Vi ska segla i metan på Titan

Oceanis procellarum, Stormarnas ocean; Mare crisium, Farornas hav; Mare tranquillitatis; Stillhetens hav; Mare imbrium, Regnens hav.

Så heter några av de mörka fläckarna på vår månes yta. Vi kallar dem månhav. Med lite fantasi kanske man kan se sig segla i månhaven. Men i själva verket finns det inget flytande vatten på månen – månhaven är mörka torra lavafält.

Det är extremt ovanligt med större mängder flytande vätska på ytan av en planet eller måne i hela vårt solsystem. Vid sidan av vår egen planet, jorden, med sina stora vattenmängder finns det bara en himlakropp till, med sjöar och floder. Det är Saturnus måne Titan. På Titan skvalpar dock inga vattenvågor – sjöarna är fyllda med kolvätena metan och etan.

Eftersom Titan är den enda himlakroppen i vårt solsystem med flytande vätska på ytan är det bara där som vi skulle kunna segla. Kommer vi någonsin att göra det och – i så fall – varför?

I första hand skulle expeditioner till Titan antagligen vara i forskningssyfte. Redan nu utforskar vi Mars med robotbilar, och på Titan kanske robotbåtar skulle vara lämpliga. En stor fördel med segling är att det är en form av transport som inte kräver tillförd energi. Forskningen om autonoma, självstyrande fordon på jorden går snabbt framåt, och självstyrande båtar på Titan vore en enorm fördel, eftersom det tar drygt en timme för att meddelanden med ljusets hastighet ska nå fram, vilket gör fjärrstyrning mycket knepig. Det är förstås tänkbart att Titan kommer att koloniseras i framtiden, och onekligen är segelbåtar bemannande med människor en spännande tanke. Förutom för transport kanske segling till och med blir ett nöje eller en sport där i framtiden.

Varför finns då flytande vätska bara på jordens och Titans yta? Det som gör Titan unik är att förutsättningarna där är de rätta för en relativt tjock atmosfär. Det krävs atmosfär med visst minsta gastryck för att ett ämne ska hålla sig flytande på ytan och inte gå direkt från fast form till gas. Atmosfärstrycket på Titan är högre än på jorden och består till absolut största delen av kvävgas.

Däremot har vår grannplanet Mars så tunn atmosfär att flytande vatten inte längre kan förekomma på dess yta. En anledning är att Mars är mindre än jorden och gravitationskraften är för svag för att hjälpa till att hålla atmosfären på plats. Mars har heller inget magnetfält som skyddar atmosfären mot solvinden på det sätt som jordens magnetfält skyddar vår atmosfär. Följaktligen blåser solvinden, som består av elektriskt laddade partiklar, bort atmosfären på Mars.

Både Jupiter och Saturnus har mer än 60 månar var. Flera av dessa är mycket spännande världar i olika storlekar och med olika ytor. Några är till och med större än planeten Merkurius.

Medan planeterna går runt solen, rör sig en måne runt en planet, även om planeter och månar kan vara lika stora. Titan är solsystemets näst största måne. Den är dock mindre än Mars till både storlek och massa. Hur kommer det sig då att Titan inte har förlorat sin atmosfär medan Mars har det? Anledningen är att det är mycket kallare långt ute vid Saturnus än vid Mars, och därmed är hastigheterna hos molekylerna i atmosfärsgasen inte lika höga. Gravitationen har lättare att hålla kvar en gas som rör sig långsammare än en som rör sig snabbt. Titan skyddas också mot solvinden av Saturnus magnetfält.

Redan på 1980-talet började spekulationerna, grundade på data från Voyager-sonderna, om att det möjligen kunde finnas sjöar på Titan. När rymdsonden Cassini kom fram till Saturnus år 2004 var förhoppningen att sjöarna snabbt skulle kunna bekräftas. Men det dröjde ytterligare tre år innan man var säker på att sjöarna faktiskt existerar.

