La NASA acaba de enviar un pequeño helicóptero autónomo a la superficie de Marte

Esta semana, la NASA lanzó su quinto vehículo explorador de Marte, Perseverance, en un viaje de seis meses al Planeta Rojo. La perseverancia iniciará una misión para recolectar muestras de tierra marciana que podrían tener rastros de vida antigua, para que puedan ser devueltas a la Tierra por otra misión a finales de esta década. También transportaba una carga útil diferente a cualquier cosa que se haya impulsado al espacio: un pequeño helicóptero autónomo llamado Ingenio. En algún momento de la próxima primavera, probablemente en abril, Ingenuity hará girar sus palas del rotor y se convertirá en la primera nave espacial en volar en Marte.

"Lo veo como una especie de momento de los hermanos Wright en otro planeta", dice Bob Balaram, el ingeniero jefe del proyecto de helicóptero de Marte en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "Es una misión de alto riesgo y alta recompensa que podría permitirnos ir a muchos lugares a los que no hemos podido ir antes".

Los satélites son buenos para obtener una comprensión global de un planeta, y los rovers son excelentes para explorar una cantidad relativamente pequeña de terreno en minuciosos detalles. Para todo lo demás, ayuda tener un sistema aerotransportado. Un rover solo puede cubrir unas pocas docenas de kilómetros en el transcurso de varios años, pero los futuros drones extraterrestres podrían cubrirlo fácilmente en un día. Podrían tomar instantáneas aéreas para ayudar a un rover a trazar el mejor camino o recolectar muestras y devolverlas a un módulo de aterrizaje fijo para su análisis. El ingenio no podrá hacer ninguna ciencia real, pero es el primer paso hacia un avión extraterrestre que pueda.

El hardware de Ingenuity (cámaras, equipos de comunicaciones, aviónica) está relleno en un pequeño cubo que estará suspendido en el aire por cuatro patas delgadas que lo hacen parecer un insecto robótico. Arriba, hay dos pares de palas de rotor, cada una de cuatro pies de diámetro, encajonadas entre el cuerpo de Ingenuity y un panel solar rectangular. Todo el aparato pesa menos que una botella de refresco de dos litros, pero es lo suficientemente resistente como para soportar los entornos extremos que enfrentará durante el lanzamiento, el aterrizaje y su existencia cotidiana en la superficie marciana.

Una vez que Perseverance llegue a Marte, pasará unas semanas revisando sus sistemas. Si todo se ve bien, su primer negocio será encontrar un claro en el cráter cubierto de rocas de Jezero para dejar a su pasajero. (Y, literalmente, se dejará caer: el helicóptero está conectado a la barriga del rover). Una vez que el rover y el helicóptero se separan, los días del helicóptero están contados. Balaram y su equipo solo tendrán un mes para realizar hasta cinco vuelos de prueba. "La intención de esta campaña es obtener datos de ingeniería para que podamos decir que funcionó de la manera que pensamos y que no hubo sorpresas en Marte", dice Balaram. "Más allá de 30 días, solo seríamos una distracción".

Al igual que la famosa prueba de vuelo de los hermanos Wright en Kitty Hawk, en su primer vuelo, Ingenuity solo estará en el aire durante unos segundos. Este salto será una réplica casi exacta de las pruebas de vuelo que Balaram y su tripulación hicieron en la Tierra para que puedan hacer una comparación de manzanas con manzanas del rendimiento del helicóptero contra las expectativas. Si todo va bien, Ingenuity intentará perfiles de vuelo cada vez más desafiantes. El helicóptero está diseñado para volar hasta 15 pies en el aire y puede viajar hasta tres campos de fútbol desde su punto de despegue. Sus baterías lo limitan a solo 90 segundos de tiempo de vuelo, pero esto será más que suficiente para los tipos de demostraciones de vuelo que hará en Marte.

Para Balaram, el primer vuelo marciano ha tardado en llegar. Preparó un plan para un helicóptero extraterrestre a fines de la década de 1990, aunque la idea no era exactamente nueva, después de ver una presentación en la conferencia de Ilan Kroo, un ingeniero aeroespacial de la Universidad de Stanford que había pasado los últimos años trabajando en un Dron de investigación atmosférica del tamaño de una moneda llamado mesicopter. Como Kroo y su equipo sabían muy bien por su investigación, la aerodinámica se vuelve espesa a pequeña escala, lo que dificulta el control del vuelo. "Pronto nos dimos cuenta de que los dispositivos voladores de escala mesi en la Tierra eran muy similares, al menos aerodinámicamente, a volar vehículos más grandes en Marte", dice Kroo. "Comenzamos a trabajar con Bob Balaram y el Jet Propulsion Lab para tomar nuestros pequeños diseños de rotor y escalarlos para volar en Marte".

