L’elicottero Ingenuity vola ancora su Marte: è la diciottesima volta

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Il 18 febbraio 2021, dopo sette mesi di viaggio, è atterrato su Marte il Rover Perseverance della NASA (la più grande missione robotica spaziale della storia); come al solito è stato un atterraggio in “stile NASA”: potente, pericoloso, coraggioso e scenografico.

La capsula, contenente il Rover di 1025 kg, grande quanto una utilitaria, è entrato nell’atmosfera marziana alla velocità di 19.500 km/h, provocando un attrito sulla capsula spaziale. Quest’ultima si è riscaldata fino alla temperatura di 1300°C (per proteggersi dall’alta temperatura vi è infatti uno scudo termico, quasi a forma di cono, che fornisce un primo rallentamento della capsula, sfruttando l’attrito dell’aria). Subito dopo, c’è stato il dispiegamento del paracadute (un paracadute supersonico, creato per resistere alle altissime velocità).

Video reale dell’atterraggio su Marte del Rover Perseverance, filmato dalle videocamere di bordo. Credit: Sonnet Apple/NASA/JPL

Una curiosità: La NASA inserisce spesso dei codici segreti nelle sue creazioni, con lo scopo di ispirare gli attuali ragazzi, nonché i futuri ingegneri aerospaziali. In questo caso il messaggio è stato potente; pensate: dopo un ingresso fatto a queste velocità, dopo un fuoco di 1300°C che ha avvolto la capsula, e dopo il dispiegamento “col botto” del paracadute supersonico (infatti il paracadute viene aperto proprio con una specie di carica esplosiva); ebbene, improvvisamente, sul tessuto del paracadute, sono apparsi dei simboli “bianchi e rossi”: si tratta di codici che sono codificabili mediante il codice binario del computer. Questi, una volta codificati, ci hanno trasmesso una frase motivazionale:

Molto meglio è osare cose straordinarie, ottenere trionfi gloriosi, anche se segnati da fallimenti, che unirsi alla schiera di quei poveri di spirito che non provano né grandi gioie né grandi dolori, perché vivono nel grigio crepuscolo che non conosce né vittoria né sconfitta.

Questo è stato poi seguito da un altro messaggio, inserito dagli ingegneri del JPL della NASA:

Quando l’umanità osa sognare, accadono cose potenti.

Subito dopo è avvenuta una operazione di altissimo livello ingegneristico e di coraggio: la capsula spaziale si è aperta e, con tanto coraggio, ha lanciato il Rover di 1025 kg nel cielo marziano, agganciato alla famosa “gru del cielo”, senza paracadute. Qualche attimo più tardi la “gru del cielo”, che teneva stretto a sé il Rover di 1025 kg, ha acceso i suoi retro razzi, per rallentare la caduta. E’ così avvenuta una manovra scenografica, fatta in solitudine, senza nessun comando dalla Terra (come tutta l’operazione di atterraggio): la “gru del cielo”, mentre è rimasta sospesa nel cielo di Marte grazie ai suoi retro razzi, ha cominciato, letteralmente, a calare il Rover con una fune di Nylon, fino a farlo toccare al suolo. Dopodiché la “gru del cielo” ha tagliato il cavo, che lo collegava al Rover, ed è volata via, schiantandosi qualche chilometro più avanti.

Il Rover Perseverance è dunque atterrato su un altro mondo, precisamente nel cratere Jezero di Marte. Per la prima volta nella storia, l’intera operazione di atterraggio è stata filmata dalle videocamere di bordo.

Una curiosità sul sistema di atterraggio: un Rover, completamente solo, senza nessun comando o aiuto dalla Terra, è riuscito ad atterrare in un punto preciso, prestabilito (è come se un robot alieno, dopo aver viaggiato sette mesi nello Spazio, per raggiungere un pianeta blu piccolissimo, come la Terra, riuscisse ad atterrare, in modo preciso, sull’erba dello stadio San Siro di Milano).

Animazione realizzata al computer per capire le fasi dell’atterraggio del Rover Perseverance. Credit: NASA/JPL-Caltech

COME CI E’ RIUSCITA LA NASA?

Nel computer di bordo della capsula è stata inserita una mappa del cratere Jezero, fotografata in precedenza da un satellite in orbita marziana. Sulla suddetta mappa c’era, evidenziato, il posto preciso dove gli ingegneri volevano che atterrasse. In questo modo, il computer di bordo, grazie alle fotocamere che scattavano fotografie durante l’atterraggio, è riuscito a confrontare le immagini “in diretta” con la mappa che gli ingegneri gli avevano salvato. In questo modo, sfruttando l’intelligenza artificiale, ha riconosciuto i posti della mappa e, in autonomia totale, ha pilotato la “gru del cielo” e il Rover verso il punto prestabilito. E non solo: grazie anche al radar e alle foto scattate “in diretta”, è riuscito a capire se il suolo marziano fosse pieno di pietre taglienti, rocce affilate, montagne ecc…, riuscendo così anche a scegliere il punto migliore e più sicuro per l’atterraggio.


