L'esplorazione di Titano è stata condotta per mezzo di sonde spaziali semiautomatiche, nell'ambito dell'esplorazione di Saturno, di cui Titano è il maggiore satellite.

Considerazioni generali Motivazioni scientifiche

Titano è considerato dalla comunità scientifica come uno degli obiettivi primari dell'esplorazione spaziale del sistema solare esterno, 2008., 2006. per la sua similitudine con la Terra e per il potenziale esobiologico che lo caratterizza., 2009. Ha una spessa atmosfera composta principalmente di azoto, ma con un'importante quantità di metano, nella quale avvengono reazioni chimiche complesse che conducono alla formazione di idrocarburi e nitrili. Condizioni di temperatura e pressione prossime a quella del punto triplo del metano attivano un ciclo idrogeologico che presenta forti analogie con quello che avviene sulla Terra, sebbene con materiali differenti. Le missioni che hanno esplorato Titano hanno individuato il verificarsi di elaborati fenomeni meteorologici e climatici, sebbene non abbiano ancora ben localizzato la loro occorrenza, né determinato la composizione della pioggia., 2009.

Sulla dicotomica superficie sono presenti laghi di metano e tracce di criovulcanismo, che non è stato mai direttamente osservato. È oggetto di interesse determinare l'età della superficie, identificare il motore interno che ha originato i fenomeni criovulcanici e determinarne il grado di attività. È stata ipotizzata la presenza di uno strato di acqua liquida ed ammoniaca al di sotto della superficie.

Sebbene le temperature di Titano siano inferiori a 100 K e non dovrebbero aver permesso la nascita di forme di vita così come le conosciamo sulla Terra, la composizione dell'atmosfera è molto simile a quella pre-biotica del nostro pianeta. Risulterebbe quindi di particolare aiuto nella sua comprensione osservare quali reazioni avvengono tra gli idrocarburi prodotti dall'atmosfera di Titano con l'acqua e l'ammoniaca che si presume possano affiorare sulla superficie., 2008., 2006.

Esigenze tecniche

Considerando che gli aspetti d'interesse riguardo a Titano sono molteplici quanto le soluzioni esplorative offerte dalle peculiari caratteristiche della luna, si può intuire come per la sua esplorazione siano state proposte architetture di missione piuttosto articolate.

Alle esigenze imposte dalla volontà di raggiungere il remoto sistema di Saturno,Per maggiori informazioni si veda la voce: Esplorazione di Saturno. si sommano quelle derivanti dall'intenzione di esplorare Titano. Sebbene lanciatori particolarmente potentiIndicati come "lanciatori pesanti" nel gergo astronautico, da Heavy Lift Launch Vehicle. permetterebbero un lancio diretto verso Saturno, per massimizzare il carico utile della missione è preferibile percorrere traiettorie che prevedano gravity assist multipli (nel sistema solare interno e con Giove)., 2009. Ciò determina sia un allungamento dei tempi di volo, sia l'esposizione della sonda ad ambienti con caratteristiche molto differenti (per temperature e tassi di radiazioni) rispetto a quelle di lavoro (presenti cioè nel sistema di Saturno), che dovrebbero guidarne la progettazione.

La presenza su Titano di una spessa atmosfera consente sia manovre di aerocattura e aerofrenaggio,, 2006. che permettono di ridurre il quantitativo di propellente necessario per l'ingresso in orbita, sia di ricorrere al paracadute per facilitare l'atterraggio di un eventuale lander., 2008. D'altra parte, la stessa atmosfera impedisce la vista diretta della superficie e introduce la necessità di dotare gli orbiter di un radar, il cui funzionamento necessita di un quantitativo importante di energia in riferimento al contesto spaziale.I quattro generatori a radioisotopi della sonda Cassini, ad esempio, non sarebbero stati in grado di fornire la potenza di richiesta dallo strumento RADAR in modo continuativo per le dieci ore stimate di ciascun sorvolo di Titano senza l'ausilio di adeguate batterie ricaricabili.

