Incontra i robot pionieri che ci permetteranno di colonizzare Marte

Dall'imminente della NASA Missione dalla Luna a Marte agli ambiziosi piani di Elon Musk utilizzare un'astronave SpaceX per colonizzare eventualmente Marte, la corsa per popolare il Pianeta Rosso è già iniziata. Ma prima che gli esseri umani possano visitare Marte e installarvi qualsiasi tipo di base a lungo termine, dobbiamo inviare esploratori per vedere la conformazione del terreno e prepararlo per le missioni con equipaggio.

I pionieri della meccanica che invieremo su Marte nei prossimi anni seguiranno le tracce di esploratori come il Rover Curiosity e il Lander di intuizione, ma la prossima generazione di robotica marziana utilizzerà un’intelligenza artificiale sofisticata, nuovi metodi di propulsione e piccoli satelliti flessibili per affrontare le sfide della colonizzazione di un nuovo mondo.

Progettare per l'ambiente di Marte

Esistono notevoli difficoltà nella costruzione di macchine in grado di resistere all'ambiente marziano. Innanzitutto c’è il freddo, con temperature che si aggirano intorno ai meno 80 gradi Fahrenheit e scendono fino a meno 190 gradi Fahrenheit ai poli. Poi c’è l’atmosfera sottile, che ha solo l’1% della densità dell’atmosfera terrestre. E poi c’è la fastidiosa polvere che viene sollevata durante qualsiasi operazione sulla superficie del pianeta, per non parlare dell’intensa radiazione dei raggi solari.

Queste condizioni ambientali creano problemi alla robotica, dalle variazioni di temperatura che causano i meccanismi alla robotica espandersi e contrarsi e quindi usurarsi nel tempo, fino a far penetrare polvere negli ingranaggi impedendone l'uso lubrificazione.

"È un ambiente davvero unico ed estremo, anche per la robotica spaziale", ha affermato Al Tadros, vicepresidente dello spazio Infrastrutture e spazio civile presso Maxar Technologies, che è la società che costruisce i bracci robotici I rover su Marte della NASA. I bracci robotici di Maxar devono essere in grado non solo di sopravvivere in questo ambiente ostile, ma anche di svolgere compiti come lo scavo e la perforazione che consentono indagini scientifiche.

Un'altra considerazione sono i limiti di peso. Quando una parte deve essere consegnata su Marte tramite un razzo, ogni singolo grammo deve essere considerato e contabilizzato e ciò richiede un'attenta selezione dei materiali. "Molto di ciò che facciamo utilizza diversi tipi di alluminio", ha spiegato Tadros. “Utilizziamo anche il titanio e in alcuni casi la fibra di carbonio, a seconda dell’applicazione”. Altri trucchi per risparmiare peso includono svuotarne alcuni sezioni che non devono essere strutturalmente robuste, come la lunghezza di un braccio robotico che potrebbe essere realizzato con un composito a matrice a nido d'ape tubi.

Lasciare che i robot esplorino da soli

Quando un rover sarà stato portato sulla superficie di Marte, potrà iniziare l'esplorazione. Tuttavia, a causa della distanza dalla Terra, non è possibile per gli ingegneri controllare direttamente i rover. Invece, i robot hanno un certo grado di autonomia nelle loro esplorazioni, con la NASA che esercita il comando di supervisione.

"Possono dire al rover di andare cinque metri in questa direzione", dice Tadros come esempio. Se si verifica un problema nell'esecuzione del comando, il rover si fermerà e attenderà ulteriori istruzioni. “È piuttosto rudimentale in questo senso. Ma in futuro il desiderio è quello di avere autonomia a bordo in modo che il rover riconosca “Oh, mi hanno detto di andare cinque metri, ma qui c’è un masso”. Farò il giro in questa direzione perché so che il terreno è aperto.’”

Con una mappa e una conoscenza locale, i rover saranno in grado di eseguire la navigazione autonoma. Alla fine saranno anche in grado di svolgere attività scientifiche in modo autonomo, quindi gli scienziati dovranno solo specificare un comando come “trova questo tipo di roccia” e il rover potrà localizzare e analizzare un campione. Questo tipo di autonomia è già in programma come parte della prossima missione lunare della NASA Rover VIPER, ha detto Tadros. “Effettuerà una rapida prospezione, osservando e caratterizzando la regolite e le rocce per cercare ghiaccio e altri materiali”.

Con la robotica come VIPER e il Marscopter con il lancio nell'ambito del progetto Mars 2020, possiamo aspettarci che le macchine ricogniscano ed esplorino Marte, scoprire le risorse locali e i pericoli che aiuteranno o impediranno la sopravvivenza degli esseri umani sul pianeta pianeta.

