Conheça o Ingenuity: o helicóptero de alta tecnologia projetado para voar em Marte

Quando a NASA lançar o rover Perseverance em sua viagem a Marte esta semana, ele terá um companheiro aninhado ao lado dele no Cone do nariz do foguete Atlas V: um helicóptero chamado Ingenuity, que se tornará o primeiro helicóptero a voar em outro planeta. Este helicóptero experimental em miniatura poderá abrir um novo campo de exploração de Marte à medida que examina o planeta a partir do ar.

Mas se você acha que é difícil projetar um veículo terrestre para manobrar em torno de um planeta a centenas de milhões de quilômetros de distância, imagine tentar projetar um helicóptero que possa voar em uma atmosfera tão rarefeita que mal existe, em temperaturas congelantes, durante a navegação autonomamente.

Conversamos com um engenheiro-chefe e um cientista sênior do projeto Ingenuity no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA para descobrir como eles fizeram isso e como poderá ser o futuro da exploração de Marte.

Um desafio sem precedentes

Construir um helicóptero que possa voar em outro planeta traz inúmeros desafios, o mais urgente deles é como fazer algo permanecer no ar quando a atmosfera é tão rarefeita. A atmosfera de Marte tem apenas cerca de 1% da densidade da atmosfera da Terra, o que equivale a estar a uma altitude de 100.000 pés. Para demonstrar o quão difícil isso torna o voo, o recorde de altitude para voos de helicóptero na Terra é de pouco mais de 40.000 pés.

Os helicópteros funcionam movendo o ar muito rapidamente usando pás rotativas, que empurram o ar para baixo e criam sustentação. Mas em Marte, o ar rarefeito oferece muito pouca sustentação, mesmo quando movido por pás. Embora os projetistas tenham recebido alguma ajuda do fato de a gravidade ser menor em Marte, pouco mais de um terço da força da gravidade em Marte, Terra, ainda havia o problema significativo de fazer uma nave que pudesse se sustentar com apenas uma fina atmosfera para trabalhar com.

“A solução para esse problema é a baixa massa”, disse Josh Ravich, líder de engenharia mecânica da Ingenuity, à Digital Trends, “que foi o o desafio geral mais difícil de toda a missão, manter a massa baixa.” O helicóptero inteiro precisava pesar menos de 4 libras (1,8 quilogramas) que exigiam o uso de materiais cuidadosamente selecionados, e o chassi principal é muito pequeno, sendo um cubo de 14 cm (5,5 polegadas) no tamanho.

E a questão do peso também colocou limitações em outros aspectos da embarcação: “Temos que equilibrar entre como quanta energia você pode carregar na forma de baterias para operar o veículo e quão grandes podem ser suas pás”, Ravich disse. As baterias são necessárias porque a energia é coletada por meio de um painel solar na parte superior do veículo, que permite carregá-lo de forma autônoma.

As hélices do helicóptero precisam ser grandes – têm uma envergadura de pouco menos de 1,2 metros – para fornecer sustentação suficiente para o veículo voar. Para fazer lâminas grandes e leves o suficiente, a equipe usou novos materiais, incluindo compósitos semelhantes à fibra de carbono. São quatro pás no total, dispostas em dois rotores, cada um girando a até 2.400 rpm, muito mais rápido do que a velocidade de aproximadamente 500 rpm típica das pás dos helicópteros na Terra.

O problema do frio

Outra questão que precisava de inovações materiais era o problema da temperatura da superfície, que pode cair até 100 graus Fahrenheit negativos à noite. Quando está tão frio, os sistemas eletrónicos não funcionam de forma fiável e o veículo precisa de utilizar uma energia preciosa para se manter aquecido. Assim, a equipe do Ingenuity encontrou uma solução usando finas camadas de isolamento ao redor dos delicados componentes eletrônicos do veículo.

“Normalmente você resolveria isso colocando muito isolamento espesso ali, no entanto, o isolamento é bastante pesado”, disse Ravich. “Então acabamos usando um pouco da própria atmosfera, assim como um pato ou um ganso teriam uma camada de isolamento sob as penas, usamos o gás da atmosfera marciana. Se você usar cobertores térmicos finos o suficiente, poderá obter um pouco de isolamento.”

