La maravilla marciana: pruebas y desarrollo del helicóptero Mars Ingenuity

Palabras de Paul Willis

El pasado mes de abril, Ingenuity, un helicóptero de la NASA enviado a Marte como parte de la misión Mars 2020, realizó su vuelo número 50 al Planeta Rojo. El vuelo coronó dos años extraordinarios para la pequeña nave, que voló por primera vez a Marte en abril de 2021, en un viaje de 39 segundos que marcó el primer vuelo propulsado y controlado de un helicóptero en otro planeta.

Desde entonces, Ingenuity ha superado con creces las expectativas de sus desarrolladores, quienes pretendían que fuera una demostración de tecnología diseñada para solo cinco vuelos sobre la superficie marciana. Uno de los principales ingenieros es Bob Balaram, el creador del concepto Ingenuity y el ingeniero jefe durante su desarrollo, pruebas y operaciones marcianas.

Es comprensible que Balaram esté orgulloso de lo que ha logrado la misión Ingenuity. "Es realmente genial mirar hacia el cielo nocturno y ver el pequeño punto rojo de Marte y pensar que en algún lugar de él está nuestro pequeño helicóptero, que nuestro equipo armó", dice.

Es difícil exagerar la extraordinaria hazaña de ingeniería que fue convertir la idea de Balaram en realidad, y en los anales de la exploración espacial, el ingenio bien podría representar un momento decisivo. Como dice Balaram, Ingenuity ha “abierto la puerta” a futuros vuelos no tripulados en otros planetas.

En el caso de Marte, la NASA planea enviar dos helicópteros más al planeta como parte de una misión de retorno de muestras programada provisionalmente para 2026. Otra misión de la NASA cuyo lanzamiento está previsto para el año siguiente, en 2027, es Dragonfly, una misión de 450 kg (990 lbs). Helicóptero que se utilizará para explorar Titán, la luna de Saturno, en busca de signos de vida.

Mucho más grande que Ingenuity, que pesa sólo 1,8 kg, los desarrolladores de Dragonfly tienen grandes ambiciones. El helicóptero será un laboratorio científico móvil que aterrizará en diferentes lugares de Titán para estudiar la química prebiótica presente en la superficie de esta luna distante.

Ralph Lorenz es arquitecto de la misión Dragonfly y científico e ingeniero planetario en el Laboratorio de Física Aplicada (APL) de Johns Hopkins, que lidera el desarrollo de Dragonfly para la NASA. Dice que las principales diferencias entre los objetivos de la misión de Ingenuity y Dragonfly y los entornos en los que operarán significan que "hay poca o ninguna herencia en el hardware". Sin embargo, él y su equipo están aprovechando las lecciones de las operaciones de Ingenuity. Varios miembros del equipo de Ingenuity han desempeñado funciones consultivas para Dragonfly.

A Balaram se le ocurrió por primera vez la idea de un vuelo en helicóptero a Marte en la década de 1990, aunque admite que no fue el único. "La Sociedad Estadounidense de Helicópteros incluso organizó un concurso en el que estudiantes universitarios podían diseñar un helicóptero para Marte", dice Balaram. “Esto fue más o menos cuando la misión Pathfinder de la NASA aterrizó en Marte con el pequeño rover Sojourner [1997]. Entonces había mucho entusiasmo acerca de Marte en ese momento”.

Aun así, el concepto permaneció en el estante durante los siguientes 15 años hasta que el interés en la entonces incipiente tecnología de drones llevó a que se le pidiera a Balaram que elaborara un informe que detallara la viabilidad de la tecnología para una misión a Marte. "Nos dieron algo de dinero inicial y diseñamos y construimos Ingenuity", dice Balaram.

El momento en que Ingenuity desbloqueó las palas de su rotor el 7 de abril de 2019, un hito clave antes de su primer vuelo (Foto: NASA/JPL-Caltech)

Balaram y su equipo tuvieron que superar algunos desafíos complejos, el más importante de los cuales fue la atmósfera extremadamente delgada de Marte. La densidad del aire en Marte es aproximadamente el 1% de la densidad del aire al nivel del mar en la Tierra.

Esto hace que crear elevación para el despegue sea mucho más difícil. Aunque la fuerza gravitacional marciana inferior, que es aproximadamente un tercio de la de la Tierra, ayuda en cierta medida, "todavía estás luchando con una densidad muy baja", dice Balaram.