I dag vet vi att Titans största sjö, Kraken Mare, har en yta på cirka 400 000 kvadratkilometer och ett djup på cirka 160 meter. Till ytan är den alltså cirka 70 gånger större än Vänern! Med flera sjöar av olika storlek och djup och även ett antal floder, visar Titan upp ett mycket spännande landskap. Enligt mätningarna är sjöarna i stort sett platta och vindstyrkorna låga, medan teoretiska modeller av klimatets utveckling på Titan visar att det kan blåsa kraftigt, med till och med starka orkanvindar.

Det tar Saturnus cirka 29 år att gå ett varv runt solen. Det innebär att årstiderna blir cirka sju år långa. När Cassini-sonden kom fram var det vinter på Titans norra halvklot, och nu, tolv år senare, närmar sig sommarsolståndet. Det innebär att vi ännu inte har kunnat studera hur vädret varierar under ett helt Titan-år. Därför är det osäkert hur allmängiltiga väderobservationerna är.

Hur är då möjligheterna för segling på Titan? Hur skulle seglingen där skilja sig från vad vi är vana vid på jorden? Går det att segla där över huvud taget, och hur skulle båtarna behöva se ut?

För att avgöra om det ens är möjligt att segla måste vi diskutera seglingstermer som flytläge, stabilitet, strömningsmotstånd och segelkrafter. Dessa termer påverkas i sin tur av gravitationen, vätskans och atmosfärens densitet och viskositet, vindstyrkan och båtens konstruktion.

Vi börjar med att titta på båtens flytläge, det vill säga hur djupt båten ligger i vätskan. När båten flyter råder det jämvikt mellan båtens tyngd och tyngden av den undanträngda vätskan. Båtens tyngd beror på båtens massa och på gravitationen. Tyngden av den undanträngda vätskan beror på båtens så kallade deplacement, den volym av båten som är under ytan, samt på vätskans densitet och gravitationen. Gravitationen påverkar alltså båtens tyngd och tyngden hos det undanträngda vattnet lika mycket, så den spelar ingen roll för flytläget. Densiteten i Titans metansjöar uppskattas till cirka hälften av vattnets densitet, vilket innebär att båten ligger dubbelt så djupt i metan på Titan som den ligger i vattnet på jorden. För att en båt ska flyta på Titan måste den alltså tränga undan dubbelt så mycket vätska som en båt här på jorden. Ett annat sätt att se det är att dubbelt så stor volym av båten är nedsänkt på Titan som på jorden.

Båtens stabilitet beror på gravitationen, och eftersom gravitationen på Titan bara är en sjundedel av jordens måste båtens konstruktion ändras. En möjlig kompensation för den låga gravitationen är att göra båten bredare.

Båtens stabilitet, eller rätande moment, är högre ju tyngre båten är och ju större den rätande hävarmen är. Med en båt som är sju gånger lättare än på jorden måste den rätande hävarmen ökas sju gånger för att båten ska bli lika stabil. Detta går att uppnå om båten är 2,6 gånger bredare (roten ur 7) än en segelbåt på jorden. Fast då blir båtens deplacement för stort. Om vi bara fördubblar bredden för att få rätt deplacement så blir stabiliteten drygt hälften (fyra sjundedelar) av den på jorden. Båten kommer alltså att kränga mer vid en given segelkraft.

Skrovets motstånd har två huvudkomponenter: friktionsmotstånd och vågbildningsmotstånd. Om vi börjar med friktionsmotståndet så är detta avhängigt av det så kallade Reynolds-talet. Dessutom är det proportionellt mot båtens våta yta, vätskans densitet och farten i kvadrat. Reynolds tal är i sin tur beroende av vätskans viskositet. Det är ingen stor skillnad på viskositeten mellan vatten och blandningen av metan och etan, så Reynolds tal kan anses oförändrat. Båtens våta yta ökar däremot, eftersom båten skulle bli dubbelt så bred för att få rätt deplacement. Vätskans densitet är cirka hälften av vattnets. Båtens ökade våta yta i kombination med vätskans lägre densitet leder sammantaget till att friktionsmotståndet blir något mindre, men ungefär detsamma som på jorden.

Vågbildningsmotståndet beror på det så kallade Froudes tal. Detta tal ökar vid lägre gravitation. Froudes tal blir därmed cirka 2,6 (roten ur 7) gånger större på Titan än på jorden vid samma fart, eftersom gravitationsaccelerationen är sju gånger lägre där än på jorden.