Um último problema complicador causado pelo frio é o problema de como os materiais de amortecimento reagem a baixas temperaturas. “A maioria dos helicópteros na Terra possui amortecedores elásticos físicos que levantam o peso que chega ao centro do helicóptero”, disse ele. Estes amortecedores absorvem as vibrações consideráveis ​​causadas pela rotação das pás a velocidades muito elevadas. “Mas estes não funcionam tão bem nas temperaturas de Marte, por isso tivemos que fazer muitos projetos para que funcionassem como um sistema mais rígido.”

Um explorador autônomo

Não é possível pilotar o helicóptero diretamente da Terra devido ao atraso de vários minutos nas comunicações entre aqui e Marte. Em vez disso, o Ingenuity será principalmente autônomo, usando seus sensores para detectar o ambiente ao seu redor e se mover de acordo.

Para esta tarefa, ele usará instrumentos de bordo, incluindo uma câmera de navegação, um altímetro a laser e um pacote de giroscópio acelerômetro denominado unidade de medição inercial (IMU). Usando essas ferramentas, a nave pode descobrir para onde está indo e a que distância está do solo. Ele pode até fazer alguma detecção de perigo para evitar possíveis obstáculos em seu caminho.

Isso significa que os técnicos no terreno fornecem à nave um plano de voo, e então o Ingenuity pode executá-lo, como explicou Ravich: “A forma como o helicóptero voa é que nós insira um plano de vôo, basicamente uma trajetória de vôo, dizendo 'gire as hélices por tanto tempo, voe até aqui, vire-se, voe até aqui'... e então o Ingenuity faz essa sequência em si."

O helicóptero precisa permanecer dentro do alcance de comunicação com o rover, que é de aproximadamente um quilômetro, e idealmente deve ter uma linha de visão direta. Mas, além disso, o Ingenuity pode operar de forma independente e carregar, decolar e pousar sem qualquer apoio do rover. O plano é que o helicóptero enfrente um desafio de cada vez, para ver até que ponto é capaz de manobrar ao redor do planeta.

“Faremos uma série de missões cada vez mais complexas”, disse Ravich. “Nominalmente, a missão é de um a três voos, mas pode ser de até cinco voos dependendo de como as coisas vão… Cada voo será um pouco mais complexo. O primeiro, vamos subir, pairar e pousar. O segundo pode subir, virar, talvez se mover um pouco, depois voltar e pousar. No final, se as coisas estiverem indo bem, eles podem decidir se levantar, voar naquela direção e encontrar um novo local de pouso e mantê-lo como a próxima base de operações.”

Provando o conceito

O Ingenuity não se destina a ser uma missão científica, por isso não irá recolher dados científicos – embora os especialistas esperem poder fazer uso de alguns dos dados que recolhe. O objetivo da missão é demonstrar que é tecnologicamente viável pilotar um helicóptero em outro planeta e coletar dados de engenharia para ajudar a projetar futuros helicópteros para Marte.

Isso significa que há algum grau de flexibilidade na forma como a nave pode se mover, já que não há necessidade de manobrar para um local exato na superfície. A nave provavelmente ficará a algumas centenas de metros do rover Perseverance, para que possa se posicionar em relação a isso. “Até certo ponto, não acho que importe muito o quão precisos somos enquanto voamos – o helicóptero saberá exatamente onde pensa que está”, disse Ravich. “De um nível mais alto, não importa muito se ele está a 3 metros para cá ou 3 metros para aquele quando pousa – contanto que pouse com segurança.”

Assistência aérea

Se o conceito Ingenuity funcionar na prática conforme previsto, os helicópteros poderão fornecer informações inestimáveis assistência a futuras missões de rover, tirando imagens da superfície e tornando a exploração mais rápida e eficiente preciso.

Matt Golombek, um veterano em missões científicas a Marte, especializado na escolha de locais de pouso em Marte e que foi o investigador principal para a primeira proposta para o helicóptero de Marte, explicou à Digital Trends como os helicópteros poderiam ser benéficos para a exploração futura operações.

Preenchendo a lacuna de resolução

Uma das tarefas mais valiosas que futuras missões de helicóptero poderiam realizar seria tirar fotos de alta resolução para preencher o que é conhecido como “lacuna de resolução” das imagens da superfície de Marte. Isso se refere à “diferença entre as imagens de maior resolução que temos da órbita, que têm cerca de 25 centímetros (cerca de 10 polegadas) por pixel e são chamadas Imagens HiRISE, em comparação com o que você pode ver no solo em missões anteriores do rover, onde nossa resolução é algo próximo de 3 centímetros por pixel”, disse Golombek. “Isso é uma ordem de magnitude.”

