Giovedì 21 Settembre 2017
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Come muoversi meglio su Marte (seconda parte)

Modello di rover a o zampe ("ragno marziano") ideato dall'autore; in arancione i pannelli solari.
Modello di rover a o zampe ("ragno marziano") ideato dall'autore; in arancione i pannelli solari. Copyright: M. Di Lorenzo (done with 3D builder)

Dopo avere analizzato le problematiche nel muoversi sulla superficie del pianeta rosso, ecco qualche idea che potrebbe risolvere alcuni aspetti.

 Nota Bene: questo articolo doveva essere pubblicato due anni fa ma è rimasto in "incubazione" per difficoltà tecniche. L'autore se ne scusa con i lettori...

 Nel precedente articolo abbiamo passato in rassegna i rover marziani atterrati con successo su Marte, tutti di costruzione americana. A questo punto, prendendo spunto dalle problematiche che sono emerse finora e passando per una rapida carrellata su un paio di rover in via di realizzazione (uno europeo e l'altro cinese), cercherò di proporre qualche idea per andare oltre quelle difficoltà.

ExoMars

EXOdesign

Due viste di ExoMars con i 12 strumenti di bordo - credits: ESA - CNES

 Il progetto di rover europeo, da lanciare nel 2020, è stato rivisto e modificato più volte anche a causa del cambiamento di partnership (inizialmente doveva essere una collaborazione con la NASA, ora invece è con la Russia). La versione attuale prevede un rover principalmente alimentato da pannelli solari (ma c'è anche un generaore al plutonio) somigliante ai MER ma dotato di un sistema più complesso di sospensioni. Mentre nei rover americani le due ruote centrali sono fisse e sono accoppiate a quelle posteriori tramite un disegno denominato "rocker-bogie", qui le sei ruote sono tutte sterzanti e formano tre coppie indipendenti (una coppia è formata da ruote appartenenti a due lati opposti, si veda l'immagine sottostante). Questo dovrebbe conferire al rover maggiori possibilità di movimento (si parla della capacità di "quasi camminare" sulla superficie, ma non è proprio così!).

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Prototipo dimostrativo sul sistema di locomozione di ExoMars esposto a Torino nel 2010 - Credits: Thales Alenia Space-Italy

 In ogni caso, il sistema di navigazione di ExoMars sarà molto simile a quello adottato sui rover americani e si basa su una coppia di fotocamere stereoscopiche (NAVcam) poste in posizione elevata per stabilire in anticipo il percorso e su un software autonomo in grado di garantire una percorrenza di 100m/Sol.

 

Rover Cinese

 Anche la Cina sta lavorando a diversi possibili rover da inviare su Marte intorno al 2020 (si veda questo articolo di Elisabetta). Uno di questi è stato presentato in una esposizione a Shangai e, pur essendo un prototipo abbastanza approssimativo, presenta svariati aspetti innovativi che lo rendono molto interessante.

cineserie

Il prototipo presentato al 2014 China International Industry Fair (CIIF) nel Novembre scorso (Source: Xinhuanet.com/ Chinanews.com)

 Tanto per cominciare, la parte inferiore è chiaramente ispirata a ExoMars perchè anche qui le ruote sono accoppiate e non in modalità "rocker-bogie". I pannelli solari sono invece costituiti da una serie di petali che si aprono a formare un "fiore" circolare (simili a quelli degli americani MPL, Phoenix, InSight e Max-C) e, soprattutto, sono orientabili. Infine, la Mastcam che sostiene le 4 fotocamere ad alta definizione è decisamente alta, circa 3 metri. Vediamo cosa questo significa nel prossimo paragrafo.

 

Strategie per un rover a lungo raggio

 Avere un rover con una maggiore autonomia e un grande raggio di azione non è un vezzo dettato dal desiderio di riprendere paesggi diversi ma è una necessità scientifica fondamentale. Tra l'altro, si tratta di un requisito essenziale per avere il massimo ritorno scientifico nel caso di una costosa missione "Sample Return", in cui uno o più rover raccolgono campioni di terreno il più possibile diversi tra loro per poi caricarli su un piccolo razzo che li riporti a Terra.

