Cassini-Huygens è stata una missione robotica interplanetaria congiunta NASA/ESA/ASI, lanciata il 15 ottobre 1997 con il compito di studiare il sistema di Saturno, comprese le sue lune e i suoi anelli. La sonda si componeva di due elementi: lorbiter Cassini della NASA e il lander Huygens dell'ESA. Prima di raggiungere Saturno, la sonda ha effettuato un flyby di Venere (ad aprile 1998 e a luglio 1999), della Terra (agosto 1999), dell'asteroide 2685 Masursky e di Giove (dicembre 2000), mentre l'inserimento nell'orbita di Saturno è avvenuto il 1 luglio 2004. La missione è terminata il 15 settembre 2017 quando la sonda è stata inviata nell'atmosfera superiore di Saturno ed è stata distrutta per evitare ogni rischio di contaminazione delle lune di Saturno da parte di microrganismi terrestri eventualmente presenti sulla sonda.
Cassini è stata la prima sonda ad essere entrata nell'orbita di Saturno e solo la quarta ad averlo visitato (prima della Cassini erano già passate la Pioneer 11 e le Voyager 1 e 2). Il lander Huygens ha viaggiato assieme alla sonda Cassini fino al 25 dicembre 2004, quando si è separato da quest'ultima per atterrare su Titano il 14 gennaio 2005. Sulla superficie, il modulo ha trasmesso dati per 90 minuti.
Al termine della missione, la sonda Cassini ha compiuto una serie di passaggi spettacolari e rischiosi tra Saturno e i suoi anelli interni, per ottenere ulteriori dati scientifici prima del termine della missione. Quest'ultima fase della missione è stata chiamata Grand Finale.
La missione ha avuto un successo ben oltre le aspettative, rivoluzionando le conoscenze del sistema di Saturno, tra cui i suoi satelliti e gli anelli.
Originariamente pianificata come una missione di quattro anni, dal giugno 2004 a maggio 2008, essa è stata estesa una prima volta fino a settembre 2010 (Cassini Equinox Mission) e successivamente di altri sette anni (Cassini Solstice Mission).
L'orbiter Cassini prende il nome dall'astronomo italiano Giovanni Domenico Cassini che, verso la fine del Seicento, scoprì quattro satelliti e la divisione degli anelli che porta il suo nome. Il lander Huygens prende il nome dall'astronomo olandese del XVII secolo Christiaan Huygens che, utilizzando il proprio telescopio, scoprì Titano.
Storia
La missione è stata ideata nel 1982, quando la Fondazione europea per la scienza e la National Academy of Sciences formarono un gruppo di lavoro per studiare future missioni spaziali in cooperazione. Due scienziati europei suggerirono una missione congiunta comprendente un orbiter per Saturno e un lander per Titano. Dal 1984 al 1985 la missione venne esaminata dalla NASA e dall'ESA.
Nel 1988 l'ESA selezionò la missione congiunta Cassini-Huygens come missione primaria e l'anno successivo vennero approvati i finanziamenti alla NASA. Questa collaborazione non solo migliorò i rapporti tra le due agenzie, ma aiutò la missione a sopravvivere ai tagli di bilancio del congresso degli Stati Uniti. Secondo i piani iniziali, la sonda avrebbe dovuto essere lanciata nel 1994 dallo Space Shuttle statunitense, tuttavia a seguito dell'incidente del Challenger del 1986, fu proibito l'utilizzo di stadi Centaur e si ripiegò sul lanciatore militare Titan IV. Vennero individuate tre finestre di lancio, dicembre 1995, aprile 1996 e 1997; tra queste venne scelto il 1996 come data di lancio.
