La NASA se prepara para volar un helicóptero en Marte

Si funciona, el pequeño helicóptero, llamado Ingenuity, abrirá un nuevo camino para que los futuros exploradores robóticos tengan una vista de pájaro de Marte y otros mundos del sistema solar.

Teddy Tzanetos, un ingeniero del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA; MiMi Aung, gerente de proyecto del Helicóptero Marte; y Bob Balaram, su ingeniero en jefe; observan un vuelo de prueba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena. (JPL-Caltech/NASA vía The New York Times)

“Esto es muy análogo al momento de los hermanos Wright, pero en otro planeta”, dijo MiMi Aung, el director del proyecto del helicóptero de Marte en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA durante los últimos seis años.

Volar en Marte no es un esfuerzo trivial. No hay mucho aire contra el que empujar para generar elevación. En la superficie, la atmósfera tiene sólo una centésima parte de la densidad de la Tierra. La menor gravedad, un tercio de lo que se siente aquí, ayuda a que el aire se mueva. Pero despegar de Marte es el equivalente a volar a una altitud de 30000 metros en la Tierra. Ningún helicóptero terrestre ha volado nunca tan alto, y eso es más del doble de la altitud a la que los aviones de línea vuelan típicamente.

El helicóptero hará un viaje a Marte con Perseverancia, que será el quinto rover robótico que la NASA envíe allí. El lanzamiento de la misión está programado para el 20 de julio, una de las tres misiones a Marte de este año.

En una conferencia de prensa la semana pasada, Jim Bridenstine, el administrador de la NASA, destacó al Ingenuity. “Les diré, lo que más me emociona como administrador de la NASA es prepararme para ver un helicóptero volar sobre otro mundo”, dijo.

Los técnicos trabajan con el helicóptero de Marte en una cámara de vacío en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. (JPL-Caltech/NASA vía The New York Times)

Hasta 1997, todas las naves espaciales enviadas a la superficie de Marte habían sido aterrizadoras estacionarias. Pero en 1997, la misión del Pathfinder incluyó algo que fue revolucionario para la NASA: un robot con ruedas. Ese rover, Sojourner, era aproximadamente del tamaño de un archivador chico. A ese éxito le siguieron dos vehículos del tamaño de un carrito de golf, Spirit y Opportunity, que llegaron a Marte en 2004 y Curiosity, del tamaño de un coche, en 2012.

Para un explorador robótico en otro planeta, la capacidad de moverse ofrece grandes ventajas. Los científicos planetarios ya no están atascados mirando un solo punto. Un rover puede conducir a través del paisaje, deteniéndose para ver de cerca las intrigantes rocas. Esa libertad fue clave para obtener la comprensión actual del antiguo Marte, que el planeta, ahora frío y seco, fue una vez húmedo y poseía al menos algunos ambientes que eran potencialmente habitables para la vida.

Ingenuity es en esencia la contraparte aérea del Sojourner, una demostración de una nueva tecnología que podría ser usada más ampliamente en misiones posteriores. El cuerpo del Ingenuity es del tamaño de una pelota de softball con cuatro patas flacas que sobresalen. Dos juegos de cuchillas, cada una de 1,5 metros de punta a punta, giran en direcciones opuestas. Pesa sólo 1,8 kilos y mide alrededor de 45 centímetros de alto.

Bob Balaram, el ingeniero jefe del helicóptero, comenzó a trabajar con algunos colegas en la idea en la década de 1990.

“En realidad no llegamos a ningún lado”, dijo Balaram. “Hicimos algunas pequeñas pruebas, pero luego se mantuvo en un estante hasta hace unos seis o siete años.” Balaram dijo que Charles Elachi, entonces director del Laboratorio de Propulsión a Chorro, se interesó y proporcionó dinero para continuar el estudio. “Y eso nos puso en marcha”.

El helicóptero de Marte, abajo, instalado en el rover Perseverance dentro de la Instalación de Servicio de Carga Peligrosa en el Centro Espacial Kennedy en Florida. (JPL-Caltech/NASA vía The New York Times) –

Hacer algo que nunca se había hecho antes fue un desafío de ingeniería que atrajo a Aung, quien se unió como director del proyecto a mediados de 2014.

“Hace unos 20 años, no podría haber sido posible, en realidad, debido a las matemáticas”, dijo Aung, que fue subdirector de la división de sistemas autónomos del Laboratorio de Propulsión a Chorro antes de unirse al proyecto de Marte.

Pero una serie de avances, como la miniaturización de la electrónica, las baterías que almacenan más energía y los materiales que pueden ser moldeados en hojas de peso ligero, han hecho finalmente del sueño de las máquinas voladoras de Marte una posibilidad tecnológica, dijo Aung.

Convertir la posibilidad en un helicóptero funcional llevó años de prueba y error.

A finales de 2014, los ingenieros habían construido un pequeño prototipo. El pequeño helicóptero fue colocado en una cámara donde la mayor parte del aire era aspirado, replicando la densidad de la atmósfera marciana. Como aún no habían escrito el software para que el helicóptero volara por sí mismo, un miembro del equipo trató de guiar su movimiento con un joystick, como un aficionado que vuela un dron.

