Ti presentiamo Ingenuity: l'elicottero high-tech progettato per volare su Marte

Quando la NASA lancerà il rover Perseverance nel suo viaggio su Marte questa settimana, avrà un compagno nascosto accanto a sé nel Il cono del razzo Atlas V: un elicottero chiamato Ingenuity, che diventerà il primo velivolo ad ala rotante in assoluto a volare su un altro pianeta. Questo elicottero sperimentale in miniatura potrebbe aprire un campo completamente nuovo all'esplorazione di Marte mentre osserva il pianeta dall'alto.

Ma se pensi che sia difficile progettare un veicolo terrestre in grado di manovrare attorno a un pianeta a centinaia di milioni di miglia di distanza, immagina di provarci progettare un elicottero che possa volare in un’atmosfera così rarefatta da essere a malapena presente, a temperature gelide, durante la navigazione autonomamente.

Abbiamo parlato con un ingegnere capo e uno scienziato senior del progetto Ingenuity presso il Jet Propulsion Lab della NASA per scoprire come hanno fatto e come potrebbe essere il futuro dell’esplorazione di Marte.

Una sfida senza precedenti

Costruire un elicottero in grado di volare su un altro pianeta comporta numerose sfide, la più urgente delle quali è come far rimanere qualcosa in aria quando l'atmosfera è così sottile. L’atmosfera di Marte ha solo circa l’1% della densità dell’atmosfera terrestre, che equivale a trovarsi a un’altitudine di 100.000 piedi. Per dimostrare quanto ciò renda difficile il volo, il record di altitudine per il volo in elicottero sulla Terra è di poco superiore a 40.000 piedi.

Gli elicotteri funzionano spostando l'aria molto velocemente utilizzando pale rotanti, che spingono l'aria verso il basso e creano portanza. Ma su Marte, l’aria rarefatta offre pochissima portanza, anche se spostata dalle pale. Sebbene i progettisti abbiano tratto aiuto dal fatto che la gravità su Marte è inferiore, poco più di un terzo della forza di gravità su Marte Sulla Terra, c'era ancora il problema significativo di realizzare un'astronave in grado di sostenersi con solo un'atmosfera sottile per funzionare con.

“La soluzione a questo problema è la massa ridotta”, ha dichiarato a Digital Trends Josh Ravich, responsabile dell’ingegneria meccanica per Ingenuity, “che era la soluzione nel complesso la sfida più difficile dell’intera missione, mantenere bassa la massa.” L'intero elicottero doveva pesare meno di 4 libbre (1,8 chilogrammi) che ha richiesto l'utilizzo di materiali accuratamente selezionati, e il telaio principale è molto piccolo, essendo un cubo di 14 cm (5,5 pollici) in misura.

E il problema del peso pone limitazioni anche su altri aspetti dell’imbarcazione: “Dobbiamo trovare un equilibrio tra il come quanta energia puoi trasportare sotto forma di batterie per far funzionare il veicolo e quanto possono essere grandi le tue lame", Ravich disse. Le batterie sono necessarie poiché l'energia viene raccolta utilizzando un pannello solare sul tetto del veicolo che ne consente la ricarica autonoma.

Le pale dell’elicottero devono essere grandi – hanno un’apertura di poco meno di 4 piedi (1,2 metri) – per fornire una portanza sufficiente affinché il veicolo possa volare. Per realizzare pale sufficientemente grandi e sufficientemente leggere, il team ha utilizzato nuovi materiali tra cui compositi simili alla fibra di carbonio. Ci sono quattro pale in totale, disposte in due rotori, ciascuno dei quali gira fino a 2.400 giri al minuto, molto più velocemente della velocità di circa 500 giri al minuto tipica delle pale degli elicotteri sulla Terra.

Il problema del freddo

Un altro problema che necessitava di innovazioni nei materiali era il problema della temperatura superficiale, che di notte può scendere fino a meno 100 gradi Fahrenheit. Quando fa così freddo, i sistemi elettronici non funzionano in modo affidabile e il veicolo deve utilizzare energia preziosa per rimanere caldo. Quindi il team Ingenuity ha trovato una soluzione utilizzando sottili strati di isolamento attorno ai delicati componenti elettronici del veicolo.

