Il Jet Propulsion Laboratory della NASA ha recentemente annunciato che sta sviluppando un piccolo elicottero drone per esplorare la strada per i futuri rover su Marte. Perché i rover su Marte avrebbero bisogno di una guida così robotica? La risposta è che guidare su Marte è davvero difficile.
Qui sulla Terra, i robot che esplorano i bordi vulcanici o aiutano i soccorritori possono essere guidati da un telecomando, con un joystick. Questo perché i segnali radio raggiungono il robot dal suo centro di controllo quasi istantaneamente. Guidare sulla luna non è molto più difficile. I segnali radio che viaggiano alla velocità della luce impiegano circa due secondi e mezzo per compiere il viaggio di andata e ritorno sulla luna e ritorno. Questo ritardo non è abbastanza lungo da interferire seriamente con la guida del telecomando. Negli anni '70 i controllori sovietici guidarono i rover lunari di Lunokhod in questo modo, esplorando con successo più di 40 km di terreno lunare.
Guidare su Marte è molto più difficile, perché è molto più lontano. A seconda della sua posizione rispetto alla Terra, i segnali possono richiedere tra 8 e 42 minuti per il round trip. Le istruzioni preprogrammate devono essere inviate al rover, che quindi esegue da solo. Ogni unità marziana richiede ore di attenta pianificazione. Le immagini stereo riprese dalle telecamere di navigazione del rover sono attentamente esaminate dagli ingegneri. Le immagini di veicoli spaziali in orbita su Marte a volte forniscono informazioni aggiuntive.
Un rover può essere programmato per eseguire semplicemente un elenco di comandi di guida inviati dalla Terra, oppure può utilizzare le immagini acquisite dalle sue telecamere di navigazione ed elaborate dai suoi computer di bordo per misurare la velocità e rilevare ostacoli o pericoli da sola. Può anche tracciare il proprio percorso sicuro verso un obiettivo specificato. Le unità basate su istruzioni da terra sono le più veloci.
In questo modo The Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity potrebbe guidare fino a 124 metri in un'ora in questo modo. Ciò corrisponde a circa la lunghezza di un campo di football americano. Ma questa modalità era anche la meno sicura.
Quando il rover si guida attivamente con le sue telecamere, i progressi sono più sicuri, ma molto più lenti a causa di tutta l'elaborazione delle immagini necessaria. Può avanzare di appena 10 metri all'ora, ovvero circa la distanza dalla linea di fondo alla linea dei 10 metri su un campo di football americano. Questo metodo deve essere utilizzato ogni volta che il rover non ha una visione chiara del percorso da percorrere, come spesso accade a causa di terreni accidentati e collinari.
All'inizio del 2015, la Curiosity più lontana ha guidato in un solo giorno è di 144 metri. L'unità giornaliera più lunga dell'opportunità era di 224 metri, una distanza lunga due campi da football americano.
Se i controllori di terra potessero avere una visione migliore del percorso da seguire, potrebbero escogitare istruzioni che consentano a un futuro rover di guidare in sicurezza molto più avanti in un giorno.
È qui che entra in gioco l'idea di un elicottero drone. L'elicottero potrebbe volare ogni giorno davanti al rover. Le immagini fatte dal suo punto di osservazione aereo sarebbero preziose per i controllori di terra per identificare punti di interesse scientifico e pianificare percorsi di guida per arrivarci.
Volare un elicottero su Marte pone sfide speciali. Un vantaggio è che la gravità marziana è solo il 38% più forte di quella terrestre, quindi l'elicottero non avrebbe bisogno di generare la stessa portanza di una stessa massa terrestre. Le pale dell'elica di un elicottero generano portanza spingendo l'aria verso il basso. Questo è più difficile da fare su Marte che sulla Terra, perché l'atmosfera marziana è cento volte più sottile. Per spostare abbastanza aria, le pale dell'elica dovrebbero girare molto rapidamente o essere molto grandi.
L'elicottero deve essere in grado di volare da solo, usando le istruzioni precedenti, mantenendo un volo stabile lungo una rotta prestabilita. Deve atterrare e decollare ripetutamente nel terreno roccioso marziano. Infine, deve essere in grado di sopravvivere alle dure condizioni di Marte, dove la temperatura precipita a 100 gradi Fahrenheit o meno ogni notte.
Gli ingegneri della JPL hanno progettato un elicottero con una massa di 1 chilogrammo; una piccola frazione della massa di 900 kg del rover Curiosity. Le pale dell'elica si estendono per 1,1 metri dalla punta della lama alla punta della lama e sono in grado di ruotare a 3400 rotazioni al minuto. Il corpo ha le dimensioni di una scatola di fazzoletti.
L'elicottero è alimentato a energia solare, con un disco di celle solari che raccoglie abbastanza energia ogni giorno per alimentare un volo da due a tre minuti e riscaldare il veicolo di notte. Può volare circa mezzo chilometro in quel momento, raccogliendo immagini per la trasmissione al controllo a terra mentre procede. Gli ingegneri si aspettano che la ricognizione che il drone elicottero raccoglie sarà preziosa nella pianificazione delle unità di un rover, triplicando la distanza percorribile in un giorno.
Riferimenti e ulteriori letture:
Grazie a Mark Maimone del Jet Propulsion Laboratory della NASA per informazioni sulle distanze di guida giornaliere di Curiosità e Opportunità.
J.J. Biesiadecki, P. C. Leger e M.W. Maimone (2007), "compromessi tra guida diretta e autonoma sui rover esplorativi di Marte", The International Journal of Robotics Research, 26 (1), 91-104
E. Howell, il rover Opportunity Mars percorre oltre 41 chilometri verso "Marathon Valley", Space Magazine, dicembre 2014.
T. Reyes, Un viaggio incredibile, il rover Mars Curiosity raggiunge la base del Monte Sharp. Space Magazine, settembre 2014.
L'elicottero potrebbe essere "esploratore" per i rover su Marte. Comunicato stampa del NASA Jet Propulsion Laboratory. 22 gennaio 2015.
Crazy Engineering: l'elicottero Mars. Video del laboratorio di propulsione a reazione della NASA.
Curiosità - Mars Science Laboratory, NASA.
Marte - Piani del futuro rover. NASA
