvordan disse såkaldte Voyager bjerge er dannet, er stadig en gåde. Ser vi her resterne af en måne til Japetus, som er styrtet ned på overfladen? Men hvorfor går bjergkæden så ikke hele vejen rundt om Japetus?

Japetur måne cassini

'Ying-Yang'-månen Japetus, der er mørk på den ene side og dækket af hvid is på den anden side. Her ser vi især den mørke side, men oppe ved polen kan man se begyndelsen på den isdækkede side. Næsten hele vejen langs ækvator findes den 20 km høje Voyager-bjergkæde, der får Japetus til at ligne en valnød. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Solsystemets mest mærkelige bjerge

Og mens vi er ved bjerge: De nok mest mærkelige bjerge i solsystemet findes ved kanten af Saturns store B-ring.

 Ligesom selve ringene består bjergene, som er op til 3 km høje, af ispartikler. Det er altså ikke bjerge, som vi kender dem, men nærmest tæpper af små partikler, der hæver sig over ringene.

De ændrer hele tiden form, for de skabes af tyngdekraften fra små måner i nærheden. Men selv om der kun er tale om tynde tæpper af partikler, så kan de kaste skygge på det enorme ringsystem.

Månen Methone – glat som et påskeæg og lavet af ’candyfloss’

Man kan blive ved – den ene måne er mere fantastisk end den anden. Men i hvert fald skal også en af de små måner nævnes, nemlig den kun 3 km store Methone, der blev opdaget 2004 af Cassini.

Trods den ringe størrelse kan man roligt kalde Methone for en af solsystemets mærkeligste måner. Den ligner et fuldstændig glat påskeæg, uden tegn på kratere af nogen art. Hertil kommer en massefylde på kun 0,3 gram pr. kubikcentimeter, altså under 1/3 af vands massefylde.

Det bedste gæt, man har i dag, er, at Methone nærmest er opbygget af en slags isagtigt candyfloss, som simpelthen ikke er stiv nok til at kratere kan forblive på overfladen. Hvad der end rammer Methone bliver simpelthen bare opslugt.

Cassini rumsonde finale 20 år Methone påskeæg

Den kun 3 km store måne Methone ligner mest af alt et helt glat påskeæg – uden et eneste af de kratere, som ellers findes alle vegne. Den eneste forklaring er, at Methone, som har en meget lav massefylde, på en eller anden måde kan opsluge de meteorsten, den naturligvis også bliver ramt af, og at overfladen derefter lukker sig uden at danne kratere. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute))

Vi må observere på afstand

Der er ingen tvivl om, at det stormer på Saturn. Cassini har målt vindhastigheder på op til 1.800 km i timen. Skyerne er normalt trukket ud til brede skybælter, men der er også set store, hvide pletter i atmosfæren – den største overraskelse var dog at se en sekskantet storm omkring Saturns nordpol. Den har man stadig meget sjov med at forklare.

LÆS OGSÅ: Cassinis nærbilleder viser mystisk sekskant på Saturn

Men vi må nøjes med at observere fra afstand. For Saturn er en stor kugle af brint og Helium, og planeten har ingen fast overflade. Trykket i atmosfæren bare stiger og stiger, indtil der mange tusinde kilometer nede dannes et dybt hav af flydende brint.

Cassini rumsonde finale 20 år Saturn sekskant

Den store sekskant rundt om Saturns nordpol set gennem forskellige spektrale filtre. (Foto: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Vi må dog altid nøjes med blot at observere de allerøverste lag af denne dybe og tætte atmosfære. Men sådan er det bare: Ingen af de fire store planeter, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun har faste overflader.

Herude i det ydre solsystem er det kun månerne, og ikke selve planeterne, man kan besøge. Men man kan jo vælge at sende en lille sonde ned i planetatmosfæren og så modtage signaler, lige til sonden knuses af trykket. Det gjorde rumsonden Galileo, da den ankom til Jupiter i 1995.

Vender vi tilbage til Saturn?

Der er mange forskere, der gerne vil vende tilbage til Saturn og dens måner med nye rumsonder. Især diskuteres der to planer:

Den ene plan er at sende en rumsonde til Saturn og lade den gå ind i en bane, hvor den hyppigt vil passere tæt forbi Enceladus. Her kunne den så med et massespektrometer analysere gejserne, og specielt lede efter aminosyrer, som er byggestenene for liv -en opgave, som Cassini ikke var udstyret til.