"Normalmente si risolverebbe questo problema inserendo un sacco di isolamento spesso, tuttavia, l'isolamento è piuttosto pesante", ha detto Ravich. “Così abbiamo finito per utilizzare parte dell’atmosfera stessa, proprio come un’anatra o un’oca hanno uno strato isolante sotto le piume, usiamo il gas dell’atmosfera marziana. Se usi abbastanza coperte termiche sottili puoi ottenere un po’ di isolamento”.

Un ultimo problema complicato causato dal freddo è il problema di come i materiali smorzanti reagiscono alle basse temperature. "La maggior parte degli elicotteri sulla Terra sono dotati di ammortizzatori elastici fisici che sollevano il peso che entra nel mozzo centrale dell'elicottero", ha detto. Questi ammortizzatori assorbono le notevoli vibrazioni causate dalle pale rotanti a velocità molto elevate. "Ma questi non funzionano altrettanto bene alle temperature di Marte, quindi abbiamo dovuto fare molta progettazione per far sì che funzionasse come un sistema più rigido."

Un esploratore autonomo

Non è possibile far volare direttamente l’elicottero dalla Terra a causa del ritardo nelle comunicazioni di diversi minuti tra qui e Marte. Invece, Ingenuity sarà per lo più autonomo, utilizzando i suoi sensori per rilevare l’ambiente circostante e muoversi di conseguenza.

Per questo compito, utilizzerà strumenti di bordo tra cui una telecamera di navigazione, un altimetro laser e un pacchetto accelerometro giroscopio chiamato unità di misura inerziale (IMU). Usando questi strumenti, l'imbarcazione può capire dove è diretta e quanto è distante da terra. Può anche rilevare alcuni pericoli per evitare potenziali ostacoli sul suo cammino.

Ciò significa che i tecnici a terra danno al velivolo un piano di volo, e poi Ingenuity può eseguirlo, come ha spiegato Ravich: “Il modo in cui viene pilotato l’elicottero è che noi inserisci un piano di volo, fondamentalmente una traiettoria di volo, dicendo "gira le pale per questo tempo, vola qui, girati, vola qui"... e poi Ingenuity esegue quella sequenza si."

L'elicottero deve rimanere nel raggio di comunicazione con il rover, che è di circa un chilometro, e idealmente dovrebbe avere una linea di vista diretta. Ma oltre a ciò, Ingenuity può operare in modo indipendente e caricare, decollare e atterrare senza alcun supporto da parte del rover. Il piano prevede che l'elicottero affronti una sfida alla volta, per vedere quanto è capace di manovrare intorno al pianeta.

“Voleremo una serie di missioni sempre più complesse”, ha detto Ravich. “Nominalmente, la missione prevede da uno a tre voli, ma potrebbero essere fino a cinque voli a seconda di come vanno le cose… Ogni volo sarà un po’ più complesso. Nel primo ci alzeremo, resteremo librati, atterreremo. La seconda potrebbe essere alzarsi, girarsi, magari muoversi un po', poi tornare indietro e atterrare. Verso la fine, se le cose vanno bene, potrebbero decidere di sollevarsi, volare via da quella parte e trovare un nuovo punto di atterraggio e mantenerlo come prossima base operativa”.

Dimostrare il concetto

Ingenuity non è intesa come una missione scientifica, quindi non raccoglierà dati scientifici, anche se gli esperti sperano di poter utilizzare alcuni dei dati raccolti. Lo scopo della missione è dimostrare che è tecnologicamente fattibile far volare un velivolo su un altro pianeta e raccogliere dati ingegneristici per aiutare a progettare i futuri elicotteri su Marte.

Ciò significa che c’è un certo grado di flessibilità nel modo in cui l’imbarcazione può muoversi, poiché non è necessario che si muova verso una posizione esatta sulla superficie. Il velivolo rimarrà probabilmente a poche centinaia di metri dal rover Perseverance, quindi potrà posizionarsi rispetto a quello. "In una certa misura, non penso che sia importante quanto siamo precisi mentre voliamo: l'elicottero saprà esattamente dove pensa di essere", ha detto Ravich. "Da un livello più alto, non importa se è a 10 piedi da questa parte o 10 piedi da quella parte quando atterra, purché atterri in sicurezza."

Assistenza dall'aria

Se il concetto di Ingenuity funzionasse nella pratica come previsto, gli elicotteri potrebbero fornire un contributo inestimabile assistenza alle future missioni del rover, scattando immagini della superficie e rendendo l'esplorazione sempre più veloce accurato.

Matt Golombek, un veterano delle missioni scientifiche su Marte specializzato nella scelta dei siti di atterraggio su Marte e che è stato l'investigatore principale per la prima proposta per l'elicottero su Marte, ha spiegato a Digital Trends come gli elicotteri potrebbero essere utili per l'esplorazione futura operazioni.

Colmare il divario risolutivo

Uno dei compiti più preziosi che le future missioni in elicottero potrebbero svolgere sarebbe scattare foto ad alta risoluzione per colmare quello che è noto come “gap di risoluzione” delle immagini della superficie di Marte. Questo si riferisce alla “differenza tra le immagini a più alta risoluzione che abbiamo dall’orbita, che sono circa 25 centimetri (circa 10 pollici) per pixel e sono chiamate Immagini HiRISE, rispetto a quello che puoi vedere a terra nelle precedenti missioni rover, dove la nostra risoluzione è qualcosa di più vicino a 3 centimetri per pixel", ha detto Golombek. "Si tratta di un ordine di grandezza."

Sebbene le immagini ad alta definizione della superficie del pianeta scattate utilizzando lo strumento HiRISE siano incredibilmente dettagliate considerando che sono state catturate dall’orbita, non sono sufficientemente dettagliati per mostrare le caratteristiche strutturali del terreno come affioramenti o per identificare aree di interesse scientifico come rocce particolari per i rover visita. Quindi i rover devono esplorare l’area in cui atterrano per trovare rocce o altre caratteristiche scientificamente interessanti da indagare.

Un elicottero potrebbe essere utilizzato come ricognitore per le missioni rover, scattando immagini più dettagliate di quelle possibili dall’orbita. Queste immagini potrebbero essere utilizzate per identificare aree di particolare interesse scientifico, in modo che il team possa inviare il rover direttamente verso gli obiettivi più preziosi per la ricerca.

Espansione delle aree di copertura dei rover

Una cosa di cui potresti non renderti conto delle missioni del rover su Marte è quanto piccola sia l'area coperta da ciascun rover, poiché hanno una potenza limitata su cui operare e ogni mossa che fanno deve essere pianificata attentamente. Perseverance, ad esempio, coprirà tra 3 e 12 miglia (5 e 20 chilometri) durante la sua missione principale. E il rover più lontano del pianeta, Opportunity, ha coperto l’incredibile distanza di 28 miglia (45 chilometri) nel corso dei suoi 14 anni di vita. Per quanto impressionante sia per un rover che esplora un pianeta lontano, queste distanze rappresentano solo una frazione della superficie totale di Marte.

Ad esempio, un rover potrebbe impiegare settimane per percorrere un chilometro. Mentre Ingenuity potrebbe percorrere fino a un chilometro in soli 90 secondi, anche se il team non prevede di far volare l’elicottero a velocità così elevate durante la sua prima missione. Ma i futuri elicotteri potrebbero esplorare un’area molto più ampia del pianeta e le immagini catturate sarebbero preziose per inserire i risultati del rover in un contesto più ampio. Tali immagini aiuterebbero gli scienziati a comprendere la geologia globale del pianeta e a dire loro se le aree studiate dal rover sono rappresentative del più ampio ambiente marziano.