Embora as imagens de alta definição da superfície do planeta obtidas com o instrumento HiRISE sejam incrivelmente detalhadas considerando que são capturadas em órbita, elas não são detalhados o suficiente para mostrar características estruturais da terra, como afloramentos, ou para identificar áreas de interesse científico, como rochas específicas para os rovers observarem. Visita. Portanto, os rovers precisam explorar a área em que pousam para encontrar rochas ou outras características que sejam cientificamente interessantes para investigar.

Um helicóptero poderia ser usado como batedor em missões de rover, obtendo imagens mais detalhadas do que as possíveis em órbita. Estas imagens poderiam ser utilizadas na identificação de áreas de particular interesse científico, para que a equipa pudesse enviar o rover directamente para os alvos mais valiosos para investigação.

Expandindo as áreas de cobertura dos rovers

Uma coisa que você pode não perceber sobre as missões do rover em Marte é o quão pequena é a área que cada rover cobre, já que eles têm poder limitado para operar e cada movimento que fazem precisa ser cuidadosamente planejado. O Perseverance, por exemplo, percorrerá entre 5 e 20 quilômetros (3 e 12 milhas) em sua missão principal. E o rover de maior alcance do planeta, o Opportunity, percorreu incríveis 45 quilómetros ao longo dos seus 14 anos de vida. Por mais impressionante que isto seja para um rover que explora um planeta distante, estas distâncias representam apenas uma fração da área total da superfície de Marte.

Um rover pode levar semanas para percorrer um quilômetro, por exemplo. Considerando que o Ingenuity poderia viajar até um quilômetro em apenas 90 segundos, embora a equipe não planeje operar o helicóptero em velocidades tão rápidas em sua primeira missão. Mas os futuros helicópteros poderiam explorar uma área muito maior do planeta, e as imagens que captassem seriam inestimáveis ​​para colocar as descobertas do rover num contexto mais amplo. Tais imagens ajudariam os cientistas a compreender a geologia global do planeta e a dizer-lhes se as áreas estudadas pelo rover são representativas do ambiente marciano mais vasto.

O helicóptero também poderia ajudar a ampliar a área de investigação, reduzindo substancialmente o tempo que os veículos espaciais levam para navegar pela superfície. Atualmente, as rotas de condução do rover são determinadas usando imagens de alta resolução disponíveis, mas essas imagens nem sempre mostram obstáculos ou perigos, fazendo com que os motoristas tenham que navegar devagar e com cuidado.

“Normalmente, o máximo que os veículos espaciais percorrem em um dia é de 60 a 100 metros”, disse Golombek. “Mas se você tivesse essas informações de alta resolução, elas lhe diriam especificamente onde a unidade segura Se os caminhos fossem, você poderia dobrar ou triplicar isso facilmente e, assim, chegar ao seu destino muito mais rapidamente.”

Encontrando um local de pouso

Antes que um rover possa explorar, porém, ele precisa pousar. E o processo de seleção de um local de pouso também poderia se beneficiar do apoio aéreo.

“A seleção do local de pouso é uma combinação de caracterizar o quão segura é a superfície para pousar com a espaçonave que você projetou e construiu – os pousadores não gostam de ter pedras grandes embaixo deles que possam empalá-los ou derrubá-los, encostas íngremes geralmente não são uma coisa boa e áreas muito fofas nas quais você pode afundar são más escolhas – então há todo um conjunto do que chamamos de restrições de engenharia”, — disse Golombek.

Estas restrições de engenharia também são complicadas pela fina atmosfera de Marte, pois isso torna mais difícil para os veículos desacelerarem usando pára-quedas quando chegam para pousar. Portanto, a equipe também precisa considerar a elevação do local de pouso, para garantir que o veículo possa pousar lá com segurança.

“E então você tem objetivos científicos, que são baseados na carga útil que você está carregando e no objetivos científicos da missão – as coisas que você deseja aprender e descobrir sobre Marte”, ele disse sobre. “E você tem que pesar tudo isso junto para encontrar um local [para pousar] que seja seguro e também cientificamente interessante para aquela missão específica.”

As pessoas que selecionam os locais de pouso, como Golombek, confiam em grande parte nas imagens tiradas em órbita para descobrir quais locais atenderão a esses critérios. E o mais ínfimo desvio em relação ao esperado pode causar problemas, como os vividos pela sonda InSight que aterrou em Marte em 2018. A equipe do InSight conseguiu encontrar um local adequadamente plano e livre de rochas, e suas previsões sobre os materiais que compõem a superfície foram totalmente precisas. No entanto, o solo abaixo da superfície onde o módulo de pouso está localizado revelou-se um pouco diferente do esperado, tendo sido compactado em um material mais resistente chamado duracrust. E isso tem causado muitos problemas na tentativa de enterre a sonda de calor do módulo de pouso abaixo da superfície.