Man kunne også overveje at bringe prøver fra gejserne tilbage til Jorden, hvor man så direkte kunne undersøge, om der findes mikroorganismer.

Den anden plan går ud på at sende en sonde ned i Titans atmosfære, enten udstyret med et lille luftskib eller en undervandsbåd, der kan dykke ned i de store metansøer for at undersøge, om der her svømmer mærkelige skabninger rundt.

Plutonium-generatorer er problematiske

Problemet med disse planer er ikke bare prisen, men især manglen på sollys i Saturns afstand. Herude er sollyset 100 gange svagere end her på Jorden, og det gør det meget vanskeligt at anvende solceller.

Cassini er drevet af en Plutonium-generator, og der var en enorm ballade, da Cassini blev opsendt med en last på ikke mindre end 33 kg af det højradioaktive Plutonium-238.

TV stationen CNN bragte dengang i 1997 endda et interview med en grædende teenagepige, der ikke ville sove roligt, før sonden var kommet godt langt væk fra Jorden.

Siden da har pigen kunnet tage den mere med ro, for selv om der stadig anvendes Plutonium i rumsonder, er der tale om mindre mængder.

 Således må Pluto sonden New Horizons klare sig med lidt under 10 kg, og marsbilen Curiosity med kun 5 kg Plutonium.

Det ville også være et problem at give dem meget mere med, da lagrene af Plutonoium-238 er godt på vej til at være tømte. De blev opbygget under den kolde krig som et biprodukt af bombefremstilling.

Plutonium er nøglen til det ydre solsystem

Produktionen af Plutonium-238 er genoptaget, men kun i meget beskedent omfang. I 2015 var produktionen på 50 gram, og først i 2023 vil den nå op på 1,5 kg om året.

Man arbejder på at øge denne produktion, men da NASA for tiden kun har et lager på under 20 kg, har det meget lange udsigter, før man igen kan bygge en rumsonde som Cassini.

Muligvis kan en simpel sonde, der bare skal flyve gennem gejserne på Enceladus klare sig med solceller, men det bliver noget af en udfordring -også selv om man skærer ned på antallet af instrumenter, der kræver strøm.

I hvert fald kan ingen af de mere ambitiøse planer, som at bringe prøver fra gejserne tilbage til Jorden, gennemføres uden, at sonden har en kraftig energikilde, og det betyder Plutonium og ikke solenergi. Det samme gælder for alle planerne om at udforske Titan.

For det første får man brug for nogle meget bedre og mere detaljerede radarkort af overfladen end dem, Cassini har kunnet levere – og det kræver et ganske kraftigt radaranlæg, som vil sluge en hel del energi.

En undervandsbåd eller et luftskib får også brug for Plutonium, både til elektronikken og til at forhindre, at sonden lammes af kulde i de -180 grader kolde omgivelser på Titan.

Umuligt at udrette meget kun med solenergi

Uden en omfattende brug af atomkraft kan vi kun udforske en lille del af solsystemet, med Jupiter som den ydre grænse.

Fra Merkur til Jupiter kan vi klare os med solceller, men fra Saturn og udefter er det nok umuligt at udrette ret meget, alene ved brug af solenergi.

Så vi har god grund til at glæde os over, hvor meget Cassini nåede at udrette under sit 13 år lange ophold ude ved Saturn.

Alle de sonder, der har udforsket det ydre solsystem, har fået deres energi fra Plutonium. Det gælder således også Voyager 2, der for 30 år siden fløj forbi både Uranus og Neptun – men dengang var der heller ikke mangel på Plutonium.

New Horizons til Pluto har klaret sig, fordi det er en ret lille rumsonde, men alligevel var der problemer med at medbringe den fulde last af Plutonium. Oprindeligt skulle den have haft 10,9 kg Plutonium med, men problemer med levering betød, at mængden blev skåret ned til 9,75 kg – og konsekvensen har været, at ikke alle instrumenter har kunnet arbejde på en gang.

Heldigvis har det ikke haft den store betydning for det videnskabelige udbytte.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud