Conozca el ingenio: el helicóptero de alta tecnología diseñado para volar en Marte

Cuando la NASA lance el rover Perseverance en su viaje a Marte esta semana, tendrá un compañero escondido a su lado en el El cono de la nariz del cohete Atlas V: un helicóptero llamado Ingenuity, que se convertirá en el primer helicóptero en volar sobre otro planeta. Este helicóptero experimental en miniatura podría abrir un campo completamente nuevo en la exploración de Marte mientras examina el planeta desde el aire.

Pero si cree que es difícil diseñar un vehículo terrestre capaz de maniobrar alrededor de un planeta a cientos de millones de kilómetros de distancia, imagínese intentarlo. diseñar un helicóptero que pueda volar en una atmósfera tan delgada que apenas está allí, a temperaturas bajo cero, mientras navega de forma autónoma.

Hablamos con un ingeniero principal y un científico senior del proyecto Ingenuity en el Jet Propulsion Lab de la NASA para descubrir cómo lo hicieron y cómo podría ser el futuro de la exploración de Marte.

Un desafío sin precedentes

Construir un helicóptero que pueda volar en otro planeta plantea numerosos desafíos, el más apremiante de los cuales es cómo hacer que algo permanezca en el aire cuando la atmósfera es tan delgada. La atmósfera de Marte tiene sólo alrededor del 1% de la densidad de la atmósfera de la Tierra, lo que equivale a estar a una altitud de 100.000 pies. Para demostrar lo difícil que esto hace el vuelo, el récord de altitud para un vuelo en helicóptero en la Tierra es de poco más de 40.000 pies.

Los helicópteros funcionan moviendo el aire muy rápido mediante palas giratorias, que empujan el aire hacia abajo y crean sustentación. Pero en Marte, el aire enrarecido ofrece muy poca sustentación, incluso cuando se mueve con aspas. Aunque los diseñadores obtuvieron cierta ayuda del hecho de que la gravedad es menor en Marte, con poco más de un tercio de la fuerza de gravedad en Marte. Tierra, todavía existía el importante problema de fabricar una nave que pudiera sostenerse con sólo una fina atmósfera para funcionar. con.

"La solución a ese problema es la baja masa", dijo a Digital Trends Josh Ravich, líder de ingeniería mecánica de Ingenuity, "que fue la En general, el desafío más difícil de toda la misión es mantener la masa baja”. Todo el helicóptero debía pesar menos de 4 libras (1,8 kilogramos) lo que requirió el uso de materiales cuidadosamente seleccionados, y el chasis principal es muy pequeño, siendo un cubo de 14 cm (5,5 pulgadas) en tamaño.

Y la cuestión del peso también impone limitaciones a otros aspectos de la nave: "Tenemos que equilibrar entre cómo "Cuánta energía puedes transportar en forma de baterías para hacer funcionar el vehículo y qué tan grandes pueden ser tus palas", dijo Ravich. dicho. Las baterías son necesarias ya que la energía se recoge mediante un panel solar situado en la parte superior del vehículo que le permite cargarse de forma autónoma.

Las aspas del helicóptero deben ser grandes (tienen una envergadura de poco menos de 4 pies (1,2 metros)) para proporcionar suficiente sustentación para que el vehículo vuele. Para fabricar palas que fueran lo suficientemente grandes y livianas, el equipo utilizó nuevos materiales, incluidos compuestos similares a la fibra de carbono. Hay cuatro palas en total, dispuestas en dos rotores, cada uno de los cuales gira a hasta 2.400 rpm, mucho más rápido que la velocidad de aproximadamente 500 rpm típica de las palas de los helicópteros en la Tierra.

El problema del frio

Otro tema que requirió innovaciones materiales fue el problema de la temperatura de la superficie, que puede descender hasta -100 grados Fahrenheit por la noche. Cuando hace tanto frío, los sistemas electrónicos no funcionan de manera confiable y el vehículo necesita usar una energía preciosa para mantenerse caliente. Entonces, al equipo de Ingenuity se le ocurrió una solución utilizando finas capas de aislamiento alrededor de los delicados componentes electrónicos del vehículo.

"Normalmente, esto se solucionaría poniendo mucho aislamiento grueso, sin embargo, el aislamiento es bastante pesado", dijo Ravich. “Así que terminamos usando parte de la atmósfera misma, al igual que un pato o un ganso tendrían una capa aislante debajo de sus plumas, usamos el gas de la atmósfera marciana. Si utilizas suficientes mantas térmicas finas, puedes conseguir un poco de aislamiento”.