La lontananza di Saturno dal Sole ha finora escluso l'utilizzo dei pannelli fotovoltaici per alimentare la sonda. Tuttavia, anche qualora fosse sviluppata una tale tecnologia per un orbiter di Titano, essa non potrebbe essere utilizzata per gli eventuali lander, considerata l'opacità dell'atmosfera. Risulta quindi necessario ricorrere ad un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) o dispositivo equivalente., 2006. Tuttavia, il materiale fissile che ne costituisce la fonte energetica non è di facile reperibilità e il suo utilizzo incontra ostacoli sia negli Stati Uniti, che in Europa - le uniche realtà che si sono finora impegnate nell'esplorazione del sistema di Saturno. Negli Stati Uniti la produzione di 238Pu è cessata nel 1988 ed è ripresa solo nel 2014, con l'acquisto del materiale dalla Russia nel frattempo. In Europa, il Regno Unito è l'unica nazione a disporre del materiale radioattivo necessario, ma la legislazione francese - vigente presso il Centre spatial guyanais dell'ESA - ne vieta il lancio., 2009.

Infine, c'è da considerare che le sonde che raggiungessero la superficie o rimanessero sospese nell'atmosfera sarebbero sottoposte a temperature molto basse (inferiori ai 100 K) e soggette alla corrosione operata dal metano., 2006.

Dalla scoperta all'era spaziale

Titano è stato scoperto il 25 marzo 1655 dall'astronomo olandese Christiaan Huygens con un telescopio rifrattore di circa un metro di diametro. Della sua orbita si ebbe una conoscenza approssimativa fino al 1834, quando F. W. Bessel la calcolò con accuratezza (e la utilizzò per stimare la massa di Saturno)., 2007 .

Nel 1884 Asaph Hall individuò una risonanza orbitale tra l'orbita di Iperione e quella di Titano: il primo completa tre orbite nel tempo che il secondo impiega per compierne quattro, esiste cioè una risonanza 3:4 tra le due. Inoltre, le perturbazioni indotte da Titano introducono un moto di precessione della linea degli apsidi nell'orbita di Iperione, con periodo di circa vent'anni. Nello stesso anno Simon Newcomb sfruttò questa informazione per calcolare una prima stima della massa di Titano. Accessibile in francese. URL consultato il 20 giugno 2014. Anche G. W. Hill si interessò al problema, che fu efficacemente risolto da W. S. Eichelberger (1911).

Nello stesso periodo furono condotte anche osservazioni volte alla determinazione delle dimensioni di Titano: E. E. Barnard (1895) e P. Lowell (1915), avvalendosi di un micrometro, ricavarono indipendentemente un diametro di circa 4150 km;, 2007 . stimarono invece un diametro superiore ai 6000 km sia T. J. J. See (1902), sia P. Muller (1949). Pubblicazione Diam. angolare medio See, 1902 0,869" Barnard, 1895 0,588" Barnard, 1896 0,633" Lowell, 1915 0,568" Muller, 1949 0,89" Alla distanza media di Saturno dalla Terra, un diametro di 4150 km per Titano corrisponde a 0,6". Ancora nel 1975, Elliot e colleghi proposero un diametro di 5800 km, superiore a quello che era allora accettato di circa 5000 km. Titano fu a lungo ritenuto il satellite naturale maggiore del sistema solare e solo le osservazioni condotte delle sonde Voyager avrebbero chiarito che Ganimede ha un diametro di poco superiore.

Il primo indizio che Titano fosse dotato di un'atmosfera risale al 1907, quando l'astronomo spagnolo Josep Comas i Solà osservò un oscuramento al bordo. Nel 1931 giunse una prima conferma teorica da James Jeans, il quale determinò che basse temperature (comprese tra i 60 e i 100 K) avrebbero consentito alla pur debole gravità di Titano di impedire la dispersione nello spazio di un'atmosfera composta da gas di massa molecolare superiore o uguale a 16 u (tra questi il metano, l'azoto molecolare, l'ammoniaca, il neon e l'argon)., 2009. Gerard Kuiper nel 1944 rilevò spettroscopicamente la presenza di metano (CH4) su Titano, confermando definitivamente l'esistenza della sua atmosfera., 1944., 1990. Kuiper ipotizzò che Titano potesse apparire di colore arancio e condusse ulteriori osservazioni (1952) che esclusero la presenza di metano sulle altre lune di Saturno.