 Le caratteristiche dei due rover esaminati in precedenza, in particolare quello cinese, ci fanno capire come sia possibile aggirare alcuni dei limiti di mobilità sperimentati dai rover americani. In effetti, per quanto riguarda i pannelli solari, la mancanza di sufficiente insolazione durante i mesi invernali ha costretto i due MER a fare delle lunghe soste che potremmo chiamare "letarghi", durante le quali il rover deve rimanere immobile su un pendio opportunamente orientato che garantisca un irraggiamento sufficiente a mantenere un minimo di supporto vitale. Pannelli orientabili permetterebbero invece al rover di potersi spostare, seppure in maniera limitata, anche in questi periodi più critici; inoltre, la possibilità di inclinare i pannelli solari e magari di farli anche vibrare permetterebbe di ripulirli periodicamente dalla polvere eliminando un altro grosso problema che da sempre limita le attività dei MER, misurato tramite il famoso "dust factor" (per osservarne l'andamento si consulti la pagina delle statistiche di Opportunity); in caso contrario, bisogna sperare che qualche provvidenziale "dust devil" (mulinello d'aria) passi nelle vicinanze e soffi via la polvere, ed in effetti è proprio grazie a questi aiuti inaspettati che la missione dei MER è andata molto oltre ogni aspettativa, ma di certo non si può far conto su simili colpi di fortuna in fase di progettazione!

dustdevil

 Un enorme "Dust Devil" fotografato nel 2012 da MRO - Image credit: NASA/JPL-Caltech/UA

 Parlando di approvigionamento energetico, ovviamente la soluzione ideale sarebbe quella adottata per Curiosity, ovvero un generatore a radioisotopi che, sfruttando il calore prodotto dalla radioattività del Plutonio, fornisce una sorgente energetica praticamente costante per decenni, senza dipendere dai capricci delle stagioni e della polvere; tuttavia questa soluzione, oltre a comportare dei rischi ambientali (minimi) in fase di lancio, implica un sensibile aumento di ingombro e di peso e infatti è stata adottata in un rover decisamente più grande dei MER. In questi articoli ci concentreremo invece su missioni di taglia media, come appunto MER e Exomars, e questo perchè i costi dipendono fortemente dalla massa e dalla complessità, come mostrato nella tabella riportata nella prima parte.

 C'è poi il discorso della navigazione. I "drive" dei rover vengono generalmente pianificati in largo anticipo da Terra esaminando attentamente le immagini satellitari e, soprattutto, le riprese fatte dalle camere stereoscopiche di navigazione; come spiegato nel primo articolo, i rover usano comunque le immagni riprese dalle Navcam durante lo spostamento ma lo fanno in maniera autonoma solo per stabilire il percorso dettagliato da seguire per un breve tratto; dopo, devono nuovamente fermarsi a indagare il terreno. Naturalmente, l'accuratezza del percorso pianificato (e quindi anche le probabilità che venga effettivamente compiuto con successo) dipendono molto dalla capacità del rover di "vedere lontano", sia in termini di visibilità vera e propria (assenza di ostacoli lungo la linea di vista), sia in termini di potere risolutivo. In questo senso, l'idea che sta alla base del rover cinese è ottima perchè l'altezza da terra delle fotocamere e la loro risoluzione sono nettamente superiori a quelle dei rover precedenti; in effetti, sia le NavCam dei MER che quelle di Curiosity hanno una altezza da terra di circa 2 metri e una risoluzione di 1024x1024 pixel su un campo largo 45°; questo significa che, a una distanza di 100m, un pixel dell'immagine corrisponde a 8cm, un pò troppi per capire che tipo di terreno c'è realmente. Nel caso di Curiosity, a dire il vero, si è cercato di rimediare installando anche due "Mastcam" dotate di ottica teleobiettivo e risoluzione migliore. Inoltre, di capacità di percepire la profondità della scena tramite parallasse è nettamente migliorata nelle NavCam di Curiosity, dove la baseline è di ben 42cm. Rimane tuttavia il problema di un raggio d'azione limitato e un campo visivo che a volte è parzialmente nascosto da ostacoli (colline, grosse rocce o avvallamenti del terreno).

 

Il ragno marziano

 Eccoci arrivati al mio personale progettino. Ovviamente si tratta solo di una idea di massima, non sviluppata in profondità e un pò provocatoria, poichè mette in discussione alcuni caposaldi o paradigmi dell'esplorazione marziana del passato ma anche del futuro prossimo.