L’elicottero potrebbe anche contribuire ad ampliare l’area di indagine riducendo sostanzialmente il tempo impiegato dai rover per navigare sulla superficie. Attualmente, i percorsi di guida dei rover vengono determinati utilizzando le immagini alla massima risoluzione disponibili, ma queste immagini non sempre mostrano ostacoli o pericoli per cui gli automobilisti devono procedere lentamente e accuratamente.

"In genere, la distanza massima percorsa dai rover in un giorno è compresa tra 60 e 100 metri", ha detto Golombek. “Ma se avessi queste informazioni ad alta risoluzione, ti direbbero esattamente dove guidare in modo sicuro percorsi erano, potresti raddoppiarli o triplicarli facilmente, e quindi arrivare a destinazione molto più rapidamente.

Trovare un punto di atterraggio

Prima che un rover possa esplorare, però, deve atterrare. E anche il processo di selezione del sito di atterraggio potrebbe trarre vantaggio dal supporto aereo.

"La selezione del sito di atterraggio è una combinazione di caratterizzazione di quanto sia sicura la superficie per atterrare con il veicolo spaziale che hai progettato e costruito - ai lander non piace avere grandi rocce sotto di loro che potrebbero infilzarli o ribaltarli, i pendii ripidi generalmente non sono una buona cosa, e le aree molto morbide in cui potresti sprofondare sono scelte sbagliate, quindi c’è tutta una serie di ciò che chiamiamo vincoli ingegneristici “, Ha detto Golombek.

Questi vincoli ingegneristici sono complicati anche dalla sottile atmosfera di Marte, poiché rende più difficile per i veicoli rallentare utilizzando i paracadute mentre arrivano per l’atterraggio. Quindi il team deve considerare anche l’elevazione del sito di atterraggio, per garantire che il veicolo possa atterrare lì in sicurezza.

“E poi ci sono obiettivi scientifici, che si basano sul carico utile che stai trasportando e sul obiettivi scientifici della missione: le cose che vuoi imparare e scoprire su Marte", ha proseguito SU. "E devi soppesare tutti questi elementi insieme per trovare un posto [dove atterrare] che sia sicuro e anche scientificamente interessante per quella particolare missione."

Le persone che selezionano i siti di atterraggio, come Golombek, si affidano in gran parte alle immagini prese dall’orbita per capire quali siti soddisferanno questi criteri. E anche la più piccola deviazione da quanto previsto può causare problemi, come quelli sperimentati dal lander InSight atterrato su Marte nel 2018. Il team di InSight è riuscito a trovare un luogo adeguatamente pianeggiante e privo di rocce, e le loro previsioni sui materiali che compongono la superficie erano del tutto accurate. Tuttavia, il terreno sotto la superficie su cui si trova il lander si è rivelato leggermente diverso dal previsto, essendo stato compattato in un materiale più resistente chiamato duracrust. E questo ha causato molti problemi nel tentativo di farlo seppellire la sonda termica del lander sotto la superficie.

"C'è sempre ambiguità nei dati orbitali che usi per dedurre cosa c'è veramente in superficie", ha detto Golombek. “In generale, per la scelta del sito di atterraggio siamo stati molto bravi nel misurare e caratterizzare i vincoli ingegneristici: la roccia abbondanza e pendii, e così via, soprattutto perché le immagini HiRISE hanno una risoluzione sufficientemente alta per vedere grandi rocce e misurare piste. Ma siamo stati un po’ meno accurati nel comprendere quello che definirei l’ambiente geologico. Cioè, come è nata quell’area, quali sono state le principali forze geologiche che l’hanno modellata. È stato più difficile.

Poiché le immagini ottenute dall’orbita hanno una risoluzione limitata, è difficile vedere il tipo di dettagli necessari per identificare con maggiore precisione obiettivi di interesse scientifico, come particolari sedimentari rocce. Avere immagini a risoluzione molto più elevata come quelle che potrebbero essere catturate da un elicottero sarebbe prezioso scegliendo siti di atterraggio che fossero sicuri per i veicoli e massimizzassero le possibilità di ottenere importanti risultati scientifici risultati.