Skrovets motstånd, om båten är konstruerad som de flesta segelbåtar, kommer därför att tillåta en maxfart som är 2,6 gånger lägre än på jorden. Dessutom kommer båten på Titan att ge upphov till högre vågor än på jorden. Hur stor roll som vågbildningsmotståndet spelar beror på farten. Vid låga farter är detta försumbart, men man kommer snabbt upp i farter där vågbildningsmotståndet är helt dominerande över friktionsmotståndet.

Hur ligger det då till med segelkrafterna? Både den drivande kraften och den krängande kraften beror på farkostens segelyta, atmosfärens densitet och vindstyrkan. Fortfarande kan vi inte med stor säkerhet bedöma medelvindstyrkan på Titan, men den verkar vara runt 3 meter i sekunden, vilket är cirka hälften av jordens 6,6 sekundmeter.

Det finns dock tecken på att Titan på ytan kan ha mycket starkare vindar, och vissa teoretiska modeller visar att även orkaner kan uppkomma. Medelvindstyrkan är alltså cirka hälften av jordens och segelkrafterna beror på vindstyrkan i kvadrat, vilket gör att de blir cirka en fjärdedel av jordens. Å andra sidan är luftens densitet på jorden nästan fyra gånger högre än på Titan, vilket intressant nog innebär att dessa saker tar ut varandra och segelkrafterna blir desamma som på jorden.

Vid jämvikt krävs att seglets sidkraft balanseras av sidkraften från undervattenskroppen, det vill säga skrov, köl och roder. Några av Titans sjöar är antagligen ganska grunda, vilket begränsar möjligheten att använda köl, men i de flesta fall är djupet inget problem. Där djupgåendet är problematiskt kan ett centerbord, som går att justera i höjdled, användas i stället.

För att summera, bör en segelbåt på Titan sålunda vara minst dubbelt så bred som en båt på jorden. Båten kommer att kränga mer och segla långsammare. Men slutsatsen är att det är fullt möjligt att segla i metanhaven på Titan, trots de stora skillnaderna mellan Titan och jorden.

Hur får vi då våra segelbåtar till Titan och vad skall de vara gjorda av? Egenskaper hos material är ofta temperaturberoende. Saturnus, och därmed Titan, ligger nästan tio gånger längre bort från solen än jorden gör. Så det är kallt där och medeltemperaturen på runt –180 grader Celsius kan vara en utmaning vad gäller materialvalet. Dessutom bör materialet vara lätt, eftersom en av de största kostnaderna vid rymdfart är att lyfta något från jordens yta.

När lasten väl har skjutits upp väntar en lång resa till Saturnus. Det självklara valet av rymdfarkost som ska färdas mellan jorden och Saturnus borde förstås vara en solseglare. En sådan drivs av ljuspartiklarna, fotonerna, från solen som överför rörelsemängd till ett stort, blankt segel. Ju längre bort från solen desto lägre är solstrålningen; vid Saturnus är den bara en hundradel av den vid jorden. Förutom att trycket mot seglet minskar, så innebär det att ett av seglarens främsta kännetecken – solglasögonen – blir onödiga.

Om forskarna som skrivit artikeln:

Christian Finnsgård (t.v.) är teknologie doktor verksam inom marinteknik, med ett förflutet som landslagsseglare och världsmästare i Starbåt. Maria Sundin är docent i teoretisk fysik vid Göteborgs universitet och forskar inom astrofysik och hästsport. Lars Larsson är professor i hydrodynamik vid Chalmers tekniska högskola och har ingått i designteam i samband med satsningar på America’s cup. Han är dessutom trefaldig svensk mästare i Nordisk folkbåt. Alla tre är verksamma inom Chalmers satsning på Sport & teknologi, där Christian Finnsgård är projektledare.

Ensam utforskare

I Januari 2005 landade sonden Huygens på Titan, efter att ha lossat från moderskeppet Cassini. Landningsplatsen var varken hård eller mjuk – som snö frusen på ytan.