Marspider 2

Il "ragno marziano" visto stavolta da dietro, in primo piano il piccolo drone posato su di esso. Copyright: Marco di Lorenzo (made with 3D builder)

 Si tratta di un rover di media taglia (dimensioni confrontabili con i MER) e anch'esso dotato di un braccio robotico con svariati strumenti per l'analisi ravvicinata del terreno; ci sarebbe anche una "mastcam" per studiare soggetti a maggiore distanza ma, come vedremo, non è più così essenziale perchè, per muoversi, il rover adotta una strategia diversa; di conseguenza, le fotocamere di navigazione potrebbero venire soppresse lasciando solo quelle panoramiche per spettacolari riprese ad alta risoluzione e a colori durante le soste. Al posto delle NavCam, giusto per documentare il paesaggio attraversato senza perderci troppo tempo, si potrebbe ricorrere a un sistema di ripresa della scena a 360°, da realizzare tramite 3 o 4 piccole camere fisse a largo campo montate sul traliccio della mastcam, oppure tramite una torretta con sensore monodimensionale che gira su se stessa (come le vecchie Viking) o infine tramite una camera "panosferica" a specchio e con sensore ad alta risoluzione (ma questa è un'altra mia idea innovativa di cui parlerò in separata sede). Opzionalmente, potrebbe essere presente anche un trapano per prelevare e analizzare campioni dal sottosuolo e magari stivarli nel corpo del rover per una eventuale "sample return mission" separata; nel modello semplificato rappresentato nelle immagini, questa e altre parti (come le antenne a basso/alto guadagno o un'eventuale stazione meteorologica) non sono riportate, mentre sono evidenti i due pannelli solari di forma circolare, che si aprono a ventaglio e si ispirano a quelli di Phoenix, di MarsInSight e del prototipo cinese.

 Come si intuisce dal nome e dalle immagini pubblicate in apertura e qui sopra, l'innovazione più evidente è, naturalmente, l'eliminazione delle ruote in favore delle zampe. Potrebbe sembrare un passo indietro, dato che la storia tecnologica dell'umanità è iniziata proprio con l'invenzione della ruota; eppure, per muoversi su un terreno variegato e accidentato, non c'è nulla di meglio di uno o più paia di zampe, come ci insegna la natura! Del resto, le esperienze negative di Spirit (che ha terminato la sua missione perchè è rimasto "insabbiato") e Curiosity (che rischia di fare la stessa fine perchè le ruote si stanno danneggiando rapidamente a causa delle asperità del terreno) parlano chiaro!

 Con le zampe, l'unica accortezza (come ben sappiamo noi bipedi) è quella di posarle nei posti giusti, evitando zone cedevoli come sassi instabili o buche. In questo senso, un grande aiuto viene da un numero elevato di punti di appoggio, in modo da garantire sempre una stabilità anche in caso di cedimento di una zampa. Per questo sono necessarie almeno quattro zampe, ma sono meglio 6 perchè altrimenti il baricentro rischia di cadere sul bordo del "triangolo d'appoggio" se una zampa cede. In pratica, con 6 zampe il rover si troverebbe sempre in situazione di equilibrio stabile poichè, mentre avanza, avrebbe comunque 3 zampe immobili poggiate sul terreno (le 2 estreme su un lato e quella centrale sull'altro) mentre le altre 3 si sollevano, avanzano e si riabbassano.

 Nel modello qui presentato le zampe sono addirittura 8, il che lo rende più simile ad un ragno che ad un insetto. Il motivo di questa scelta è dettato, oltre che dalla maggiore stabilità, dalla necessità di avere una buona ridondanza, ovvero mantenere la capacità di muoversi anche nel caso che una o due zampe non funzionino; lo scotto da pagare è una maggiore complessità che si traduce anch'essa in un aumento delle probabilità di fallimento, perciò la convenienza tra 6 e 8 zampe non è ovvia e va valutata attentamente.