Mientras las palas giraban, el helicóptero se elevó. Inmediatamente se descontroló.

Tenían elevación pero no control.

“Hizo lo que teníamos que hacer en ese momento, que era decir que podíamos despegar del suelo”, dijo Havard Grip, el ingeniero que dirigió el trabajo de aerodinámica y el logro del vuelo controlado. “Así que de esa manera, fue un éxito. Pero también estaba claro que había mucho más trabajo por hacer aquí para entender cómo se comporta esta cosa.” Balaram y Grip dijeron que uno de los problemas era que las cuchillas rebotaban arriba y abajo mientras giraban a 2.000 o 3.000 revoluciones por minuto. En la Tierra, la presión del aire que empuja contra las aspas minimiza el rebote. Pero en la delgada atmósfera marciana, el rebote creó una inestabilidad que hizo difícil controlar el movimiento del helicóptero.

La solución resultó ser hacer las aspas ligeramente más rígidas, pero eso añadió algo de peso.

“Llegar a un diseño adecuado para eso fue, creo, uno de los mayores problemas desde el principio”, dijo Grip. Eventualmente, encontraron una solución.

“Es bastante asombroso cuando levantas una de estas cuchillas, si la sostienes en la mano, piensas que vas a levantar algo sustancial, y es tan liviano como el aire y, al mismo tiempo, extremadamente rígido”.

La ingeniería implicó una serie de compromisos necesarios para encajar dentro de las limitaciones de tamaño, peso y potencia de la batería.

Grip al mismo tiempo encabezó el desarrollo de algoritmos informáticos que podrían dirigir y ajustar el vuelo del helicóptero lo suficientemente rápido como para responder automáticamente a las cambiantes condiciones atmosféricas de Marte.

En mayo de 2016, el siguiente prototipo estaba listo. En la misma cámara que simulaba la diáfana atmósfera marciana, el helicóptero se elevó, y luego flotó firmemente y aterrizó suavemente. Por primera vez, un prototipo de helicóptero había volado bajo control en condiciones que simulaban la atmósfera marciana, aunque todavía estaba conectado a una fuente de energía externa y a una computadora.

El diseño completo, con las baterías, un procesador Qualcomm Snapdragon que es el mismo que el de los teléfonos celulares, sistemas de comunicación y sensores todos integrados, estaba listo en enero de 2018. Para imitar la débil atracción gravitatoria de Marte, una polea se tiró hacia arriba para contrarrestar parte de la gravedad de la Tierra. La densidad del aire en la cámara fue bombeada de nuevo hacia abajo. Pero esta vez, en lugar de dejar briznas de aire de la Tierra, se bombeó un poco de dióxido de carbono, el principal constituyente del aire marciano.

El helicóptero se levantó y voló.

Medio año más tarde, la NASA dio el visto bueno para añadir el helicóptero a la siguiente misión del rover de Marte de la NASA, Perseverance.

El Ingenuity está ahora unido a la panza del Perseverance, que está en los últimos preparativos para su lanzamiento desde Cabo Cañaveral, Florida.

Mientras tanto, Aung y su equipo están ensayando lo que harán una vez que Ingenuity esté en Marte. Con el Laboratorio de Propulsión a Chorro cerrado en gran parte debido a la pandemia de coronavirus, todo ese trabajo se ha hecho a través de teleconferencias, con todos los miembros del equipo trabajando en casa.

Unos dos meses después de que el Perseverance aterrice en Marte en febrero, comenzarán las pruebas del Ingenuity. El explorador encontrará un lugar plano adecuado, dejará caer el helicóptero al suelo y se alejará al menos 100 metros. “El helicóptero nunca regresa al rover”, dijo Aung.

En 30 días, el helicóptero hará hasta cinco vuelos. La mayor parte del tiempo se la pasará sentado esperando a que los paneles solares recarguen las baterías.

El primer vuelo es para subir unos metros y flotar hasta 30 segundos, y luego aterrizar. Los vuelos subsiguientes serán más largos, más altos, más lejanos. En el quinto vuelo, si todo funciona, el Ingenuity subirá unos 4, 5 metros, volará a 150 metros y luego volverá al lugar donde comenzó. Tiene dos cámaras: una en blanco y negro orientada hacia abajo, para saber dónde está, y una en color para ver el paisaje de forma oblicua. El vuelo durará 90 segundos.

Una vez que los vuelos estén terminados, el Ingenuity será dejado en su lugar de aterrizaje final, y el Perseverance se irá para el resto de su misión.

Aung dijo que la tecnología podría ser adaptada a una nave más grande, hasta unos 30 libras de peso en lugar de 4. Eso podría ser lo suficientemente grande como para llevar unos kilos de cámaras y otros instrumentos.

La NASA ya tiene planes para enviar a Titán, la luna más grande de Saturno, el Dragonfly, un rotor nuclear. Pero Titán tiene una atmósfera espesa, así que volar allí no plantea los mismos retos tecnológicos que Marte.

Incluso si los futuros helicópteros se dirigen a Marte, es casi seguro que nunca serán un medio de transporte viable para los astronautas de allí.

“No te imaginarías extenderlo hasta donde puedas volar con humanos como en la Tierra”, dijo Aung. “Simplemente no hay suficiente atmósfera”.