Lo studio di Titano riprese poi negli anni settanta, quando furono condotte nuove osservazioni dalla Terra. Nel 1972 (confermata poi nel 1975), L. Trafton rilevò la presenza di idrogeno molecolare (H2) nell'atmosfera. Nel 1975 Elliot e colleghi rilevarono inequivocabilmente un marcato oscuramento al bordo, dato coerente con l'esistenza di una spessa atmosfera (confermando la correttezza delle osservazioni di Comas i Solà). Negli anni subito precedenti, inoltre, misure della polarizzazione della luce avevano suggerito che l'atmosfera fosse nuvolosa e presentasse uno spesso strato di foschia (haze). Erano stati sviluppati principalmente due modelli teorici per l'atmosfera: il primo prevedeva che essa fosse spessa, composta principalmente da azoto (N2), con una temperatura superficiale di 200 K e una pressione al suolo di 20 bar; l'altro, che fosse composta principalmente da metano, con una temperatura superficiale di 87 K e una pressione di . Si era inoltre affermata l'idea, suggerita da Carl Sagan nel 1971, che le nubi potessero essere composte da molecole organiche complesse., 2009.

Quando nel 1980 era entrato in attività il Very Large Array nel Nuovo Messico, era stato prontamente utilizzato per osservare Titano. Era stata così misurata la temperatura della superficie, pari a e la pressione atmosferica di circa 2 bar (pari circa a due volte quella terrestre),, 1980. condizioni che avrebbero consentito l'esistenza di un vasto oceano di metano sulla superficie. Le sonde Voyager erano però giunte su Titano e il lavoro non ricevette nell'immediato particolare attenzione., 2009.

I primi sorvoli ravvicinati Pioneer 11

La prima sonda spaziale a visitare il sistema di Saturno fu il Pioneer 11 della NASA nel 1979. Lanciato il 6 aprile 1973 dal Kennedy Space Center, seguì il Pioneer 10 nell'esplorazione di Giove, raggiunto nel dicembre del 1974, quando una delle prime manovre di fionda gravitazionale eseguite dai controllori della NASA permise di reindirizzare la sonda verso il "Signore degli anelli". Nel programmare l'attraversamento del sistema di Saturno furono prese in considerazioni due possibili traiettorie: una - più interna - prevedeva che la sonda transitasse tra l'Anello C e l'atmosfera del pianeta, l'altra - più esterna - che la sonda transitasse oltre l'Anello A. La prima avrebbe permesso un ritorno scientifico maggiore, un sorvolo ravvicinato di Titano ed era quella preferita dai ricercatori dell'Ames Research Center; la seconda, di fare da apripista per le missioni Voyager ed assicurare così la sicurezza della traiettoria che avrebbe portato poi la Voyager 2 a raggiungere Urano. I dirigenti della NASA optarono per quest'ultima soluzione., 2007.

Il Pioneer 11 sorvolò Titano il 2 settembre da una distanza superiore ai . Riprese 5 immagini del satellite (utilizzate per comporre l'immagine a lato), che non permisero di identificare alcuna caratteristica presente sulla superficie; fu possibile stimare il diametro della luna e ottenere alcune misure della sua temperatura. Titano risultò troppo freddo per poter sostenere la vita. La sonda rilevò inoltre una nube di idrogeno, prodotto dalla dissociazione del metano nell'alta atmosfera, che segue Titano sulla sua orbita e che era stata ipotizzata da Thomas R. McDonough e Neil Brice nel 1973.

Sonde Voyager