Dragonfly besutan Laboratorium Fisika Terapan
Universitas Johns Hopkins (JHU-APL) dipilih oleh NASA untuk misi ke Titan pada
tahun 2020-an.
 |
| Ilustrasi quad octocopter Dragonfly yang dirancang oleh JHU-APL. Kredit gambar: JHU APL |
Pada bulan Desember, NASA telah mengumumkan
dua konsep finalis misi robotik yang akan diluncurkan pada pertengahan tahun 2020-an.
Pertama adalah Comet Astrobiology
Exploration Sample Return (CAESAR) yang akan mengirim pesawat antariksa untuk mengumpulkan sampel nukleus komet dan membawanya kembali ke Bumi.
Sementara finalis kedua adalah misi Dragonfly besutan Laboratorium Fisika
Terapan Universitas Johns Hopkins (JHU-APL), wahana antariksa quad octocopter
yang akan menjelajahi Titan, bulan terbesar Saturnus.
Dalam konsep utama misi, Dragonfly adalah
rover udara yang bisa
menjangkau banyak wilayah di Titan.
Misi Dragonfly dianggap berisiko, karena kita
juga kerap menyaksikan banyak drone canggih yang jatuh, rusak gagal mendarat atau
mengalami kesalahan teknis. Mengirim robot terbang (drone) yang sepenuhnya
otonom ke dunia asing yang terletak lebih dari satu miliar kilometer dan berharap agar
drone tetap bisa beroperasi selama beberapa tahun tanpa campur tangan manusia, terdengar sangat ambisius.
Jadi, IEEE
Spectrum mengunjungi APL untuk melihat apa yang sedang mereka kerjakan.
Titan dianggap sebagai tempat paling menarik di
tata surya untuk dikunjungi, karena dalam beberapa hal memiliki kemiripan dengan
Bumi. Suhu di permukaan sangat dingin, rata-rata 94 derajat Kelvin. Atmosfernya
tebal (empat kali lebih tebal daripada Bumi), komposisi utama terdiri dari nitrogen
dan metana. Gaya gravitasi Titan hanya 1/7 gravitasi Bumi. Tapi yang paling menarik
dari Titan adalah siklus metana seperti siklus air Bumi. Metana cair membentuk
danau dan sungai, awan dan hujan, termasuk senyawa organik yang menobatkan Titan sebagai tempat terbaik untuk mencari bentuk kehidupan sangat primitif
(dan sangat aneh).
Misi pesawat antariksa Cassini NASA ke planet Saturnus juga memuat probe kecil Huygens, yang dikerahkan ke permukaan Titan pada
bulan Januari 2005. Misi utama Huygens adalah untuk mengukur kondisi atmosfer. Huygens berhasil mendarat di permukaan Titan selama lebih dari satu jam
dan mengirim gambar permukaan Titan.
Mempertimbangkan bagaimana permukaan Titan
dapat dieksplorasi, karakteristik eksotis Titan memberikan lebih banyak pilihan
kreatif daripada planet seperti Mars. Secara khusus, rendahnya gaya gravitasi dan
tingginya kepadatan atmosfer, adalah dua faktor kunci yang menopang operasi penerbangan di Titan dan memungkinakn Dragonfly untuk mengunjungi
lebih banyak tempat dengan lebih cepat daripada pendarat stasioner atau rover
(penjelajah darat).
Di masa lalu, NASA telah mempertimbangkan wahana
seperti helikopter, balon udara dan pesawat terbang, tetapi selama satu dekade
terakhir, pesawat tanpa awak multirotor telah menjadi standar untuk penerbangan
robotik otonom andal yang dapat bermanuver. Menurut APL, Titan sebenarnya
adalah “tempat termudah di tata surya untuk menerbangkan quadcopter.”
 |
| Gambar permukaan Titan yang diabadikan oleh probe Huygens. Kredit gambar: ESA/NASA/JPL/Universitas Arizona |
“Quad octocopter” seberat 300 kilogram adalah
desain utama Dragonfly, yang dipersenjatai dengan motor dan penggandaan jumlah baling-baling.
Sebenarnya, octocopter konvensional dengan delapan baling-baling terpisah akan
lebih efisien. Tapi, Dragonfly harus ditempatkan di dalam hypersonic aeroshell terlebih dahulu untuk diterbangkan ke Titan. Quad
octocopter juga tidak terlalu banyak memakan ruang, berarti tetap bisa mempertahankan
jumlah redundansi secara efisien.