“Há sempre ambiguidade nos dados orbitais que usamos para inferir o que realmente está na superfície”, disse Golombek. “Em geral, para a seleção do local de pouso temos sido muito bons em medir e caracterizar as restrições de engenharia – a rocha abundância e as encostas, e assim por diante - principalmente porque as imagens HiRISE têm resolução alta o suficiente para ver grandes rochas e medir encostas. Mas temos sido um pouco menos precisos na compreensão do que eu chamaria de cenário geológico. Ou seja, como surgiu aquela área, quais foram as principais forças geológicas que a moldaram. Isso tem sido mais difícil.

Como as imagens obtidas em órbita têm resolução limitada, é difícil ver os tipos de detalhes que são necessários para identificar com maior precisão alvos de interesse científico, tais como rochas. Ter imagens de resolução muito mais alta, como aquelas que poderiam ser capturadas por um helicóptero, seria inestimável para escolher locais de pouso que fossem seguros para os veículos e maximizassem as chances de resultados científicos importantes descobertas.

Os helicópteros poderiam até transportar diferentes tipos de instrumentos, como radares de penetração no solo, que poderiam informar diretamente aos cientistas o que se esconde sob a superfície marciana.

Relacionado:Radar de penetração no solo para concreto

Caçando pela vida de cima

No entanto, os helicópteros poderiam ser usados ​​para mais do que apenas apoio a outras missões. Tal máquina poderia potencialmente ser equipada com qualquer tipo de câmera, como radar, infravermelho ou instrumentos de imagem térmica, que possam revelar a composição e mineralogia do solo marciano.

Isto é importante porque estas ferramentas podem identificar certos minerais, como a argila, que se formam quando a água está presente. Áreas com altas densidades destes minerais argilosos são alvos chave para a investigação sobre se existe pode ter existido vida em Marte.

Alguns dos alvos mais interessantes para os cientistas investigarem são as escarpas, ou falésias íngremes formadas pela erosão, porque revelam as camadas de rocha que foram depositadas ao longo do tempo. Olhar para essas camadas é como relembrar a história marciana. No entanto, por serem íngremes e rochosas, estas áreas são difíceis de explorar pelos rovers e têm de proceder com muito cuidado. O rover Opportunity, por exemplo, passou um ano inteiro dirigindo cuidadosamente ao redor de uma dessas escarpas para imaginá-lo, enquanto “esse tipo de imagem poderia ter sido adquirido em alguns dias por um helicóptero”, Golombek disse.

Quando questionado se havia algum local específico em Marte que ele gostaria de explorar pessoalmente com helicópteros, Golombek riu. “Há centenas – milhares!” ele disse. “A área de superfície de Marte é semelhante à área de superfície exposta acima da água da Terra. Pense nas diferenças entre o Grand Canyon e o Himalaia, entre as zonas costeiras e os interiores. Há tantos lugares diferentes que lhe contariam coisas interessantes.”

Ferramentas na caixa de ferramentas marciana

Ambos os especialistas concordaram que o futuro da exploração de Marte não era uma questão de helicópteros ou rovers, mas sim da utilização de ambos conforme necessário para diferentes tarefas.

“No fundo, sou um engenheiro, então, para mim, são todas ferramentas na caixa de ferramentas”, disse Ravich. “Para corpos atmosféricos como Marte, haverá fortes argumentos de que um veículo aéreo é a resposta para tudo o que você deseja fazer. Se você quiser descer em um grande buraco como um desfiladeiro, ou se quiser escalar uma montanha, essa será a melhor resposta. Mas há sempre um limite para o que podemos carregar – é por isso que os pássaros são tão leves e os elefantes não – então você sempre será capaz de fazer mais ciência e transportar mais com um veículo [terrestre].”

A necessidade de múltiplos tipos de veículos torna-se ainda mais clara quando os humanos entram em cena, ao planear futuras missões tripuladas a Marte. “Provavelmente precisaremos de ambos também”, disse Ravich. “Se você olhar para as pessoas hoje, nós interagimos com veículos terrestres e aéreos, e não vejo isso mudando.”

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