Balaram y Kroo presentaron una propuesta para un helicóptero Marte a la NASA a principios de la década de 2000, pero la propuesta nunca fue financiada a pesar de los comentarios positivos de los revisores. (Balaram culpa a los recortes presupuestarios en la agencia). La idea languideció en el estante por otros 15 años hasta que Charles Elachi, director del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, le pidió a Balaram que reelaborara la propuesta y la presentara como un posible experimento largo para el rover más nuevo de la agencia. En 2018, los funcionarios de la NASA anunciaron que el helicóptero sería el espectáculo científico en la misión Mars 2020. En ese punto, la I + D en el helicóptero estaba en marcha.

La NASA recurrió a AeroVironment, un fabricante de drones en California, para construir el hardware para la misión. La compañía tiene mucha experiencia operando aviones autónomos en entornos extremos, y un poco de historia con la NASA. En 2001, la compañía firmó un contrato con la agencia para construir un dron con energía solar que logró volar a 96,000 pies; 20 años después, el récord sigue en pie. Esa altitud en la Tierra es comparable a volar cerca de la superficie en Marte debido a la tenue atmósfera del planeta. Pero volar un pequeño helicóptero en Marte hace que pilotear un ala gigante con energía solar en la Tierra parezca fácil.

"Teníamos que mantener todo súper ligero para que todo el programa funcionara", dice Ben Pipenberg, ingeniero aeromecánico en AeroVironment. "Realmente tratamos de extraer cada miligramo de cada componente, porque eso es realmente lo que se necesita para bajar el peso lo suficiente como para volar en Marte"

El equipo de Ingenuity tuvo que equilibrar los estrictos requisitos de peso con las demandas competitivas de durabilidad y rendimiento. Aunque el peso del helicóptero estaba limitado a cuatro libras, tenía que ser lo suficientemente fuerte como para resistir las intensas fuerzas que encontraría durante el lanzamiento y el aterrizaje. Su hardware también tenía que cumplir con las demandas de la misión, como tener un motor que pueda hacer girar las palas del rotor cinco veces más rápido que un helicóptero típico para que pueda generar elevación. Ah, y necesitará una computadora lo suficientemente potente como para ejecutar los algoritmos de visión artificial que utilizará el helicóptero para navegar de forma autónoma por el paisaje marciano. Es mucho pedirle a una máquina que pese menos que una computadora portátil.

"Esto impulsó todas las disciplinas técnicas", dice MiMi Aung, gerente de proyectos de Ingenuity en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "Hubo muchos momentos desconcertantes".

Para reducir el peso, los ingenieros de AeroVironment fabricaron las cuchillas de espuma y las envolvieron en fibra de carbono, y utilizaron materiales más exóticos, como compuestos de matriz de metal de berilio, para otros componentes del cuerpo. Para la aviónica y la fuente de alimentación, el equipo recurrió a piezas comerciales listas para usar. El ingenio almacena su energía con una batería de iones de litio común y su computadora es un procesador Qualcomm Snapdragon, que se encuentra en una variedad de teléfonos inteligentes. Puede que no sean tan inmunes a las fallas como el hardware en el rover Perseverance, pero son más baratos que el uso de hardware de grado espacial y al mismo tiempo cumplen con los requisitos de rendimiento del helicóptero. Dado que el ingenio no es crítico para la misión principal del rover, el equipo de JPL podría darse el lujo de arriesgarse con algunos componentes de teléfonos inteligentes.

También existía el desafío de simplemente descubrir cómo probar la cosa. "Nadie ha hecho esto antes, por lo que el equipo tuvo que inventar una forma de probar el vehículo de forma incremental mientras otro equipo inventa el helicóptero en paralelo", dice Aung. “Estábamos realmente paranoicos, y teníamos que estarlo, porque estábamos bajo mucha presión de tiempo para progresar lo suficientemente rápido como para atrapar el lanzamiento del rover. Así que realmente tuvimos que pensar en el futuro. "

El equipo construyó dos prototipos de ingenio: uno para pruebas ambientales y otro para pruebas de vuelo. Las pruebas ambientales son el arte de convertir la vida en un infierno para una nave espacial. Se expuso un prototipo de ingenio a temperaturas extremadamente frías para imitar las condiciones en Marte, se colocó cerca de pequeñas detonaciones para asegurarse de que podría resistir los golpes explosivos de las cargas en el rover utilizado para desplegar el paracaídas de aterrizaje, y fue lanzado con el El sistema estéreo más grande y malo para ver si todas sus tuercas y tornillos se mantendrán firmes cuando se expongan a las vibraciones extremas de un lanzamiento de cohete.