Alasan mengapa ukurannya relatif cukup besar, karena memang Dragonfly harus membawa
sumber dayanya sendiri. Jarak Titan cukup jauh dari Matahari sehingga tenaga
surya tidak bisa digunakan, jadi Dragonfly mengandalkan jenis sistem sumber
daya sebagaimana yang digunakan oleh rover Curiosity di Mars, yaitu radioisotope thermoelectric generator (RTG)
pengubah panas dari plutonium-238 menjadi listrik. RTG dapat beroperasi selama
beberapa dekade dan sangat efektif diterapkan untuk misi antariksa karena “limbah”
panas yang dihasilkan juga dapat dimanfaatkan untuk menjaga instrumen tetap
hangat.
Dengan begitu, RTG tak sekadar menghasilkan
daya untuk menjaga Dragonfly tetap mengudara, namun RTG akan terus mengisi
baterai. Sistem otonom Dragonfly selanjutnya akan secara otomatis menghemat energi untuk penerbangan, termasuk mengirim data ke Bumi atau melakukan eksperimen sains. Satu hari di Titan berlalu selama 16 hari Bumi, siang dan
malam adalah delapan hari Bumi, jadi saat gelap, Dragonfly akan memiliki cukup banyak
waktu untuk melakukan pengisian ulang baterai.
Berbeda dengan rover Mars yang menghabiskan
banyak waktu dengan terus bergerak, Dragonfly justru akan menghabiskan sebagian
besar waktunya dengan diam untuk melakukan eksperimen, mentransmisikan
data dan mengisi daya. Dragonfly lebih tepat disebut sebuah “relocatable lander” dan bukan pesawat
terbang yang terus mengudara.
Muatan instrumen sains mencakup spektrometer
massa, sinar gamma dan spektrometer neutron, perangkat geofisika dan
meteorologi, serta instrumen kamera canggih. Pengebor di penopang roda pendarat
Dragonfly akan mengumpulkan sampel permukaan dan antena pemancar yang bisa
dilipat berarti Dragonfly tidak membutuhkan pengorbit untuk transmisi data.
 |
| Ilustrasi pendaratan pertama Dragonfly di Titan. Kredit: JHU-APL |
Meskipun bisa melakukan uji coba sains berharga
di permukaan Titan dengan aman, inti misi Dragonfly adalah bisa terbang. Hanya
dalam waktu satu jam, Dragonfly mampu menempuh perjalanan lebih jauh daripada yang
bisa dilakukan sebuah rover Mars dalam satu dekade. Semuanya itu bisa dilakukan
dengan aman, tanpa risiko yang berarti.
Selama durasi misi satu atau dua tahun,
Dragonfly akan mengeksplorasi sejumlah besar permukaan Titan secara terperinci.
Tidak seperti wahana antariksa selama ini yang harus didaratkan dengan parasut untuk
mencapai permukaan, Dragonfly akan terbang sendiri dan akan memindai medan sebelum
memilih lokasi pendaratan teraman. Area pendaratan pertama kemungkinan berada
di bukit pasir luas yang berdasarkan citra radar cenderung datar.
Dari titik pendaratan awal, Dragonfly dapat
melakukan perjalanan udara singkat untuk menjelajahi permukaan dari udara.
Bagian yang sangat menarik dari misi adalah ketika Dragonfly mendarat di
tempat-tempat penelitian baru.
Berikut konsep APL untuk meminimalisir risiko
misi Dragonfly:
- Zona pendaratan kedua (B) diidentifikasi dengan analisis pencitraan pada jarak setidaknya sepertiga jarak antara zona pendaratan A ke B.
- Dragonfly memindai zona pendaratan B untuk mengetahui medan, mengambil gambar dan kembali ke lokasi pendaratan pertama (A). Analisis berdasarkan data sensor akan mengkonfirmasi lokasi-lokasi aman di zona B, atau jika tidak ada lokasi yang dianggap aman, maka Dragonfly akan mengulangi langkah 1.
- Kandidat zona pendaratan ketiga (C) diidentifikasi dengan analisis pencitraan pada jarak setidaknya duapertiga jarak antara zona pendaratan A ke C.
- Dragonfly memindai zona pendaratan C tapi mendarat di zona pendaratan B.