Costruire un sistema di posizionamento su Marte

Sapere dove gli esseri umani possono sbarcare in sicurezza su Marte e dove possono reperire le risorse di cui hanno bisogno è il primo passo verso la colonizzazione. Ma la vera differenza tra una visita e un soggiorno a lungo termine su un altro pianeta è una questione di infrastrutture. Dall’acqua alle comunicazioni fino alla costruzione di habitat, dovremo trovare un modo per fornire le necessità di base della vita in modo sostenibile.

Un metodo per creare le prime infrastrutture è attraverso l'uso di piccoli satelliti, o piccoli satelliti. “Se stai pensando di colonizzare Marte, il punto in cui entrano in gioco i piccoli satelliti è creare l’infrastruttura per la colonia”, ha affermato Brad King, amministratore delegato di Orbion, una società che crea sistemi di propulsione più efficienti smallsats. “Abbiamo bisogno di reti di comunicazione su Marte, sia tra due punti su Marte che da Marte alla Terra. Sulla Terra, abbiamo risolto molti di questi problemi con i satelliti in orbita attorno al nostro pianeta”.

Gli Smallsat potrebbero svolgere funzioni simili su Marte, creando un equivalente marziano del GPS: potremmo chiamarlo Mars Positioning System. Possono anche esplorare la superficie del pianeta, preparando l'area per l'arrivo degli umani.

Andare da A a B

Il problema è portare i satelliti dalla Terra a Marte in modo conveniente. Tradizionalmente, le imbarcazioni vengono spostate nello spazio tramite propulsione chimica, ovvero bruciando carburante per creare spinta. Questo è un ottimo modo per creare grandi quantità di spinta, come la spinta necessaria affinché un razzo lasci l’atmosfera terrestre e raggiunga lo spazio. Ma richiede un’enorme quantità di carburante, a tal punto che la maggior parte dei razzi moderni è semplicemente il serbatoio del carburante.

Un’alternativa più economica per spostarsi nello spazio è la propulsione elettrica, che utilizza l’energia solare per sparare una sostanza inerte come lo xeno dalla parte posteriore dell’astronave. Questo metodo è altamente efficiente in termini di consumo di carburante e consente di percorrere lunghe distanze con pochissimo carburante. Lo svantaggio è che questo metodo di propulsione ha una spinta bassa, quindi impiega più tempo per arrivare a destinazione. L’invio di un veicolo dalla Terra a Marte utilizzando la propulsione elettrica potrebbe richiedere una manciata di anni, rispetto alla propulsione chimica con la quale il viaggio durerebbe dai sei ai nove mesi.

Tuttavia, il principio non si applica solo alle piccole imbarcazioni senza pilota. Un netto vantaggio della propulsione elettrica è che si espande in modo molto efficiente: “La tecnologia di propulsione elettrica funziona meglio quanto più diventa grande”, ha affermato King. “In linea di principio, non c’è nulla che limiti l’incremento della propulsione elettrica verso missioni molto grandi e con equipaggio. Inizi a incontrare ostacoli economici perché stai costruendo un velivolo delle dimensioni di Battlestar Galactica per arrivarci.

La propulsione elettrica è stata utilizzata in progetti come la navicella Hayabusa dell’Agenzia spaziale giapponese, che ha recentemente visitato il lontano asteroide Ryugu. E ci sono più piani per imbarcazioni a propulsione elettrica nei progetti futuri, come il elemento di potenza e propulsione (PPE) della stazione Lunar Gateway della NASA che utilizza la propulsione elettrica solare e sarà tre volte più potente delle capacità attuali.

In autobus

Il lancio e l’atterraggio sui pianeti richiederanno comunque la propulsione chimica, ma il viaggio intermedio potrebbe essere reso molto più efficiente. King suggerisce che un veicolo non propulsivo per l'equipaggio o un veicolo cargo potrebbe essere messo in un'orbita ciclistica che oltrepassi la Terra e Marte. "Quindi puoi essenzialmente inviare oggetti e 'prendere l'autobus' su Marte, senza richiedere propulsione", ha spiegato. Un sistema simile è già stato utilizzato per la Telescopio spaziale Keplero, che ha utilizzato pochissimo carburante dopo il suo lancio in un'orbita eliocentrica che trascina la Terra.

Naturalmente, andare dalla Terra a Marte è solo una parte del viaggio. Una volta che un velivolo arriva su Marte, deve rallentare ed entrare in orbita. Per rallentare un velivolo, ci sono in genere due metodi: utilizzare i propulsori inversi che richiedono carburante e l'aerofrenata. Quest’ultimo è il luogo in cui un velivolo si immerge nell’atmosfera esterna di Marte, utilizzando la resistenza aerodinamica per ridurre l’energia del veicolo abbastanza da poter entrare in orbita quando esce dall’atmosfera.

Il concetto di propulsione elettrica è stato un po’ marginale negli ultimi decenni, ma con questi nuovi progetti è diventato mainstream. “Ora viene applicato su larga scala – è come la transizione del trasporto aereo da aerei ad elica ad aerei a reazione”, ha detto King.

