Cassini - Huygens

De Cassini-Huygens missie werd uitgevoerd met een combinatie van de Cassini obiter, die later in een baan rond Saturnus kwam en de Huygens sonde die afdaalde in de atmosfeer van de Saturnusmaan Titan. De naam Cassini-Huygens wordt hieronder gebruikt in de situatie dat het tweetal nog met elkaar verbonden is.

De namen komen van onze landgenoot, sterrenkundige, wiskundige en natuurkundige Christiaan Huygens die Titan ontdekte en de Italiaanse astronoom Giovanni Domenico Cassini, die later zijn naam verfranste omdat hij Frans staatsburger werd. Cassini ontdekte nog een aantal manen bij Saturnus. Een duidelijke scheiding in de ringen van Saturnus is naar hem genoemd.

De lancering van Cassini-Huygens vond plaats op 15 oktober 1997, met een Titan IV raket. De tekening links laat zien wat er na 10 jaar in de ruimte zoal bereikt was. De brandstof van Cassini raakte op en na 20 jaar trouwe dienst werd het ruimtevaartuig op 15 september 2017 in de dampkring van Saturnus gestuurd. Cassini heeft in totaal bijna een half miljoen foto's gemaakt.

Cassini was een project van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en NASA. Zestien Europese landen leverden samen met het Amerikaanse NASA bijdragen. De missie heeft zijn wortels in het jaar 1982. Daarna leek het of beide continenten een andere koers zouden gaan, maar in 1988 besloot NASA toch om deze reis gezamenlijk te ondernemen. Door de afpraken met ESA kon NASA het niet maken om uit het project te stappen, dus Cassini - Huygens werd bij diverse Amerikaanse bezuinigingsronden gespaard. Gelukkig verliep de lancering van Cassini - Huygens voorspoedig en waren er nauwelijks problemen met het ruimtevaartuig. Ook dat is een unicum!

 

 

 

ESA en NASA hadden de volgende doelen opgesteld voor Cassini - Huygens:

Ruimtevaartuig

Cassini - Huygens is meer dan 6,8 m hoog, had bij de start een massa van 2150 kg en de orbiter had een massa van 350 kg. Samen met de raketmotor die het de combinatie richting Saturnus moest sturen was het totale gewicht bij de start 5600 kg. Dat verklaart waarom de machtige Titan raket toch nog niet sterk genoeg was om Cassini - Huygens direct naar Saturnus te sturen, zoals dat bij de lichtere Voyagers wel het geval was. 
Ook hier werd gekozen voor een bijzonder traject door Cassini - Huygens eerst tweemaal rond de planeet Venus te sturen, vervolgens langs de Aarde en toen langs Jupiter om tenslotte bij Saturnus aan te komen. 
Uiteraard was er ook nu weer veel te doen over het eventuele gevaar van plutonium op Aarde in geval van een verkeerde baan met als gevolg het neerkomen van plutonium in onze atmosfeer.

De diameter van het ruimtevaartuig is meer dan 4 m, dus nog iets groter dan de antenne. 
De set instrumenten aan boord is vergelijkbaar met die uit alle verkenners van de verre reuzenplaneten. Maar de nauwkeurigheid is sinds de vluchten van de Pioneers en Voyagers uiteraard verbeterd.

Vanwege het weinige zonlicht maakt ook Cassini - Huygens gebruik van Radio Thermonuclear Genenerators (RTG's) Verval van Plutonium-238 (in de vorm van 32,7 kg aan pellets) levert veel warmte op en die warmte wordt omgezet in elektriciteit met een spanning van 30 volt. Zie daarvoor de beschrijving bij de Voyagers. Rechts is een plutonium pellet te zien. Zo zitten ze in de RTG's. De drie RTG's zitten onderaan het ruimtevaartuig, dus zover mogelijk van de instrumenten. Bij de start gaven ze een vermogen van 880 watt, dan inmiddels al wat lager is: in 2010 was dat nog maar ongeveer 670 watt. De Huygens sonde werd gedurende de reis gevoed uit de boordspanning van Cassini, maar gebruikte tijdens de afdaling zijn eigen chemische batterijen. 
Wat betreft het maken van beelden was Cassini - Huygens goed voorzien. Behalve twee camera's kan Cassini ook nog Synthetic Aperture Radar gebruiken (zie daarvoor Radar en SAR op deze website). Deze SAR was belangrijk bij het zoeken naar een goede landingsplaats voor de Huygens sonde, dwars door de wolken heen. Ook de Huygens sonde heeft camera's aan boord.
Nieuw is het Magnetospheric Imaging Instrument, of MIMI. Dat instrument kan een beeld maken van de magnetosfeer van Saturnus door de volgende metingen:


Vanwege de ruime banen rond Saturnus en de wisselende afstand Aarde - Saturnus duurde het 68 tot 84 minuten voordat een signaal van Cassini - Huygens de Aarde had bereikt en een signaal terug uiteraard ook. Vandaar dat er veel geautomatiseerd was.
Men heeft het aantal bewegende delen tot een minimum beperkt. Navigatie wordt uitgevoerd met behulp van Solid State gyroscopen zoals die in al lang in de luchtvaart worden gebruikt. Waarschijnlijk gaat hem om ringlaser gyroscopen.

Het telemetrie systeem om alle gegevens heen en weer te sturen kent verschillende formaten om gevens heen en weer te zenden, van langzaam naar snel. Nieuw is het gebruik van een Solid State recorder, dus niet meer met een tape, maar geheugens. Vergelijk het met de SSD in moderne computers. Ook nieuw is de netwerkstructuur aan boord van Cassini-Huygens. Het werkt met data pakketjes, net als internet en andere netwerken. Dit systeem is gebouwd door IBM. Op vele gebieden is Cassini-Huygens dus afwijkend van vorige ruimtevaartuigen. Veel moderner. De 14 km kabel aan boord samen met 22.000 draadverbindingen verbinden 1630 verschillende componenten met elkaar. Cassini - Huygens is dus erg complex. Maar bleek ook uiterst betrouwbaar.

Camera's

Cassini heeft twee camera's een groothoek en een telecamera. Ook hier worden weer zwart/wit CCD's gebruikt met filterwielen om licht in een bepaalde golflengte waar te nemen, van IR via zichtbaar licht naar UV. De CCD's zijn 1024 x 1024 pixels groot.

De groothoek camera heeft een brandpuntsafstand van 200 mm
en een lichtsterkte van f/3,5. Het objectief bestaat uit lenzen. 
De camera heeft een filterwiel met 18 filters in het gebied van 
380 -1100 nm. de beeldhoek is 3,5 x 3,5 graden.		 De telecamera heeft een brandpuntsafstand van 2 meter bij een
lichtsterkte van f/10,5. Hier wordt een Ritchey-Chretien systeem
gebruikt. De camera heeft een filterwiel met 24 filters in het gebied 
van 200 - 1100 nm. De beeldhoek is 0,35 x 0,35 graden.

De maximale datastroom van de camera's is 365.568 kilobits/sec. De camera's wegen samen bijna 58 kg. Op plaatsen waar dat nodig is wordt de apparatuur elektrisch verwarmd om de temperatuur afwijkingen binnen een graad nauwkeurig te houden, anders kan er mogelijk onscherpte ontstaan. De elektromechanische sluiters  hebben 63 vaste belichtingstijden, variërend van 5 milliseconden tot 20 minuten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De opnamen worden nog in de camera gecomprimeerd met de verliesvrije Huffman coding. Na ontvangst op Aarde kan de informatie weer in de originele staat teruggebracht worden. Deze verliesvrije compressiemethode vinden we bijvoorbeeld ook bij het ZIP formaat. JPG daarentegen geeft verliezen bij het comprimeren van foto's. 
Cassini heeft tot nu toe honderdduizenden opnamen gemaakt.
De plaatsen van de camera's is in de tekening aan het begin van deze pagina te zien als ISS WAC telescope (groothoek) en ISS NAC telescope (tele objectief)

De SAR installatie werkt met radargolven en kan zodoende door de wolken heen "zien". In de opname links (in 'valse' kleuren) is de noordpool van Titan te zien met in de blauwe kleur de zeeën van koolwaterstoffen zoals vloeibaar ethaan, metaan en opgeloste waterstof. Deze opnamen bepaalden waar men de Huygens sonde wilde laten landen. Het liefst niet in een oceaan natuurlijk!
Titan is trouwens het eerste hemellichaam in ons zonnestelsel waar oceanen zijn waargenomen. De kaart links laat delen van het oppervlak van de maan Titan zien, geprojecteerd op de wolkenstructuur foto die met een van de CCD camera's van Cassini is gemaakt. Bijna 30% van het oppervlak is hiermee in kaart gebracht.