IL PRIMO ELICOTTERO SU UN ALTRO PIANETA

Il Rover Perseverance, sotto la sua pancia, ha trasportato un altro figlio dell’ingegno umano: il “Mars Helicopter Ingenuity” (il primo elicottero drone su Marte).

17 dicembre 1903: primo volo motorizzato e controllato sul pianeta Terra, grazie ai fratelli Wright: il velivolo rimase in volo 12 secondi, e volò per 36 metri.

19 aprile 2021: primo volo motorizzato e controllato (in completa autonomia, senza nessun comando dall’esterno) sul pianeta Marte, grazie alla NASA: l’elicottero drone è rimasto in volo per 39,1 secondi, sollevandosi di 3 metri dal suolo, sfruttando la rotazione unica delle sue pale in fibra di carbonio, le quali hanno ruotato a più di 2400 giri al minuto.

Il Rover Perseverance, allontanatosi per questioni di sicurezza, ha filmato il primo volo della storia con una speciale videocamera in altissima risoluzione e con uno zoom potentissimo.

L’elicottero, essendo un esperimento, è stato dotato solo di una fotocamera ad alta risoluzione, oltre a tutti gli strumenti per la sopravvivenza e la funzionalità.


PERCHE’ ERA QUASI IMPOSSIBILE VOLARE SU MARTE?

Neanche la NASA credeva di poter volare su Marte; a convincerla sono stati gli ingegneri della JPL della NASA (Jet Propulsion Laboratory), i quali hanno rassicurato i capi sulla fattibilità del progetto.

Il problema numero 1 era l’aria marziana: troppo rarefatta (stare sul suolo di Marte è un po’ come stare sull’Everest per noi). Gli elicotteri non riescono a volare a quelle altitudini, proprio perché c’è poca aria.

Riassumendo: il pianeta Marte è circa la metà più piccolo della Terra, e il doppio della nostra Luna. Inoltre:

  • la gravità marziana è solo il 38% di quella della Terra;
  • è anche 1,5 volte più lontano dal Sole, rispetto alla Terra;
  • un anno marziano dura 687 giorni terrestri; un giorno su Marte (o come dicono gli astronomi “un Sol”) dura 24 ore, 39 minuti e 35 secondi;
  • l’atmosfera è circa l’1% della densità dell’atmosfera terrestre;
  • le temperature variano da -128°C, durante la notte polare, a +27°C a mezzogiorno all’equatore (in media c’è una temperatura di -53°C);
  • la distanza dalla Terra varia da 60 milioni di chilometri (ogni due anni si avvicina alla Terra fino a 60 milioni di km, per questo le missioni su Marte partono ogni due anni), fino ad una distanza massima di 205 milioni di chilometri.

Prima di analizzare i vari problemi del volo marziano, cerchiamo di capire le caratteristiche dell’elicottero Ingenuity:

  • Il suo peso è di 1,8 kg sulla Terra, e 0,68 kg su Marte (perché su Marte la gravità è inferiore); l’altezza è di 0,49 metri;
  • il suo sistema del rotore è composto da quattro pale in fibra di carbonio, disposte in due rotori controrotanti, lunghe 1,2 metri, che compiono circa 2400 giri al minuto;
  • il corpo dell’elicottero è grande 13,6 cm per 19,5 cm per 16,3 cm;
  • vi sono anche quattro gambe di atterraggio in composito di carbonio;
  • l’alimentazione è data da un pannello solare;
  • possiede infine due macchine fotografiche: una a colori e una in bianco e nero per la navigazione.

Il volo su Marte è impegnativo perché il Pianeta Rosso ha una gravità significativamente inferiore (un terzo di quella terrestre), e un’atmosfera estremamente sottile con solo l’1% della pressione in superficie rispetto al nostro pianeta. Ciò significa che ci sono relativamente poche molecole d’aria con cui le quattro pale dei due rotori di Ingenuity, larghe 1,2 metri, possano interagire per raggiungere il volo.

Gli ingegneri lo hanno testato sulla Terra in una camera speciale del JPL, da cui è stata aspirata quasi tutta l’aria, per simulare la sottile atmosfera marziana, e cercare così di risolvere i problemi del volo marziano.

Rispetto a un elicottero di dimensioni simili sulla Terra, Ingenuity ha pale più grandi che ruotano molto più velocemente, per sollevarlo nell’aria sottile di Marte. Il problema è stato quindi risolto aumentando le dimensioni delle pale, e aumentando anche i giri al minuto dei rotori. L’obiettivo era cercare di “acchiappare” più aria possibile, nonostante essa sia rarefatta.

In realtà gli ingegneri non erano sicuri di aver risolto tutti i problemi; per questo motivo Ingenuity è un elicottero “sperimentale”, e solo la prova “sul campo”, in questo caso su Marte, ha portato conoscenze in più agli ingegneri, soprattutto sull’aerodinamica del volo su Marte.