Un último problema complicado causado por el frío es el problema de cómo reaccionan los materiales humectantes a las bajas temperaturas. "La mayoría de los helicópteros en la Tierra tienen amortiguadores elásticos físicos que levantan el peso que llega al centro del helicóptero", dijo. Estos amortiguadores absorben las considerables vibraciones provocadas por las palas que giran a muy altas velocidades. "Pero no funcionan tan bien a las temperaturas de Marte, por lo que tuvimos que diseñar mucho para que funcionara como un sistema más rígido".

Un explorador autónomo

No es posible volar el helicóptero directamente desde la Tierra debido al retraso de varios minutos en las comunicaciones entre aquí y Marte. En cambio, Ingenuity será mayoritariamente autónomo, utilizará sus sensores para detectar el entorno que lo rodea y se moverá en consecuencia.

Para esta tarea, utilizará instrumentos a bordo que incluyen una cámara de navegación, un altímetro láser y un paquete de giroscopio acelerómetro llamado unidad de medida inercial (IMU). Con estas herramientas, la nave puede determinar hacia dónde se dirige y a qué distancia está del suelo. Incluso puede detectar algunos peligros para evitar posibles obstáculos en su camino.

Eso significa que los técnicos en tierra le dan a la nave un plan de vuelo, y luego Ingenuity puede ejecutarlo, como explicó Ravich: “La forma en que vuela el helicóptero es que nosotros ingrese un plan de vuelo, básicamente una ruta de vuelo, que diga "haga girar las palas durante este tiempo, vuele hasta aquí, dé la vuelta, vuele hacia aquí"... y luego Ingenuity hace esa secuencia al sí mismo."

El helicóptero debe permanecer dentro del alcance de comunicación con el rover, que es de aproximadamente un kilómetro, e idealmente debería tener una línea de visión directa. Pero más allá de eso, Ingenuity puede operar de forma independiente y cargar, despegar y aterrizar sin ningún apoyo del rover. El plan es que el helicóptero afronte un desafío a la vez, para ver qué tan capaz es de maniobrar alrededor del planeta.

"Volaremos en una serie de misiones cada vez más complejas", dijo Ravich. “Nominalmente, la misión es de uno a tres vuelos, pero podrían ser hasta cinco vuelos dependiendo de cómo vayan las cosas... Cada vuelo será un poco más complejo. El primero, nos levantaremos, flotaremos y aterrizaremos. La segunda podría ser levantarse, dar la vuelta, tal vez moverse un poco, luego regresar y aterrizar. Hacia el final, si las cosas van bien, podrían decidir levantarse, volar en esa dirección y encontrar un nuevo lugar de aterrizaje y mantenerlo como la próxima base de operaciones”.

Demostrando el concepto

Ingenuity no pretende ser una misión científica, por lo que no recopilará datos científicos, aunque los expertos esperan poder utilizar algunos de los datos que recopila. El objetivo de la misión es demostrar que es tecnológicamente viable volar un helicóptero en otro planeta y recopilar datos de ingeniería para ayudar a diseñar futuros helicópteros en Marte.

Eso significa que existe cierto grado de flexibilidad en la forma en que la nave puede moverse, ya que no es necesario maniobrar hasta una ubicación exacta en la superficie. Es probable que la nave permanezca a unos cientos de metros del rover Perseverance, por lo que puede posicionarse en relación con él. "Hasta cierto punto, no creo que importe demasiado cuán precisos seamos mientras volamos: el helicóptero sabrá exactamente dónde cree que está", dijo Ravich. "Desde un nivel superior, no importa demasiado si está a 10 pies de aquí o 10 pies de allá cuando aterrice, siempre y cuando aterrice de forma segura".

Asistencia desde el aire

Si el concepto Ingenuity funciona en la práctica como se prevé, los helicópteros podrían proporcionar una valiosa ayuda. Asistencia a futuras misiones de rover, tomando imágenes de la superficie y haciendo que la exploración sea más rápida y sencilla. preciso.

Matt Golombek, un veterano de misiones científicas a Marte que se especializa en elegir lugares de aterrizaje en Marte y que fue el investigador principal. para la primera propuesta para el helicóptero de Marte, explicó a Digital Trends cómo los helicópteros podrían ser beneficiosos para la exploración futura operaciones.

Llenando la brecha de resolución

Una de las tareas más valiosas que podrían realizar las futuras misiones de helicópteros sería tomar fotografías de alta resolución para llenar lo que se conoce como la "brecha de resolución" de las imágenes de la superficie de Marte. Esto se refiere a “la diferencia entre las imágenes de mayor resolución que tenemos desde la órbita, que son de unos 25 centímetros (unas 10 pulgadas) por píxel y se llaman Imágenes HiRISE, a diferencia de lo que se puede ver en tierra en misiones anteriores del rover, donde nuestra resolución es algo más cercana a los 3 centímetros por píxel”, dijo Golombek. "Eso es aproximadamente un orden de magnitud".