De Huygens sonde

De sonde is geheel geautomatiseerd en gebouwd door ESA. De bedoeling was om de wolken, de atmosfeer en het oppervlak van Titan te onderzoeken.
De Huygens sonde werd in december 2004 afgestoten en begon aan een afdaling die 20 dagen duurde. Op 14 januari 2005 landde hij met succes op het oppervlak van Titan.
Een hitteschild beschermde de sonde bij het intreden van de atmosfeer. De snelheid werd van 6 km/s teruggebracht tot 400 meter per seconde. Toen was de sonde nog 400 km boven het oppervlak van Titan. Hierna werd een serie parachutes ontplooid (klein, dan groot en tot slot weer een kleine) en het hitteschild afgeworpen. Dat was ongeveer twee keer zo groot in diameter als de sonde. De afdaling in de atmosfeer duurde tweeënhalf uur en onderweg werd de temperatuur, dichtheid en energiebalans van de atmosfeer gemeten.

Links is het schema van de landing te zien. De kleine parachute die op het laatste traject van de landing te zien is zorgde ervoor dat de lander na 'touch down" niet bedekt zou worden door een parachute.

 De afbeeldingen hieronder laten het inwendige van de Huygens sonde zien, zonder het hitteschild.

 

 

 

 

 

 

Twee tekeningen die laten zien wat er in de Huygens sonde aanwezig
was.		 (boven) Zo moet Huygens er uitzien na de landing. Dit is een tekening.
Een technicus is bezig met het hitteschild van de Huygens sonde. Dit is de camera van Huygens, de DISR. De lichtmeters en 
spectrometers die alle kanten op "kijken" zijn duidelijk te zien. 
Het krokodillenklemmetje links laat zien hoe klein het apparaat is.

De sonde bleef 1 uur en 10 minuten operationeel. Dit was meer dan men gehoopt had, want door de zachte landing hadden alle vijf de batterijen de aanraking met Titan overleefd. Met de "penetrometer" kon men vaststellen dat het oppervlak van de landingsplaats keihard was. Foto's tonen dat het oppervlak bezaaid is met "ijs stenen".

De foto rechts is de eerste die ooit gemaakt werd van het oppervlak van Titan. Er zijn heuvels op te zien en kanalen op de oppervlakte. Deze foto is tijdens de afdaling gemaakt.

De camera maakt deel uit van een instrument met de naam Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) dat zich aan de rand van de sonde bevindt. Het bestaat uit een lichtmeter en spectrometers. 
Beelden kunnen gemaakt worden via drie "camera's" die dezelfde CCD deelden. Een die opzij kon kijken en twee die naar beneden gericht waren. Het gaat in dit geval wel om een bijzondere CCD. Het oppervlak is in negen gedeelten verdeeld: drie om beelden te maken (naar beneden in zichtbaar licht en IR straling; opzij in zichtbaar licht. Verder werden er vier gebruikt om de lichtkrans van de zon te meten op twee golflengten en in twee polarisatie hoeken en nog twee gedeelten voor IR metingen (omhoog en omlaagkijkende spectrometers. 
Het aantal pixels (512 x 256) lijkt bescheiden, maar er zat een grens aan de datatransmissie van Huygens naar Cassini. Door een slimme oplossing had men geen sluiter nodig.

Al met al was het knap om die foto's te maken, want het licht op Titan is overdag slechts 350 keer maal sterker dan een maanverlichte Aarde. De drie DISR camera's konden een ononderbroken 360 graden panorama maken over hoeken tussen 6 tot 96 graden. Vanaf 25 km hoogte werd de landingsplaats duidelijk zichtbaar.