Las pruebas de vuelo se llevaron a cabo en una cámara de vacío gigante de 25 pies de diámetro que se bombeó llena de dióxido de carbono para replicar la composición y la delgadez de la atmósfera marciana. La gravedad en Marte es solo un tercio tan fuerte como en la Tierra, y dado que la NASA aún no ha descubierto cómo manipular la gravedad, los ingenieros de la agencia tienen que compensar de otras maneras para crear un escenario marciano realista. Para Ingenuity, esto significaba unir una correa de descarga por gravedad al vehículo. La correa se parece un poco a la línea de pesca y se puede ajustar dinámicamente para subir el helicóptero lo suficiente como para simular los efectos de la gravedad reducida mientras está volando.

En lo que respecta a la física, volar un helicóptero en Marte es básicamente lo mismo que volar un helicóptero en la Tierra: las aspas giran y empujan el aire hacia abajo lo suficientemente rápido como para generar elevación. Pero el diablo está en los detalles, y los experimentos prácticos de vuelo ayudaron al equipo de Ingenuity a descubrir algunas peculiaridades sobre volar un helicóptero en otro planeta. Durante una prueba inicial, un ingeniero de AeroVironment descubrió que era capaz de pilotar sin problemas un prototipo de Ingenio en una cámara de vacío abierta. Pero una vez que la cámara se selló y el aire se bombeó para replicar las condiciones marcianas, el helicóptero comenzó a comportarse de manera errática y se hizo difícil volar. "Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que tal vez el control no es tan sencillo como pensamos que es", dice Balaram.

En la Tierra, las palas de los helicópteros tienen una tendencia natural a agitarse a medida que giran debido a la longitud de las palas y al entorno aerodinámico turbulento alrededor del rotor. La respuesta de este aleteo haría que un helicóptero fuera casi imposible de controlar si no fuera por el hecho de que la espesa atmósfera de la Tierra amortigua las vibraciones a un nivel manejable. Pero como descubrió el ingeniero de AeroVironment, la atmósfera de Marte es demasiado delgada para tener este efecto de amortiguación de aletas, y cuando esto ondula a través de la máquina causa estragos en sus controles. "Esto tenía a todos nuestros expertos en helicópteros de la NASA tremendamente entusiasmados, porque para ellos era como ver todo con nuevos ojos", dice Balaram. Para compensar este efecto, el equipo de Ingenio reconstruyó las cuchillas para hacerlas más rígidas.

Se depende mucho de la precisión de los resultados de las pruebas de vuelo. A diferencia de los prototipos de Ingenuity, que registraron horas de vuelo, el helicóptero que se dirigió a Marte solo ha pasado unos minutos en el aire en la Tierra. "No queríamos desgastar el sistema en el proceso de probarlo", dice Balaram. Para cuando la NASA abandone el ingenio en la superficie marciana, el pequeño helicóptero intrépido habrá volado durante menos de 30 minutos.

Balaram dice que la NASA ya está trabajando en la próxima generación de helicópteros extraterrestres, y los datos de ingeniería recopilados por Ingenuity durante sus pruebas de vuelo afectarán directamente su desarrollo. Es posible que estos futuros helicópteros se vean muy diferentes al ingenio, un diseño que la NASA está estudiando tiene seis rotores, por ejemplo, y ciertamente serán más grandes.

Pero el primer vuelo científico en otro planeta puede no ocurrir en Marte. En 2025, la NASA planea enviar un pequeño quadcopter de propulsión nuclear llamado Dragonfly en una misión para buscar vida alrededor de Titán, la luna más grande de Saturno. Dragonfly durará mucho más que Ingenuity, se espera que pase dos años saltando en la superficie de la luna, y tendrá un rango de altitud de 2 millas. Titán generalmente se considera el lugar más fácil para volar en el sistema solar debido a su atmósfera extremadamente densa y su baja gravedad. "Podrías atarte las alas y volar allí tú mismo, si no te importa el frío", dice Balaram. Por ahora, sin embargo, tendremos que conformarnos con un helicóptero.

Esta historia fue publicada originalmente en Mundo Informático US

Más grandes historias de Mundo Informático

? La ciudad francesa que creó su propia Amazonía

? Google se enriqueció con sus datos. DuckDuckGo está luchando

? ¿Qué mascarilla debes comprar? La guía CABLEADA

? Escuche The Mundo Informático Podcast, la semana en ciencia, tecnología y cultura, que se entrega todos los viernes

? Siga Mundo Informático en Gorjeo, Instagram, Facebook y LinkedIn