Una prima modifica ai piani iniziali viene fatta nel 1991: il lancio sarebbe stato anticipato al 1995. La sonda spaziale, durante il suo viaggio, avrebbe utilizzato l'assistenza gravitazionale di Venere, della Terra e di Giove e sorvolato l'asteroide 66 Maja. Ma questi piani furono presto sconvolti dai tagli di budget subiti dalla NASA, che ne posticipò il lancio al 1997. Nel 1992, per far fronte ai crescenti costi del progetto, si abbandonò lo sviluppo di un modulo orientabile a favore di un'antenna direzionale fissa. Queste misure fecero risparmiare 250 milioni di dollari, a costo di un grave degrado delle capacità operative della sonda spaziale, che non avrebbe più potuto raccogliere dati scientifici e trasmetterli in tempo reale alla Terra. Nella nuova configurazione, il trasferimento dei dati, come l'uso di alcuni strumenti, avrebbe richiesto il riorientamento dell'intera sonda spaziale, riducendone l'agilità e la flessibilità operativa. Per abbassare i costi, la NASA decise di lanciare la navicella spaziale con un software incompleto, il cui sviluppo sarebbe continuato durante il viaggio verso Saturno. Per ridurre ulteriormente i costi, venne stipulato un accordo tra la NASA e l'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) affinché quest'ultima si facesse carico dello sviluppo di parte del sistema di telecomunicazioni, del radar e dello spettrometro a luce visibile e infrarossa dell'orbiter (VIMS).
Nel 1994, l'ente aerospaziale statunitense, nuovamente sottoposto a pressioni di bilancio, considerò l'annullamento del progetto. L'amministratore della NASA Daniel Goldin aveva appena lanciato il suo programma di missioni interplanetarie a basso costo, con lo slogan Faster, Cheaper, Better (più veloci, più economiche, migliori), che si opponeva a missioni complesse, costose e a lento sviluppo, com'era peraltro quella di Cassini. L'ESA, che aveva già investito 300 milioni di dollari per Huygens, inviò una lettera, tramite il suo direttore Jean-Marie Luton, al vicepresidente degli Stati Uniti Al Gore, per avvisarlo dei rischi che avrebbe comportato la cancellazione di Cassini-Huygens per progetti scientifici congiunti tra Europa e Stati Uniti, sottolineando ancora una volta l'inaffidabilità del partner americano. Questa pressione dell'ESA contribuì a posticipare la cancellazione della missione in quell'anno e nel successivo, quando il Congresso degli Stati Uniti tentò ancora di cancellare la missione. Vennero prese altre misure per risparmiare sui costi, per esempio la fotocamera grandangolare fu presa dai pezzi di ricambio delle sonde Voyager. Viceversa si profilava un costo maggiore per la produzione del tipo di plutonio usato dai generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG), poiché sarebbe dovuta ripartire la linea di produzione, che era stata abbandonata per mancanza di usi civili.
Obiettivi Gli obiettivi della missione Cassini-Huygens erano suddivisi in 5 categorie: Saturno, i suoi anelli, la magnetosfera del gigante gassoso, le lune ghiacciate e Titano, quest'ultimo studiato in particolar modo dal lander Huygens. Le priorità principali di ricerca di NASA ed ESA erano: Titano Determinazione della composizione atmosferica, osservazione della distribuzione dei gas nell'atmosfera, ricerca di ulteriori composti organici e della fonte di energia per i processi chimici, studio della distribuzione degli aerosol. Misurazione dei venti e della temperatura, studio dell'andamento nel tempo delle nubi e delle foschie nell'atmosfera e relazione coi cambiamenti stagionali. Registrazione della struttura e della composizione della superficie, nonché indagini sulla struttura interna del satellite. Magnetosfera Determinazione della struttura tridimensionale e del comportamento dinamico della magnetosfera. Studio dell'interazione della magnetosfera con il vento solare, le lune, gli anelli e con atmosfera ed esosfera di Titano. Lune ghiacciate Determinazione della composizione delle superfici dei satelliti di Saturno e loro storia geologica. Ricerca sui meccanismi di deformazione della crosta superficiale e interna. Indagine sulla composizione e distribuzione del materiale superficiale. Studio della natura e dell'origine del materiale di colore scuro visibile su Giapeto Saturno e i suoi anelli Determinazione della struttura e del comportamento dinamico degli anelli di Saturno. Studio del comportamento dinamico dell'atmosfera. Mappatura della composizione e della distribuzione in funzione delle dimensioni del materiale degli anelli. Indagine sulle interazioni degli anelli con la magnetosfera, l'atmosfera e la ionosfera di Saturno e di quella con le lune. Misurazione dei venti, comprese le strutture delle onde e dei vortici. Ricerche sulla struttura interna di Saturno e delle proprietà rotazionali dell'atmosfera profonda. Indagine sulle sorgenti e sulla struttura dei fulmini e delle scariche statiche nell'atmosfera.