En consecuencia, para que Ingenuity pudiera volar, la prioridad era hacerlo lo más liviano posible. Sin embargo, este criterio de diseño chocó con otro: hacer que la nave fuera lo suficientemente robusta para sobrevivir en los entornos extraordinariamente hostiles de Marte.

Según Balaram, esto significaba hacerlo lo suficientemente fuerte como para soportar los rigores del lanzamiento, donde las cargas vibratorias pueden alcanzar hasta 18 gs. También tiene que lidiar con el vacío y la radiación del espacio, las cargas vibratorias durante el descenso a Marte y el frío extremo del propio Marte, donde las temperaturas pueden descender hasta -90°C durante la noche.

La delgadez de la atmósfera de Marte también creó problemas para el control del avión, afirma.

“En la Tierra, la densidad de la atmósfera ayuda a amortiguar ciertos movimientos no deseados de las palas de los helicópteros. En Marte no hay ese efecto amortiguador, por lo que tuvimos algunos problemas de estabilidad que tuvimos que superar.

“Se necesita mucha informática de alto rendimiento para mantener esencialmente en el aire lo que es un vehículo inestable. La NASA tenía procesadores anticuados, que eran tolerantes a la radiación pero no tenían la potencia informática necesaria. Así que tuvimos que buscar soluciones comerciales disponibles en otra parte”.

Libélula mientras desciende hacia la superficie de Titán para aterrizar (Imágenes: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben)

Si bien Dragonfly enfrentará muchos desafíos importantes durante su misión Titán, volar no debería ser uno de ellos. La densa atmósfera de Titán (cuatro veces más densa que la de la Tierra) debería facilitar el vuelo.

Tan fácil, dice Balaram, que un ser humano con un par de alas podría volar por el aire simplemente agitando los brazos “si no le importara el frío”.

Esta es una advertencia importante en un cuerpo celeste donde las temperaturas superficiales promedian alrededor de -179˚C (-290˚F). De hecho, el frío extremo probablemente será uno de los aspectos más desafiantes de la misión Dragonfly, dice Lorenz.

"Un desafío importante es la baja temperatura, que nos obliga a utilizar un diseño térmico cuidadoso", afirma.

Lorenz también anticipa desafíos para los sensores de detección de peligros a bordo del Dragonfly debido a la composición del gas de la atmósfera de Titán, que al igual que la de la Tierra

Está dominado por nitrógeno pero también contiene aproximadamente un 5% de metano.

"Algunos lidares utilizan láseres en longitudes de onda que el metano de la atmósfera de Titán absorbería, por lo que tenemos que asegurarnos de que nuestros dispositivos utilicen longitudes de onda que se adapten mejor a las condiciones de Titán", afirma Lorenz.

El programa de pruebas del Dragonfly de ocho rotores se centrará en evaluar cómo afrontará la nave las condiciones de esta luna distante. Lorenz y su equipo en APL han construido una cámara de prueba dedicada de 3 m (10 pies) de diámetro donde se pueden reproducir cuidadosamente la presión atmosférica y la composición de Titán.

También están en el proceso de poner en marcha una cámara de pruebas térmicas que será "lo suficientemente grande como para colocar todo el módulo de aterrizaje".

Fases de la misión de Dragonfly: entrada, descenso, aterrizaje, operaciones en superficie y vuelo en Titán (Imagen: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben/Magda Saina)

A diferencia de Ingenuity, que voló a Marte como parte de una carga útil mucho mayor, Dragonfly aterrizará solo en Titán después de un viaje de ocho años por el espacio. La nave espacial será lanzada en paracaídas y luego volará con su propia propulsión hasta un lugar de aterrizaje.

Según Lorenz, este primer aterrizaje en Titán “seguramente implicará muchas incógnitas, ya que no tendremos de antemano imágenes de Dragonfly”. En lugar de ello, el equipo tendrá que confiar en los datos sobre la superficie de Titán obtenidos de la misión Cassini, una sonda espacial conjunta europea-estadounidense que orbitó Saturno durante 13 años hasta 2017.

Otra diferencia significativa en comparación con Ingenuity son los objetivos de la misión. Si bien ha operado como explorador de reconocimiento para el rover Perseverance, Ingenuity fue creado para ser una demostración de tecnología y, como tal, su misión era relativamente simple: demostrar que el vuelo no tripulado era posible en otro planeta.