 Per quanto riguarda il movimento di queste zampe, ci sono numerose possibilità legate al numero di gradi di libertà e al tipo di articolazione. La soluzione più semplice sarebbe quella di consentire un solo movimento "circolare" che solleva la zampa e, contemporeaneamente, la fa roteare in avanti; questa soluzione è però sconsigliabile perchè non offre flessibilità e, in caso di ostacoli più alti del solito, potrebbe creare seri problemi. Invece una zampa con due o più movimenti indipendenti (sollevamento e avanzamento) somiglierebbe molto di più a quella di un animale e permetterebbe di aggirare ostacoli in scioltezza; lo scotto da pagare è una maggiore complessità (sono necessari almeno 2 motori elettrici per zampa) con inevitabile impatto sulla affidabilità. A questo proposito, probabilmente converrebbe realizzare entrambi i movimenti sullo stesso snodo, nel punto in cui la zampa si unisce al corpo del rover, e non all'esterno lungo la zampa; questo per evitare di avere una articolazione troppo esposta alla polvere e ai notevoli sbalzi termici, cose che ne ridurrebbero ulteriormente l'affidabilità.

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Il prototipo Crabster CR200 sviluppato dal Korean Institute of Ocean Science and Technology per esplorare i fondali oceanici.

 L'altra innovazione riguarda il piccolo drone volante, un quad-coptero che svolge un ruolo fondamentale nella navigazione del rover. In pratica, prima di ogni spostamento, il drone fa una ricognizione del percorso previsto per il rover (un percorso di massima, basato principalmente sulle immagini satellitari). Dovendo limitare al massimo il peso (l'atmosfera di Marte è molto più rarefatta di quella terrestre), l'ottica del drone non può essere troppo sofisticata ma, volando a qualche decina di metri di altezza, il drone dovrebbe essere in grado di ricavare mappe tridimensionali del terreno con dettaglio dell'ordine del centimetro, sufficiente per pianificare il tragitto del rover con una precisione tale da non richiedere soste o deviazioni ma solo un "matching" locale con le immagini fornite dalle "hazcam" anteriori.

 Un vantaggio collaterale del drone è quello di poter ripulire dalla polvere i pannelli solari del rover volando poco sopra di essi, sfruttando lo spostamento d'aria prodotto dalle pale. Il drone dovrebbe potersi posare sul rover per ricaricare le batterie ed eventualmente scaricare le mappe (entrambe le operazioni potrebbero sfruttare la tecnologia wireless). Tuttavia, volendo evitare il rischio di danneggiare il rover, si potrebbe anche rendere il drone del tutto autonomo, con pannelli solari e con capacità di posarsi sul suolo e di trasmettere a maggiore distanza le informazioni; tutto questo implica però un ulteriore aggravio di peso e non è detto che sia realizzabile data la ridotta portanza delle pale nell'atmosfera marziana.

 Infine, se l'atmosfera dovesse rivelarsi troppo rarefatta per i rotori del drone, si potrebbe puntare all'alternativa di un "grillo" che effettua grandi salti spinto da aria marziana precedentemente compressa. Tuttavia, è una soluzione meno praticabile poichè, oltre alla minore precisione di volo con annesso il rischio di cadute rovinose, il compressore e il serbatoio di aria compressa a bordo del drone finirebbero per appesantirlo notevolmente, eliminando i vantaggi.

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Il drone vola vicino a un pannello solare rimuovendo la povere. Copyright: Marco di Lorenzo (made with 3D builder)

 Con questi e altri stratagemmi, il rover dovrebbe essere in grado di percorrere tipicamente 1 km al giorno, con una velocità "di crociera" confrontabile con i rover dotati di ruote (3-5 cm/s) ma senza le pause e i tempi ridotti di driving che li caratterizzano; tutto questo implica per il drone una autonomia di andata e ritorno di almeno 2 km, valore che comunque può essere dimezzato se si decide di rendere il drone autonomo oppure se si spezza la sua ricognizione in due fasi (antimeridiana e pomeridiana). Si tratta di una percorrenza non certo elevata per gli standard terrestri ma è un ordine di grandezza superiore a quanto si è fatto finora. Questo consentirebbe, nel caso di una missione lunga come quella di Opportunity, di coprire una distanza di oltre 3000 km, attraversando terreni anche molto diversi tra loro, mostrandoci una infinità di paesaggi e svelando chissà quante meraviglie!

 

Riferimenti:

- http://exploration.esa.int/mars/45084-exomars-rover/

- http://smsc.cnes.fr/EXOMARS/OLD/GP_rover.htm
- http://news.xinhuanet.com/english/photo/2014-11/04/c_133765462_3.htm 

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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