Caratteristiche tecniche
La navicella
Sviluppata dalla NASA in collaborazione con l'ESA (l'Agenzia spaziale europea) e con l'ASI (l'Agenzia spaziale italiana), la sonda Cassini è un prodigio della tecnologia spaziale del XX secolo, costituita da due componenti distinte: un orbiter e una sonda secondaria (Huygens).
Alta 6,7 metri e larga 4, questa sonda da quasi 6 tonnellate (orbiter, sonda Huygens e propellente compreso) era dotata di un'antenna parabolica larga poco meno di 4 metri, un'asta-magnetometro lunga 13 metri, 22.000 connessioni elettriche, 12 chilometri di cavi elettrici, ottantadue unità di riscaldamento a radioisotopi, sedici motori di assetto ("thrusters") a idrazina, e la maggior parte dei sistemi era "ridondata", ovvero affiancata da un analogo sistema di riserva, per minimizzare le probabilità di guasti, che non avrebbero avuto possibilità di essere riparati: la sonda si trovava nel 2007 a più di un miliardo di chilometri dalla Terra e i suoi segnali radio, pur viaggiando alla velocità della luce () impiegavano circa 60 minuti per raggiungere la Terra.
Cassini è stata l'ultima delle grandi missioni spaziali della NASA. Ne ha tutte le caratteristiche tipiche: grandi dimensioni, grande abbondanza di apparecchiature, lungo tempo di sviluppo e costo elevatissimo: circa 5 miliardi di dollari, comprensivi delle operazioni durante la vita della sonda. Dopo lo sviluppo della sonda Cassini, la NASA passò alla filosofia faster, better, cheaper (più veloce, migliore, più economico), con alterni risultati.
Fonte di energia Considerando la distanza di Saturno dal Sole, i raggi solari non potevano essere sfruttati come fonte di energia. Per generare abbastanza energia i pannelli solari avrebbero dovuto essere molto grandi e di conseguenza pesanti. Per questo motivo l'orbiter è stato alimentato da tre generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG).
Al momento del lancio i generatori atomici della sonda Cassini provocarono numerose polemiche da parte di ambientalisti che sottolineavano il rischio di contaminazione ambientale in caso di incidente. I generatori atomici della sonda Cassini erano unità RTG passive: non avevano reattori atomici, ma sfruttavano semplicemente il calore prodotto dal decadimento radioattivo di una piccola quantità di plutonio per produrre corrente elettrica. In termini semplici, è stato usato un piccolo contenitore di scorie nucleari per produrre energia. Nel peggiore dei casi un incidente avrebbe potuto comportare lo spargimento del plutonio nell'atmosfera. La NASA sottolineò come le unità RTG fossero rinchiuse in un contenitore progettato appositamente per sopravvivere anche all'esplosione totale del razzo e, se pure esso si fosse rotto, la quantità di plutonio sarebbe stata così piccola da fare aumentare a malapena il livello di radioattività rispetto al fondo di radioattività naturale già presente nella zona. La questione venne messa a tacere dal lancio, che risultò perfetto.
È da notare che, in una missione precedente, un'unità RTG simile a quella della sonda Cassini uscì effettivamente intatta dall'esplosione del razzo che la conteneva. L'unità fu recuperata e le sue condizioni erano talmente buone da essere imbarcata in una missione successiva.
Alla fine degli undici anni nominali della missione, gli RTG saranno ancora in grado di produrre fra i 600 e i 700 Watt di potenza elettrica.
L'orbiter L'orbiter viene alimentato da tre generatori atomici, ed è la parte principale della sonda, quella, cioè, che è stata messa in orbita attorno a Saturno e che ha compiuto il viaggio dalla Terra.