Sin embargo, Dragonfly volará toda su carga científica dentro de la nave, de modo que pueda ir a diferentes lugares del planeta para realizar pruebas de los materiales de la superficie.

"Lo que estamos haciendo es exploración terrestre: Dragonfly es simplemente un módulo de aterrizaje que puede reubicarse mediante vuelo", dice Lorenz. "Nos permite pasar de un sitio de interés a otro mucho más lejos y más rápido de lo que podría hacerlo un rover".

Otro gran desafío será mantener la comunicación con el helicóptero, esencial tanto para transmitir instrucciones de vuelo como para recibir los datos recopilados durante su investigación científica. Las comunicaciones tardan una hora en llegar a Titán desde la Tierra, y la capacidad de comunicarse está muy limitada por la duración del ciclo diurno de Titán, que dura casi 16 días terrestres.

Según Lorenz, todos los vuelos de Dragonfly se realizarán "en comunicación con la Tierra, por lo que tendremos una indicación continua de que el vuelo va según lo planeado".

Y añade: “Después de un aterrizaje determinado, probablemente pasarán aproximadamente 15 minutos después de que dejemos que el polvo se limpie y apuntemos la antena de alta ganancia a la Tierra para comenzar a transmitir datos más voluminosos, como imágenes.

"Pero pasarán días hasta que se obtengan todos los datos de un vuelo".

Dragonfly pasó recientemente su revisión de diseño preliminar y Lorenz y su equipo han comenzado a construir el modelo de ingeniería (EM) de los sistemas de la nave. Estos "tienen el mismo diseño, forma y función con los que esperamos volar para realizar pruebas y ya hemos estado realizando pruebas de vuelo al aire libre con un octocóptero de media escala, que es nuestra plataforma de pruebas integrada desde hace algunos años", dice Lorenz.

Todas las unidades EM se probarán juntas en un diseño de mesa flatsat, y "hay modelos separados a escala real que son más geométricamente representativos" para otros tipos de pruebas. Si bien la misión Titán será diferente a Ingenuity, la misión anterior es un paso importante, dice Balaram. “El ingenio ya ha volado a otro planeta”, afirma Balaram. “Así que se ha dado ese paso hacia lo desconocido. Psicológicamente, creo que eso no deja de ser importante”.

Impresión artística del módulo de aterrizaje del helicóptero Dragonfly en la superficie de Titán, la luna más grande de Saturno.

El helicóptero Dragonfly de la NASA aterrizará en Titán a mediados de la década de 2030. Llegar allí requerirá ocho arduos años de viaje de 746 millones de millas a través del vacío del espacio.

Dadas las increíbles dificultades que plantea esta misión, la pregunta obvia es: ¿por qué Titán?

Según Melissa Trainer, investigadora principal adjunta del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA y parte de la misión Dragonfly, el interés de los científicos espaciales en Titán surge de su clasificación como un mundo oceánico, uno donde se cree que el agua está presente en grandes volúmenes.

En el caso de Titán, se cree que sus océanos están encerrados a decenas de kilómetros por debajo de la superficie helada de la luna. La evidencia de este océano subterráneo proviene de las mediciones de gravedad e inercia tomadas por el orbitador Cassini, dice Trainer. La densidad del subsuelo implícita en estas mediciones sugiere la presencia de agua, dice.

También señalan "un desacoplamiento entre el exterior y el interior, lo que implica que hay una capa líquida en el medio, y que, según dónde nos encontremos en el sistema solar, esa capa líquida tendría que ser principalmente agua", dice.

La otra característica importante de Titán es “la inmensa cantidad de material orgánico que hay en su atmósfera y en su superficie”, afirma Trainer.

Los científicos creen que es muy probable que en diferentes períodos de la historia de la luna este material orgánico haya entrado en contacto con agua que llegó a la superficie a través de erupciones o impactos. Se cree que esta combinación de agua y materia orgánica compleja es una de las condiciones principales para la creación de moléculas como los aminoácidos, uno de los componentes básicos de la vida.

Dragonfly visitará muchos de los lugares de la superficie donde los científicos sospechan que pudo haber tenido lugar este tipo de interacción para buscar las condiciones que llevaron a la formación de la vida, conocida como química prebiótica. Para ello perforará pequeñas muestras de la superficie de Titán. Las muestras se introducirán en el cuerpo del módulo de aterrizaje, donde se utilizará un espectrómetro de masas para analizar su composición química.