Titan oppervlak vanaf 34 km hoogte. Het witte streepjesspoor laat het traject
van de sonde over Titan zien. De opname is samengesteld uit hoge en lage
resolutie beelden. 		 Titan vanaf 18 km hoogte.
Titan van 1,2 km hoogte. De landingsplaats is aangegeven met een X.
Het witte stippelspoor laat zien dat Huygens, die steeds in oost-noordoostelijke
richting dreef, de laatste kilometer van zijn traject omdraait in west-noordwestelijke richting.		 De landingsplaats. De plaats is bezaaid met kiezelsteenvormige ijsblokjes.
De zwartwit foto laat in rood de afmetingen zien en in blauw de afstand tot
de sonde. De kleurenfoto is ontstaan door opnamen te combineren.

 

Verloop van de missie

Na de lancering op 15 oktober 1997 werd Cassini-Huygens in de richting van de planeet Venus gestuurd om die vervolgens op 26 april 1998 en 24 juni 1999 te passeren, waarbij het ruimtevaartuig steeds meer snelheid kreeg. Op 18 augustus 1999 passeerde de combinatie de Aarde en de Maan. De laatste werd op 344.000 km afstand gepasseerd en diende meteen om calibratiefoto's te maken.
Toevallig lag de planetoïde 2685 Masursky op het pad van Cassini-Huygens. Zeven uur voor de passage (op 1,6 miljoen km!) begonnen de waarnemingen. De 15 tot 20 km grote planetoïde werd gefotografeerd.
Op 30 december 2000 passeerde Cassini-Huygens Jupiter op de kortste afstand. Er werden maar liefst 26.000 foto's genomen tijdens de nadering en na de passage. De resolutie van een aantal opnamen was 60 km. De opnamen door Cassini waren een welkome aanvulling op het werk van de Voyagers en Galileo. De Jupiter passage vergrootte vervolgens de snelheid opnieuw. 

In oktober 2003 was de situatie zodanig dat de zon de afstand Aarde-Saturnus kruiste. De signalen van de Aarde naar Cassini-Huygens en andersom passeerden zo het grote zwaartekrachtveld van de zon. Volgens Einstein zou een massief object als de zon de ruimte-tijd curve laten afbuigen. Uit verandering van de frequentie konden de wetenschappers opmaken dat de theorie van Einstein klopte...
Op 1 juli 2004 kwam Cassini-Huygens in een baan om Saturnus. Op 14 januari 2005 landde Huygens op de maan Titan.

Er werden honderdduizenden foto's genomen en heel veel metingen gedaan. Er werden op de foto's 7 nieuwe manen ontdekt. De maan Phoebe werd voor het eerst van dichtbij bekeken. (Voyager 2 was er al eens op grote afstand langs gevlogen).

De aankomst bij Saturnus begon meteen al gewaagd, want Cassini-Huygens vloog door een opening tussen de F- en de G- ringen door. Hierbij werd de grote antenne van de Aarde af gericht om als schild te dienen tegen de inslagen van kleine deeltjes uit de ringen. Na de passage van de ringen moest het ruimtevaartuig weer gedraaid worden; nu met de motor gericht in de vliegrichting. Na het ontsteken werd het traject vertraagd met 622 meter per seconde, waarna Cassini-Huygens gevangen werd in het zwaartekrachtveld van Saturnus. De kaart laat de diverse omlopen om Saturnus zien. Op die manier konden veel manen in beeld gebracht worden.

Al op 2 juli 2004 passeerde Cassini-Huygens de maan Titan op 339.000 km. Op 27 oktober voerde het ruimtevaartuig de eerste van 45 geplande passages van Titan uit en nu op een afstand van slechts 1200 km. Behalve foto's werden er ook SAR opnamen gemaakt. Het bleek dat Titan een vrij gladde maan is met geen hogere delen dan 50 meter.

Resultaten

De maan Enceladus werd een aantal malen gepasseerd. Aan de afbuiging in het magnetisch veld concludeerden de wetenschappers dat de maan een dunne atmosfeer moet bezitten. Op de zuidpool van de maan waren waterijs geisers actief. Mogelijk levert Enceladus materiaal voor de E-ring. Op 18 maart 2008 scheerde Cassini op 50 km afstand langs Enceladus en bovendien door de pluimen die de geisers in het heelal afstootten. Men nam water, CO2 en verschillende koolwaterstoffen waar.