Ora il team della NASA è pronto per creare una nuova serie di elicotteri, non più sperimentali, da inviare in futuro sul pianeta rosso, per esplorare posti inaccessibili ai Rover, come ad esempio caverne, strati rocciosi con pietre taglienti ecc… in più saranno molto utili per l’esplorazione in coppia con i Rover, oppure con gli umani, quando sbarcheranno su Marte.

Video reale del primo volo compiuto dall’elicottero su Marte, filmato dal Rover Perseverance. Credit: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

COME FA A VOLARE IN AUTONOMIA, SENZA L’AIUTO DEI TERRESTRI?

Gli ingegneri della NASA non possono pilotare l’elicottero Ingenuity, tanto meno il Rover Perseverance, per questo dispongono di una “intelligenza artificiale” che gli permette di eseguire i compiti, e di risolvere i problemi da soli.

Perché non possono pilotarli? Il motivo è semplice: la distanza tra Marte e la Terra. Se dovessimo dire all’elicottero, o al Rover, di “andare a destra”, ci vorrebbero tra gli 8 e i 12 minuti di tempo per far arrivare il comando alle antenne dei veicoli, quindi diventerebbe impossibile pilotarli in tempo reale.

Questo problema viene risolto impartendo dei comandi al Rover Perseverance; in poche parole si invia un messaggio al Rover, nel quale si elencano tutti gli obiettivi da raggiungere e da eseguire durante la giornata. A sua volta, il Rover invia i comandi inerenti ai test di volo all’elicottero Ingenuity, il quale, una volta eseguiti e portati a termine, manda un messaggio al Rover, con tutte le informazioni carpite durante i test. Il Rover invia infine tutto il materiale del proprio lavoro eseguito, e del lavoro compiuto dall’elicottero, alle antenne della sonda che orbita attorno a Marte; a sua volta questa sonda invia tutto il materiale del Rover e dell’elicottero alle antenne situate sul pianeta Terra.

Ingenuity come fa a volare senza perdere la rotta? Soprattutto per due motivi: il primo è uno strumento chiamato IMU, il quale misura l’accelerazione e la rotazione dei rotori, grazie ai quali si può calcolare di quanti metri si è spostato (ad esempio se i comandi impartiti dagli ingegneri terrestri sono di spostarsi in avanti di 50 metri, grazie all’IMU si può rispettare ed eseguire il comando). Ma questo comando non basta, poiché c’è il rischio di schiantarsi e di perdere la rotta. Per risolvere questo problema sono state montate le famose telecamere di navigazione in bianco e nero (navcam) le quali, per tutta la durata del volo, scattano ben 30 immagini al secondo del suolo marziano. Tutte queste immagini vengono, immediatamente, inviate al computer di bordo, che in mezzo secondo le analizza e, in base a ciò che vede (ad esempio la forma di una roccia, una duna di sabbia ecc…), cerca di intuire come sarà la foto successiva, e come continuerà quella “forma” di roccia o di sabbia. E subito dopo, grazie alle successive foto, cerca di capire se aveva ragione.

Quindi c’è un susseguirsi di foto e di informazioni, le quali aiutano l’intelligenza artificiale a capire dove si trova e dove sta andando. Ad esempio, se dalle foto scattate durante il volo il computer intuisce che, quella forma particolare di roccia, può trasformarsi in una collina, allora cerca di far cambiare rotta all’elicottero, anticipando un eventuale schianto.

Questo sistema potrebbe avere dei limiti perché, se aumentassimo la velocità dell’elicottero, le 30 immagini al secondo potrebbero risultare più sfocate, e quindi mandare in tilt il computer di bordo.

Ma, sorprendentemente, su Marte non è successo. Gli ingegneri della NASA hanno provato ad aumentare la velocità, ad alzarlo di quota. Insomma, a far di tutto per farlo impallare, ma Ingenuity ha sempre continuato a volare in modo quasi perfetto. E’ incredibile, considerando il fatto che sia un elicottero “sperimentale”.

I VOLI DI INGENUITY

Attualmente l’elicottero ha compiuto ben 18 voli, totalizzando un record di oltre 30 minuti in volo su un altro pianeta. Ed è ancora sano.

Alla NASA sono tutti increduli, visto che era stato progettato per funzionare per 30 giorni, e invece a dicembre è ancora in perfetta forma, nonostante continui a volare da aprile.

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Gli ingegneri hanno deciso di metterlo a disposizione del Rover Perseverance, per aiutarlo nella navigazione. In poche parole, prima che il Rover si avventuri verso un posto ignoto, l’elicottero, alzandosi in volo, va a “curiosare” nel suddetto posto, per capire se vi sono dei pericoli.

Ingenuity, fino ad ora, ha totalizzato oltre 30 minuti di volo (per la precisione circa 33 minuti); ha percorso in totale 3.592 metri, alzandosi in volo fino a 12 metri di altezza, e viaggiando alla velocità di 5 metri al secondo.

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IL 18° VOLO

Il 15 dicembre 2021 l’elicottero ha compiuto il suo 18° volo su Marte: ha percorso ben 230 metri, alla velocità di 9 km/h.

Articolo a cura di Fabio Meneghella