Gli elicotteri potrebbero persino trasportare diversi tipi di strumenti, come i radar a penetrazione terrestre, che potrebbero dire direttamente agli scienziati cosa si nasconde sotto la superficie marziana.

Imparentato:Radar di penetrazione del suolo per calcestruzzo

Caccia alla vita dall'alto

Tuttavia, gli elicotteri potrebbero essere utilizzati non solo per il supporto di altre missioni. Una macchina del genere potrebbe essere potenzialmente dotata di qualsiasi tipo di telecamera, come radar, infrarossi o strumenti di imaging termico in grado di rivelare la composizione e la mineralogia del suolo marziano.

Questo è importante poiché questi strumenti possono identificare alcuni minerali, come l’argilla, che si formano quando è presente l’acqua. Le aree con alte densità di questi minerali argillosi sono obiettivi chiave per la ricerca sulla loro presenza potrebbe essere stata una volta la vita su Marte.

Alcuni degli obiettivi più interessanti da ricercare per gli scienziati sono le scarpate, o ripide scogliere formate dall'erosione, perché rivelano gli strati di roccia che si sono depositati nel tempo. Guardare questi strati è come guardare indietro nella storia marziana. Tuttavia, poiché sono ripide e rocciose, queste aree sono difficili da esplorare per i rover che devono procedere con molta attenzione. Il rover Opportunity, ad esempio, ha trascorso un anno intero guidando con attenzione attorno al bordo di una di queste scarpate per immaginarlo, mentre “questo tipo di immagini avrebbero potuto essere acquisite in un paio di giorni da un elicottero”, Golombek disse.

Quando gli è stato chiesto se ci fosse un luogo particolare su Marte che gli sarebbe piaciuto esplorare personalmente con gli elicotteri, Golombek ha riso. "Ce ne sono centinaia... migliaia!" Egli ha detto. “La superficie di Marte è simile alla superficie esposta sopra l’acqua della Terra. Pensiamo alle differenze tra il Grand Canyon e l'Himalaya, tra le zone costiere e quelle interne. Ci sono così tanti posti diversi che potrebbero raccontarti cose interessanti.

Strumenti nella cassetta degli attrezzi marziana

Entrambi gli esperti concordano sul fatto che il futuro dell'esplorazione di Marte non è una questione né di elicotteri né di rover, ma piuttosto dell'utilizzo di entrambi secondo necessità per compiti diversi.

"Sono un ingegnere nel cuore, quindi per me sono tutti strumenti nella cassetta degli attrezzi", ha detto Ravich. “Per i corpi atmosferici come Marte, ci saranno forti ragioni per cui un veicolo aereo è la risposta per qualunque cosa tu voglia fare. Se vuoi scendere in un grande buco come un canyon, o se vuoi scalare una montagna, questa sarà la risposta migliore. Ma c’è sempre un limite a ciò che possiamo trasportare – ecco perché gli uccelli sono così leggeri e gli elefanti no – quindi sarai sempre in grado di fare più scienza e trasportare di più con un veicolo [terrestre]”.

La necessità di più tipi di veicoli diventa ancora più chiara quando entrano in gioco gli esseri umani, quando si pianificano future missioni con equipaggio su Marte. “Probabilmente avremo bisogno anche di entrambi”, ha detto Ravich. “Se guardi le persone oggi, interagiamo con veicoli terrestri e aerei, e non vedo che la situazione cambi”.

Raccomandazioni degli editori

• Un pendolarismo cosmologico: la complicata logistica per portare le persone su Marte
• Atmosfere artificiali: come costruiremo una base con aria respirabile su Marte
• 7 minuti di terrore: un'analisi della folle sequenza dell'atterraggio su Marte di Perseverance
• La polvere marziana è un grosso problema per gli astronauti. Ecco come la NASA lo combatte
• Come il Rover Perseverance della NASA cercherà la vita su Marte