Aunque las imágenes de alta definición de la superficie del planeta tomadas con el instrumento HiRISE son increíblemente detalladas considerando que fueron capturadas desde órbita, no son lo suficientemente detallados como para mostrar características estructurales de la tierra, como afloramientos, o para identificar áreas de interés científico, como rocas particulares, para que los exploradores las exploren. visita. Por lo tanto, los rovers tienen que explorar alrededor del área en la que aterrizan para encontrar rocas u otras características que sean científicamente interesantes de investigar.

Se podría utilizar un helicóptero como explorador para misiones de rover, tomando imágenes más detalladas que las posibles desde la órbita. Estas imágenes podrían usarse para identificar áreas de particular interés científico, de modo que el equipo pudiera enviar el rover directamente a los objetivos más valiosos para la investigación.

Ampliando las áreas de cobertura de los rovers

Una cosa de la que quizás no te des cuenta acerca de las misiones de los rovers a Marte es lo pequeña que es el área que cubre cada rover, ya que tienen una potencia limitada para operar y cada movimiento que hacen debe planificarse cuidadosamente. El Perseverance, por ejemplo, recorrerá entre 5 y 20 kilómetros (3 y 12 millas) durante su misión principal. Y el rover de mayor alcance del planeta, Opportunity, recorrió unos increíbles 45 kilómetros (28 millas) durante su vida útil de 14 años. Por muy impresionante que sea para un rover que explora un planeta distante, estas distancias representan solo una fracción de la superficie total de Marte.

Un rover podría tardar semanas en recorrer un kilómetro, por ejemplo. Mientras que Ingenuity podría viajar hasta un kilómetro en solo 90 segundos, aunque el equipo no planea hacer funcionar el helicóptero a velocidades tan rápidas en su primera misión. Pero los helicópteros futuros podrían explorar un área mucho más grande del planeta, y las imágenes que capturaran serían invaluables para poner los hallazgos del rover en un contexto más amplio. Estas imágenes ayudarían a los científicos a comprender la geología global del planeta y les dirían si las áreas estudiadas por el rover son representativas del entorno marciano en general.

El helicóptero también podría ayudar a ampliar el área de investigación al reducir sustancialmente la cantidad de tiempo que tardan los rovers en navegar por la superficie. Actualmente, las rutas de conducción de los rovers se determinan utilizando las imágenes de mayor resolución disponibles, pero Estas imágenes no siempre muestran obstáculos o peligros, por lo que los conductores tienen que navegar despacio y con cuidado.

"Normalmente, la distancia máxima que los rovers recorren en un día es de 60 a 100 metros", dijo Golombek. "Pero si tuvieras esta información de alta resolución, te diría específicamente dónde está la unidad segura". Si los caminos fueran, podrías duplicar o triplicar esa cifra fácilmente y así llegar a tu destino mucho más rápido”.

Encontrar un lugar de aterrizaje

Sin embargo, antes de que un rover pueda explorar, debe aterrizar. Y el proceso de selección de un lugar de aterrizaje también podría beneficiarse del apoyo aéreo.

“La selección del lugar de aterrizaje es una combinación de caracterizar qué tan segura es la superficie para aterrizar con la nave espacial que usted ha diseñado y construido. A los aterrizadores no les gusta tener grandes rocas debajo que puedan atravesarlos o volcarlos, las pendientes pronunciadas generalmente no son buenas y Las áreas que son muy difusas y en las que uno podría hundirse son malas elecciones, por lo que existe todo un conjunto de lo que llamamos restricciones de ingeniería”. dijo Golombek.

Estas limitaciones de ingeniería también se ven complicadas por la delgada atmósfera de Marte, ya que esto dificulta que los vehículos reduzcan la velocidad usando paracaídas cuando se acercan para aterrizar. Por lo tanto, el equipo también debe considerar la elevación del lugar de aterrizaje para garantizar que el vehículo pueda aterrizar allí de manera segura.

“Y luego tienes objetivos científicos, que se basan en la carga útil que llevas y el objetivos científicos de la misión: las cosas que quieres aprender y descubrir sobre Marte”, dijo. en. "Y hay que sopesarlos todos juntos para encontrar un lugar [para aterrizar] que sea seguro y también científicamente interesante para esa misión en particular".