Dengan cara ini, Dragonfly tak perlu mendarat
di lokasi yang tingkat risikonya belum dianalisis. Meskipun membutuhkan waktu lama, pendekatan konservatif seperti
ini memungkinkan Dragonfly untuk
menganalisis medan berat yang mungkin terkait dengan target ilmiah menarik
(misalnya fitur cryovolcanic atau lelehan
lapisan dampak tempat air cair diperkirakan pernah berinteraksi dengan unsur organik
Titan).
 |
| Ilustrasi yang menunjukkan jalur penerbangan Dragonfly untuk mencari lokasi pendaratan baru. Kredit gambar: JHU APL |
Jangkauan maksimum Dragonfly sekitar 60
kilometer, didukung baterai yang mampu menerbangkannya selama dua jam dengan
kecepatan optimal sekitar 10 meter per detik. Selain penerbangan jarak jauh,
Dragonfly juga bisa bergerak beberapa meter dengan cara “menyeret” permukaan, sekaligus untuk memperbaiki posisi sensor. Dengan begitu
banyaknya aktivitas sains yang mampu dilakukan Dragonfly, faktor mobilitas membuatnya begitu kompetitif dibandingkan rover tradisonal.
IEEE Spectrum juga
mewawancarai Ralph Lorenz, desainer dan ilmuwan misi Dragonfly dari APL.
IEEE Spectrum: “Seperti apa kondisi terbang
di Titan (relatif terhadap Bumi) dan bagaimana tercermin dalam desain Dragonfly? Seperti apa perbedaan pengoperasian rotorcraft di Bumi dan Titan?”
Ralph Lorenz: “Atmosfer Titan empat kali
lebih padat daripada atmosfer kita dan gravitasinya tujuh kali lebih kecil. Kedua faktor ini justru sangat memudahkan penerbangan. Sebenarnya desain aerodinamis
Dragonfly tidak jauh berbeda dari “quadcopter
taxi” yang telah diuji coba di Bumi, tetapi gaya untuk motor jauh lebih
sedikit untuk Dragonfly karena kedua faktor ini. Atmosfer yang lebih padat,
berarti kami harus memilih bagian sayap yang sedikit berbeda untuk rotor
(seperti yang digunakan pada turbin angin). [Dalam hal penerbangan] pada
dasarnya akan terlihat sama [seperti di Bumi], kecuali segala sesuatu akan
terlihat bergerak lebih lambat karena gaya gravitasi yang lebih rendah.”
“Bagaimana Dragonfly lepas landas, melakukan
navigasi dan mendarat secara otonom? Jenis sensor apa yang akan digunakan?”
“Kita tidak bisa membahas terlalu mendetail tentang
hal ini, tetapi lidar (light radar) dan
radar telah diterapkan pada drone terestrial dan pendarat misi antarplanet.
Pada tahap pertama, para ilmuwan akan memandu Dragonfly untuk menuju lokasi
tertentu dan mereka harus menemukan tempat datar di area yang dituju. Dragonfly
selalu bisa terbang kembali ke tempat pendaratan pertama yang lebih aman.”
“Bisakah Anda menggambarkan eksperimen
perangkat keras dan bagaimana mengujinya di Bumi?”
“Kami menggunakan uji coba model secara
menyeluruh dan memvalidasi dinamika model numerik dengan itu.”
“Kemajuan teknologi seperti apa yang
meyakinkan Anda bahwa Dragonfly bisa diandalkan?”
“Revolusi drone.”
 |
| Replika Dragonfly, sekitar separuh ukuran Dragonfly yang sebenarnya, sedang menjalani uji coba penerbangan di Penn State. |
Karena Dragonfly masih terus dikembangkan
secara aktif dan kompetitif, Lorenz tidak bisa menjawab semua pertanyaan
kami sedetail mungkin. Misalnya, ketika kami sangat ingin tahu mengapa Dragonfly
menggunakan desain rotor terbuka. Mengingat misi ini beresiko tinggi dan
beberapa risiko sebenarnya masih bisa diminimalisir. Jika Dragonfly memiliki beberapa
fitur perlindungan serupa dengan jenis-jenis drone yang dipelopori EPFL dan
Flyability, sepertinya akan membantu Dragonfly untuk mendarat dengan aman.
Tim misi Dragonfly mungkin yakin dengan
metode mereka, tetapi misi ke Titan menelan biaya sekitar satu miliar dolar dengan durasi misi puluhan tahun. Bukan paranoid, karena
memang sebagian besar misi yang digelar NASA agak ‘gila’. Mengirim rover
seukuran Volkswagen untuk menjelajah Mars dan mereka berhasil melakukannya.
NASA telah memilih misi Dragonfly. Jika
semuanya berjalan sesuai rencana, Dragonfly akan meluncur sebelum akhir tahun 2025,
dan akan tiba di Titan pertengahan tahun 2030-an.
Ditulis oleh: Evan Ackerman, spectrum.ieee.org
Komentar
Posting Komentar