In mei 2005 begon Cassini een serie experimenten om de grootte en verdeling van deeltjes in de ringen van Saturnus te meten. Hierbij vloog Cassini achter het ringen vlak langs, waarbij ze verlicht werden door de zon. De grootte van deeltjes maakt uit of licht op deeltjes teruggekaatst of juist "vooruitgekaatst" wordt. (Deeltjes zo klein als sigarettenrook worden vooruit gekaatst). Voor dit experiment werd de radiostraling van Cassini gebruikt. Verandering in frequentie, fase en sterkte van het signaal waren hier bepalend.

Op opnamen van 5 september 2005 waren weer de "spaken" in de ringen te zien die al door de Voyagers bevestigd waren. In november van 2006 ontdekte men een tropische storm op de zuidpool van Saturnus, compleet met een oog midden in de depressie. Zoiets kennen we van de Aarde, maar men zag het nog nooit op een andere planeet. In tegenstelling tot de Aarde, blijft deze tropische storm bestaan.

Op 10 september was de half licht, half donkere maan Iapetus aan de beurt. Cassini scheerde op 1600 langs de maan. Er was een klein probleem met het overzenden van de data, maar uiteindelijk werden alle gegevens op Aarde ontvangen.

Eigenlijk was de missie nu officieel afgelopen, maar op 15 april 2008 werd het budget goedgekeurd om de missie met twee jaar te verlengen. Dit werd de Cassini Equinox Mission. Equinox is op Aarde het moment dat de zon precies boven de evenaar staat, dus op 21 maart en 21 september. Dat was nu ook het geval bij Saturnus.

In februari 2010 werd de missie opnieuw verlengd. Nu onder de naam Cassino Solstice Mission. Solstice duidt op de momenten waarop de zon de planeet het meest noordelijk of zuidelijk ten opzichte van de evenaar staat. Op Aarde zijn die momenten 21 juni en 21 december. Deze verlengde missie liep tot 15 september 2017. Toen werd Cassini in de richting van de dampkring van Saturnus gestuurd, met als gevolg een vurig einde.

The day the Earth smiled. Een bijzondere foto van 19 juli 2013.Een overzicht van planeten, de ringen van Saturnus, de manen Saturnus en het Aarde-Maan stelsel.

De zon staat op de opname precies achter Saturnus.

Op de foto links is het kleine blauwe stipje rechtsonder onze Aarde!
De wonderlijke maan Iapetus, met een diameter van 1460 km. De maan Enceladus met fonteinachtige bronnen. De diameter is ongeveer
500 km.
De maan Rhea boven het oppervlak van Saturnus, 17 juli 2007 op 
1,2 miljoen km van Cassini. Dit is de op een na grootste maan met 
een diameter van 1528 km.
De donkere band is de niet verlichte zijde van de ringen		 De maan Phoebe in 2004 gefografeerd door Cassini.
De diameter is ongeveer 200 km.
De ringen van Saturnus in zichtbaar licht opgenomen op 12 december 2004 (boven)
Uit de gegevens van het radio experiment op 3 mei (onder) zijn de ringen gesimuleerd. De kleuren geven de grootte van de deeltjes aan.
De grote storm op het noordelijk halfrond van Saturnus. Dit is een opname
in de kleuren zoals ze werkelijk zijn. De schaduw van de ringen is op het
oppervlak te zien. De storm omcircelt de planeet en haalt zichzelf in.		 De voortdurende tropische storm op het noordelijk halfrond van Saturnus (rood).
De middellijn van die storm is 20.000 km. Groter dan de Aarde!
De onregelmatige geelachtige ring daaromheen is te vergelijken met 
onze straalstroom.
De ringen van Saturnus zijn samengesteld uit brokjes en minuscule deeltjes
ijs en stof. De grootste stukken zijn vaak niet groter dan een basketbal.
In een van de openingen in de ringen is de maan Daphnis te zien.
Deze maan heeft een middellijn van 8 km. Zie de schaduw van de maan op
de ringen.		 Dit is geen balletje piepschuim, maar de maan Hyperion. De maan is verzadigd
met kraters. Elke nieuwe krater zou een oudere doen verdwijnen.
Onverwacht kreeg Cassini met een soort elektrische schok van 200 volt 
te maken, door statische lading op 2000 km afstand van de maan.

 

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/