Il successo dell'elicottero Ingenuity della missione Mars 2020 Perseverance, ha incoraggiato gli ingegneri a valutare diverse opzioni di esplorazione aerea. Quest'ultima offre un modo nuovo di studiare Marte, di visitare luoghi che i rover non possono raggiungere, come canyon e vulcani, e anche per assistere a processi atmosferici e climatici a una quota dove gli orbiter non possono vedere e i rover non riescono ad arrivare.
"C'è questo strato planetario davvero importante e critico, così come nei primi chilometri dal suolo", ha affermato Kling in un comunicato stampa. “È qui che avvengono tutti gli scambi tra la superficie e l'atmosfera. È qui che la polvere viene raccolta e inviata nell'atmosfera, dove si mescola con i gas in tracce, dove avviene la modulazione dei venti su larga scala da parte dei flussi di montagna-valle. E non abbiamo molti dati a riguardo".

Il concetto su cui Kling sta lavorando con gli studenti dell'Università dell'Arizona è un aliante senza motore.
Nell'articolo, pubblicato sulla rivista Aerospace, il team osserva che gli alianti senza motore "attenuano i limiti di peso e di accumulo di energia tradizionalmente associati al volo a motore sfruttando invece i gradienti del vento atmosferico per il volo dinamico".

La squadra ha per ora progettato un aliante che ha un'apertura alare di circa 3,3 metri e pesa circa 5 chilogrammi che sarebbe in grado di trasportare una serie di sensori di navigazione, oltre a una fotocamera e sensori di temperatura e gas per raccogliere informazioni sull'atmosfera e sul paesaggio marziano.


La missione

L'aliante verrebbe trasportato da un pallone o un dirigibile, per poi essere rilasciato. Quindi, sfrutterebbe le correnti ascensionali termiche per il volo statico. Ancora meglio sarebbe il volo dinamico, che è una tecnica di volo utilizzata da alianti radiocomandati e talvolta anche da alianti per il trasporto umano, in cui il veicolo può guadagnare energia attraversando ripetutamente il confine tra masse d'aria a velocità diverse. Inoltre, su Marte, la velocità del vento aumenta spesso con l'altitudine, il che aiuterebbe a trasportare l'aliante per lunghe distanze.
"I risultati numerici per i cicli dinamici completi di volo hanno dimostrato che l'energia totale dell'aliante alla fine di un ciclo di volo aumenta del 6,8-11%", ha scritto il team. "Stimano che gli alianti possano continuamente raccogliere energia dall'atmosfera, volando per ore o addirittura giorni alla volta".

Nello studio il team ha utilizzato le equazioni di moto per gli alianti combinate con il Mars Regional Atmospheric Modeling System (MRAMS), un programma che simula le circolazioni dell'atmosfera marziana su scala regionale e locale.
Sono stati presi in esame due siti rappresentativi: il cratere Jezero, dove è atterrato Perseverance, e una zona del canyon Valles Marineris.

Secondo le stime, l'aliante sarà in grado di mappare le caratteristiche della superficie a meno di 100 centimetri per pixel.

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Crediti: Emily Dieckman/College of Engineering


I vantaggi

Dato che questi aeromobili, privi di un sistema di propulsione, sarebbero abbastanza leggeri e compatti, potrebbero essere inseriti in CubeSat e distribuiti come carichi utili secondari a un costo relativamente basso.
Si dispiegherebbero come gli origami, o si gonfierebbero, come tavole da stand up paddle. Un'altra opzione sarebbe un dispiegamento rapido durante l'ingresso, la discesa e l'atterraggio (EDL) di un veicolo di classe Mars Science Laboratory (MSL).

L'elicottero Ingenuity è atterrato con il rover Perseverance nel febbraio 2021 e pesa solo 1,8 chilogrammi. Ha testato, per la prima volta, il volo a motore e controllato su un altro pianeta e, finora, ha compiuto 29 voli, superando di gran lunga ogni aspettativa iniziale. Tuttavia, il veicolo a energia solare può volare solo per circa tre minuti alla volta e raggiunge un'altezza di soli 12 metri.
"Queste altre tecnologie sono state tutte molto limitate dall'energia", ha affermato il primo autore del documento, Adrien Bouskela, dottorando in ingegneria aerospaziale nel laboratorio di Micro Air Vehicles del professor Sergey Shkarayev dell'Università dell'Arizona. “Quello che stiamo proponendo è semplicemente usare l'energia in situ".

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Crediti: University of Arizona)

 

Dal progetto alla pratica

Il team, per ora, ha fatto volare la prima versione dell'aliante con un pallone ad alta quota.
Durante l'estate, i ricercatori "testeranno aerei sperimentali a circa 4.570 metri sul livello del mare, dove l'atmosfera terrestre è più sottile e le condizioni di volo sono più simili a quelle su Marte".

Il team stima che il costo dell'aliante sarebbe di 100 milioni di dollari o meno, molto economico rispetto a una missione di classe Discovery (tra le più economiche) della NASA di almeno 300 milioni di dollari.

L'Università dell'Arizona spera che alla fine la NASA finanzierà la missione e le consentirà di "ricevere un passaggio" su una missione per Marte già in fase di sviluppo. La natura a basso costo dell'aliante significa che potrebbe realizzarsi in tempi relativamente brevi, anni invece di decenni.