Sensori e intelligenza artificiale

Quindi possiamo inviare robot per esplorare la superficie e satelliti per creare infrastrutture. Potremmo persino spostare enormi costruzioni come gli habitat attraverso lo spazio utilizzando una quantità minima di carburante attraverso la propulsione elettrica. Ma le sfide della colonizzazione di Marte non si verificano solo quando gli esseri umani occupano effettivamente un habitat sul pianeta. Una questione importante è come mantenere gli habitat e le strutture per i lunghi periodi durante i quali non saranno occupati. I progetti pianificati come la stazione Lunar Gateway della NASA, ad esempio, saranno probabilmente occupati solo da 20 a 30 persone per cento delle volte, e possiamo aspettarci tassi di occupazione simili o addirittura inferiori per il potenziale Marte habitat.

Gli habitat fuori dal pianeta devono essere in grado di monitorarsi e sistemarsi, soprattutto quando l’essere umano più vicino è a milioni di chilometri di distanza. E per questo è necessaria l’intelligenza artificiale.

Un sistema recentemente lanciato sulla Stazione Spaziale Internazionale potrebbe fornire la base per il monitoraggio dell’habitat dell’IA. Quello di Bosch Sistema SoundSee è costituito da un carico utile contenente 20 microfoni, una fotocamera e un sensore ambientale per la registrazione di temperatura, umidità e pressione. Questi sensori raccolgono dati sull'ambiente, in particolare informazioni acustiche, che possono essere utilizzate per segnalare problemi.

"Se immaginiamo che ci sia una perdita nella stazione, non solo ci sarebbero toni ultrasonici, ma anche una perdita di pressione", ha spiegato il ricercatore Bosch Jonathan Macoskey. "Se vediamo sia una perdita di pressione che un tono ultrasonico e altri fattori, questo è un modo concreto per identificare un problema."

Naturalmente, una perdita nella ISS sarebbe clamorosa, ovvia e drammatica. Ma molti guasti alle macchine, soprattutto in ambienti non presidiati, sono dovuti a un graduale degrado nel tempo. L’intelligenza artificiale può essere utilizzata per percepire queste cose, ha affermato Samarjit Das, ricercatore principale di SoundSee, senza aggiungere altro più o migliori sensori, ma piuttosto utilizzando i dati dei sensori in modo più efficiente per cercare informazioni sottili modelli.

“Le macchine non si guastano immediatamente, da buone a cattive”, ha detto Das. “C’è un progressivo logoramento nel tempo. Pensa a un sistema che potresti voler monitorare nella ISS come un tapis roulant. Gli ingranaggi all'interno si degradano lentamente nel tempo man mano che vengono utilizzati. Noi come esseri umani non possiamo sentire qualcosa che non va, ma quando lo traduci in dati nel tempo, l’intelligenza artificiale può individuare quei sottili cambiamenti che deviano dalla norma”.

Tuttavia, non immaginare navi e habitat futuri controllati interamente dall’intelligenza artificiale, o peggio ancora da un’intelligenza artificiale rocciosa come l’HAL del 2001. “I sensori e l’intelligenza artificiale non sostituiranno completamente gli esseri umani e non automatizzeranno tutto”, ha affermato Das. “L’intelligenza artificiale è una linea di difesa.” Macoskey concorda: “Consideriamo l’intelligenza artificiale come uno strumento che consente cose nuove nello stesso modo in cui il microscopio ha consentito agli esseri umani di osservare gli organismi microscopici”.

Colonizzare Marte è possibile

Con tutte queste difficoltà ambientali e logistiche, potrebbe sembrare che inviare esseri umani su Marte sia un azzardo, per non parlare di stabilire qualsiasi tipo di base permanente o semipermanente lì. Sebbene si tratti di sfide serie, esistono soluzioni sotto forma di intelligenza artificiale, robotica e metodi di propulsione che vengono ora testati per essere utilizzati in futuri progetti spaziali.

"Credo che colonizzare Marte non sia una questione tecnologica, ma una questione economica", ha detto King. “Se avessimo le risorse da spendere, sapremmo cosa bisogna costruire e sappiamo come costruirlo. Ma la quantità di dollari o euro necessari per farlo è scoraggiante”.

Con finanziamenti sufficienti, abbiamo le conoscenze per iniziare a creare sistemi di comunicazione, consentire i trasporti e costruire habitat su Marte. King è fiducioso che ciò potrebbe accadere anche nel corso della nostra vita: “Date risorse illimitate, potremmo creare questa infrastruttura in un decennio”.

Raccomandazioni degli editori

• Questo straordinario robot mutaforma potrebbe un giorno andare su Marte
• Scopri il robot lanciatore rivoluzionario che può imitare perfettamente qualsiasi lancio umano
• La mappa dell'acqua di Marte potrebbe aiutare a scegliere le posizioni per le missioni future
• La NASA vuole il tuo aiuto per risolvere un eterno mistero di Marte
• Tocco finale: come gli scienziati stanno dando ai robot sensi tattili simili a quelli umani