Cuando el último rover de Marte de la NASA, Perseverance, se lance esta semana, llevará un ocupante a bordo: un pequeño helicóptero en forma de caja. Si el helicóptero logra volar con éxito sobre la superficie marciana, será la primera vez que un vehículo hecho por la mano del hombre vuele en otro mundo. Si el experimento tiene éxito podría abrir una nueva forma de explorar el Sistema Solar. El helicóptero, llamado Ingenuity, no es la misión del rover. El objetivo principal es seguir buscando señales de vida en Marte y obtener muestras para ser devueltas a la Tierra para su estudio. Pero los ingenieros han conseguido hacer espacio en el interior del rover para guardar el pequeño helicóptero. A lo largo del viaje del Perseverance, el rover depositará al Ingenuity en la superficie de Marte, que hará girar su rotor e intentará despegar.
Un nuevo punto de vista de Marte
El interés de este experimento es obtener un nuevo punto de vista para explorar Marte, más allá de las actuales y limitadas opciones. Las naves que orbitan sobre Marte no pueden obtener las imágenes de altísima calidad que se consiguen más cerca de la superficie. Los landers solo pueden obtener información en una ubicación fija, mientras que los rovers solo pueden moverse hasta cierto punto, con información. Un helicóptero puede actuar como explorador, haciendo reconocimiento para otras naves espaciales o llegando a áreas de difícil acceso.
Esa capacidad de exploración podría ser muy útil si los humanos pisáramos alguna vez suelo marciano. Según MiMi Aung, gerente del proyecto para el helicóptero Marte en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. «Poder volar añadirá una dimensión completamente nueva a la exploración«.
Una atmósfera liviana
Pero existe un gran obstáculo para volar en Marte: la atmósfera. El aire que rodea el planeta tiene solo el uno por ciento del espesor de la atmósfera de la Tierra. Con tan poco aire para moverse, lograr la elevación será muy difícil. Ayuda la baja gravedad en la superficie de Marte, que es aproximadamente el 38 por ciento de la gravedad de la Tierra. Pero incluso con esa ayuda, un vehículo puede no ser capaz volar en Marte con las mismas tecnologías que usamos para volar en la Tierra.
Para que un aparato despegue en ese entorno, tiene que ser muy, muy ligero y sus hélices deben moverse a una velocidad muy alta pero controlada. «No puedes seguir avanzando cada vez más rápido, porque lo que sucede es que las puntas de tus cuchillas comienzan a acercarse a la velocidad del sonido” explica el ingeniero jefe del helicóptero de Marte en JPL. «Comienzan a querer volverse supersónicos, y no quieres ni siquiera dejarlos transónicos porque obtienes efectos mucho más turbulentos».
Las dimensiones del Perseverance
Con estas limitaciones en mente, un equipo de ingenieros de la NASA JPL se propuso inventar el primer helicóptero para volar en marte. El equipo detrás del Perseverance estableció las dimensiones del helicóptero, determinando que el rover podía acomodar un pequeño helicóptero con aspas que alcanzaban aproximadamente 1,2 metros.
Eso finalmente determinó el peso que podría tener el helicóptero, situándolo en solo 1.8 kilogramos. La creación de un vehículo tan pequeño preñado de electrónica es algo que solo es posible hoy, explica Aung, porque hace unas décadas, la tecnología de la electrónica ligera (ordenadores, sensores, cámaras, giroscopios) no estaba disponible.
2.400 revoluciones por minuto
El diseño final del helicóptero recuerda a una araña de patas largas con un intrincado casco. El cuerpo principal del Ingenuity es una caja con cuatro extremidades sobresalientes, que mantienen el vehículo en posición vertical en el suelo. Cuatro palas de fibra de carbono van montadas en la parte superior, así como un panel solar para generar energía. Esas cuchillas están diseñadas para girar hasta 2.400 revoluciones por minuto, o 40 veces por segundo. Las palas de un helicóptero terrestre giran a alrededor de 450 a 500 revoluciones por minuto. Sin embargo, las cuchillas del Ingenuity no deben exceder la velocidad del sonido.