Las personas que seleccionan los lugares de aterrizaje, como Golombek, se basan en gran medida en imágenes tomadas desde la órbita para determinar qué sitios cumplirán estos criterios. Y la más mínima desviación de lo esperado puede causar problemas, como los que experimentó el módulo de aterrizaje InSight que aterrizó en Marte en 2018. El equipo de InSight logró encontrar un lugar apropiadamente plano y libre de rocas, y sus predicciones sobre los materiales que componen la superficie fueron completamente precisas. Sin embargo, el suelo debajo de la superficie donde se encuentra el módulo de aterrizaje resultó ser ligeramente diferente de lo esperado, habiendo sido compactado en un material más resistente llamado duracrust. Y esto ha causado muchos problemas al intentar enterrar la sonda térmica del módulo de aterrizaje debajo de la superficie.

"Siempre hay ambigüedad en los datos orbitales que se utilizan para inferir lo que realmente hay en la superficie", dijo Golombek. “En general, para la selección del lugar de aterrizaje hemos sido muy buenos midiendo y caracterizando las limitaciones de ingeniería: la roca abundancia y las pendientes, etc., principalmente porque las imágenes HiRISE tienen una resolución lo suficientemente alta como para ver rocas grandes y medir pendientes. Pero hemos sido un poco menos precisos a la hora de comprender lo que yo llamaría el entorno geológico. Es decir, cómo surgió esa zona, cuáles fueron las principales fuerzas geológicas que la moldearon. Eso ha sido más difícil”.

Como las imágenes obtenidas desde la órbita tienen una resolución limitada, es difícil ver el tipo de detalles. que son necesarios para identificar con mayor precisión objetivos de interés científico, como sedimentos particulares rocas. Tener imágenes con una resolución mucho mayor, como las que podrían capturarse con un helicóptero, sería de un valor incalculable para elegir sitios de aterrizaje que fueran seguros para los vehículos y maximizaran las posibilidades de realizar importantes avances científicos. recomendaciones.

Los helicópteros podrían incluso llevar diferentes tipos de instrumentos, como un radar de penetración terrestre, que podría informar a los científicos directamente sobre lo que se esconde debajo de la superficie marciana.

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Buscando vida desde arriba

Sin embargo, los helicópteros podrían usarse para algo más que apoyo a otras misiones. Una máquina de este tipo podría equiparse con cualquier tipo de cámara, como radar, infrarrojos o instrumentos de imágenes térmicas, que puedan revelar la composición y mineralogía del suelo marciano.

Esto es importante ya que estas herramientas pueden identificar ciertos minerales, como la arcilla, que se forman cuando hay agua presente. Las áreas con altas densidades de estos minerales arcillosos son objetivos clave para la investigación sobre si existen alguna vez pudo haber habido vida en Marte.

Algunos de los objetivos más interesantes para la investigación de los científicos son los escarpes, o acantilados escarpados formados por la erosión, porque revelan las capas de roca que se fueron depositando a lo largo del tiempo. Mirar estas capas es como mirar hacia atrás en la historia marciana. Sin embargo, debido a que son empinadas y rocosas, estas áreas son difíciles de explorar para los rovers y deben proceder con mucho cuidado. El rover Opportunity, por ejemplo, pasó un año entero conduciendo con cuidado alrededor del borde de uno de esos acantilados. para fotografiarlo, mientras que "ese tipo de imágenes podrían haber sido tomadas en un par de días por un helicóptero", dijo Golombek. dicho.

Cuando se le preguntó si había algún lugar particular en Marte que personalmente le gustaría explorar con helicópteros, Golombek se rió. "¡Hay cientos, miles!" él dijo. “La superficie de Marte es similar a la superficie expuesta sobre el agua de la Tierra. Pensemos en las diferencias entre el Gran Cañón y el Himalaya, entre las zonas costeras y las del interior. Hay tantos lugares diferentes que te dirán cosas interesantes”.

Herramientas en la caja de herramientas marciana

Ambos expertos coincidieron en que el futuro de la exploración de Marte no es una cuestión de helicópteros ni de rovers, sino de utilizar ambos según sea necesario para diferentes tareas.

"Soy un ingeniero de corazón, así que para mí, todas son herramientas en la caja de herramientas", dijo Ravich. “Para cuerpos atmosféricos como Marte, habrá argumentos sólidos para afirmar que un vehículo aéreo es la respuesta para cualquier cosa que quieras hacer. Si quieres bajar a un gran agujero como un cañón, o si quieres escalar una montaña, esa será la mejor respuesta. Pero siempre hay un límite en lo que podemos transportar (es por eso que las aves son tan livianas y los elefantes no), por lo que siempre podrás hacer más ciencia y transportar más con un vehículo [terrestre]”.

La necesidad de múltiples tipos de vehículos se vuelve aún más clara cuando los humanos entran en escena, al planificar futuras misiones tripuladas a Marte. "Probablemente también necesitaremos ambos", dijo Ravich. "Si nos fijamos en las personas de hoy, interactuamos con vehículos terrestres y aéreos, y no veo que eso cambie".

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