Construir este ingenioso artilugio fue solo la mitad de la batalla. El equipo tuvo que asegurarse de que fuera capaz volar en otro mundo. «Paralelamente a la invención del helicóptero también está la cuestión de:» ¿Cómo lo probamos? » explica Aung, «Porque nunca se ha hecho antes».
En la sala de pruebas
Afortunadamente, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA está equipado con salas de pruebas gigantes que pueden usarse para este particular. Una cámara grande llamada Space Simulator en JPL puede recrear un vacío total y manipular todas las temperaturas extremas que podría experimentar una nave espacial después de abandonar la Tierra. Para probar el helicóptero, el equipo de ingeniería convirtió la cámara en un entorno similar a Marte. “Bombeamos el aire de la cámara hasta casi el vacío y la rellenamos con dióxido de carbono, de modo que la habitación contuviera una densidad atmosférica similar a la de Marte», dice Aung.
Aun quedaba otro desafío: deshacerse de la pesada gravedad de la Tierra. Para simular la menor gravedad de Marte, los ingenieros colocaron una correa ligera en los prototipos del helicóptero cada vez que volaba en la cámara de prueba. El llamado Sistema de Descarga por Gravedad, proporciona un tirón constante hacia arriba, haciendo que el vehículo actúe como si tuviera solo el 38 por ciento de la gravedad de la Tierra.
Aspas más rígidas
Esa prueba ayudó a dar forma al diseño final del Ingenuity. Durante el primer par de pruebas de vuelo, el equipo descubrió que las palas de los helicópteros se agitaban hacia arriba y hacia abajo. La tendencia a aletear también ocurre con los helicópteros de la Tierra, ya que las palas son largas y delgadas. Pero una atmósfera densa amortigua ese efecto. La delgada atmósfera marciana no reduce ese aleteo. Los ingenieros hicieron las aspas, mucho más rígidas de lo que sería un helicóptero normal de un tamaño similar en la Tierra para compensar la falta de gravedad marciana.
Tras docenas de vuelos de prueba en condiciones extremas, incluido un frío helador para simular las noches marcianas, que pueden bajar a los -90 ºC, ha llegado el momento de que el Ingenuity emprenda su viaje. Para llegar a Marte viajará plegado en la parte inferior del Perseverance, cubierto por un escudo de protección. Cuando el rover llegue a Marte y encuentre el lugar adecuado, el Ingenuity hará una maniobra complicada, desplegándose totalmente, con sus patas apuntando hacia el suelo. Luego caerá a la superficie, a medida que el Perververance se aleje y lo deje atrás.
30 días en Marte
El equipo tiene solo un margen de 30 días marcianos para hacer volar a el Ingenuity, que son aproximadamente 31 días terrestres. El primer vuelo será sencillo: el helicóptero intentará despegar y subir a una altura de aproximadamente 3 metros, flotando allí durante 30 segundos más o menos. Será breve, pero determinará si el duro trabajo de los ingenieros ha merecido la pena.
El aparato hará hasta cuatro vuelos cortos, cada uno más dificil que el anterior. Ningún de ellos superará el minuto. El helicóptero está preparado para subir a 5 metros de altura y recorrer horizontalmente 50 metros.
Las comunicaciones
Todos estos vuelos tendrán que ser autónomos, debido al retraso en las comunicacoónes entre la Tierra y Marte. El equipo enviará una lista de órdenes al Ingenuity, que realizará todo el proceso de manera independiente. El plan es que el helicóptero capture imágenes cuando vuele, y es posible que el Perseverance también tome algunas imágenes lejanas del Ingenuity flotando en el aire.
El Ingenuity es un artilugio de tecnología en prueba por lo que sus vuelos deben ser cortos y directos. Pero podría demostrar el valor de las máquinas voladoras para futuras misiones a Marte. Los ingenieros ya están trabajando en diseños para helicópteros más grandes, que pesarán unos 20 kilos. Helicópteros más grandes podrían llevar cargas de ciencia mucho más significativas y cámaras mejores que las que tiene ahora el Ingenuity.
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