Sabato 25 Novembre 2017
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Un "rover-ingranaggio" per esplorare Venere (e non solo)

Rappresentazione artistica del rover AREE
Rappresentazione artistica del rover AREE Crediti: Jonathan Sauder

Il JPL sta valutando un rover "a orologeria" molto spartano e resistente, da usare in ambienti estremi come la superficie di Venere.

 Gli ambienti con condizioni estreme abbondano nel sistema solare, dalle fasce di radiazione intorno a Giove alle elevate temperature superficiali di Mercurio e Venere. In ques'ultimo caso, si devono aggiungere le pressioni elevate e le piogge altamente corrosive. Generalmente, i componenti più sensibili all'ambiente per un rover o un veicolo spaziale sono quelli elettronici, impossibilitati a smaltire il calore se la temperatura esterna è già alta, incapaci di funzionare nel freddo estremo o soggetti a errori di funzionamento se bombardati da radiazioni ionizzanti.

 Recentemente, la NASA ha avviato il programma "Innovative Advanced Concepts" (NIAC), nel cui ambito c'è questa proposta per una esplorazione di lunga durata con un rover sulla superficie di Venere, analogamente a quanto si sta facendo da anni su Marte. Si tratta del progetto Automaton Rover for Extreme Environments (AREE) di cui il Jet Propulsion Laboratory di Pasadena sta valutando la fattibilità.

 Il pianeta più vicino e più simile per dimensioni alla Tarre ha però una temperatura superficiale abbastanza elevata (460 °C) da fondere un cavo o una saldatura e una pressione abbastanza alta (90 bar) da schiacciare lo scafo di un sottomarino nucleare, a 900 m di profondità nell'oceano. Solo i sovietici hanno fatto uno sforzo concertato per esplorare questo ambiente estremo dalla fine degli anni Sessanta agli inizi degli anni '80. Dei 14 tentativi di sbarco Venera / Vega, solo 9 hanno avuto successo, e anche questi casi, hanno funzionato da 23 a 127 minuti prima di guastarsi. Le proposte di missione moderne non sono molto migliori: una delle ultime, con un costo di 2-3 miliardi di $, utilizza un sistema di raffreddamento a gas/ liquido, ma potrebbe garantire la sopravvivenza in superficie per meno di un giorno prima del fallimento del sistema. In queste condizioni, risulterebbe impossibile collezionare un sufficiente numero di campioni geologici e di dati climatici critici, importanti per creare modelli planetari dinamici e climatologici comparativi con una sola missione.

 Per realizzare una esplorazione a lungo termine, finora erano state proposte due tecnologie alternative: quella basata su generatori a radiosiotopi RTG per il raffreddamento dell'elettronica, e quella di una elettronica ad alta temperatura. La prima è molto complessa e richiede miliardi da investire in ricerca e sviluppo, mentre la seconda non è ancora vicino al livello di integrazione richiesto per un rover. Il programma AREE costituisce un terzo approccio basato sugli automatismi, cioè dispositivi meccanici capaci di eseguire una serie di azioni complesse per ottenere un risultato specifico.

 Gli automatismi sono da tempo studiati come forme d'arte ma rimangono inesplorati per applicazioni spaziali. Il rover automatico è stato progettato per ridurre i requisiti dell'elettronica, richiedendo un'interazione umana minima e basata sull'architettura di sussistenza dalla robotica, dove le semplici reazioni del rover portano a comportamenti complessi. AREE combina una tecnologia retrò o "steampunk" con quella dell'esplorazione spaziale per consentire risultati scientifici inaccessibili con la sola tecnologia spaziale odierna. Nella fase 1 sono state confrontate tecnologie puramente meccaniche con un rover di elettronica ad alta temperatura e una tecnologia ibrida. Un rover puramente meccanico, pur realizzabile, non è pratico mentre un rover elettronico ad alta temperatura non è possibile con la tecnologia attuale, ma un rover ibrido sarebbe estremamente impegnativo.

AREE 2

Diagramma schematico con le principali caratteristiche del rover AREE (l'astronauta serve a definire la scala) - JPL / Caltech

 Il progetto, come si vede nello schema qui sopra, prevede un rover di grosse dimensioni, alimentato principalmente dai forti venti venusiani e, secondariamente, dai pannelli solari. Sulla base del progetto creato nella Fase 1, l'obiettivo di questo lavoro è finalizzare l'implementazione dei sistemi di locomozione e di comunicazione, sviluppare un progetto di rover dettagliato e poi eseguire test ambientali di un prototipo rappresentativo. L'esecuzione di questo lavoro cambierebbe il paradigma di esplorazione di Venere poichè, ad oggi, l'esplorzione in loco a lungo termine di questo pianeta non era considerato un'opzione realistica. AREE dimostra come un tale sistema possa essere raggiunto oggi utilizzando intelligentemente la tecnologia attuale e migliorandola con la tecnologia di domani.

Per affrontare queste difficoltà, Jonathan Sauder, ingegnere della meccatronica JPL, si avvicinò all'idea di un rover a orologeria nel 2015. Era ispirato da primi computer meccanici che precedono l'era elettronica, come la macchina greca di Antikythera per prevedere le eclissi o l'automa The Writer dello svizzero Pierre Jaquet-Droz, in grado di produrre combinazioni di lettere attraverso la programmazione. Charles Babbage ha anche immaginato un "Difference Engine" meccanico per risolvere equazioni algebriche e, più recentemente, l'artista Theo Jansen ha creato le sculture cinetiche note come Strandbeests. Queste creature meccaniche, mosse dal vento,hanno ispirato il design iniziale per AREE come illustrato nel filmato seguente. Successivamente, le gambe sono state ritenute instabili e sono state sostituite con cingoli che ricordano i carri armati della prima guerra mondiale

 Questo rover non ortodosso dovrebbe comunque affrontare diverse sfide per sopravvivere a Venere. Una tra tante, i venti sulla superficie di Venere che sono lenti (soffiando a soli 0,3-1,3 metri al secondo), ma sono più potenti di quelli sperimentati sulla Terra. Gli ingegneri dovranno anche costruire il rover usando materiali in grado di funzionare sotto forti escursioni termiche. In effetti, gli ingegneri sovietici progettarono i primi lander Venera tenendo conto dell'espansione termica, per una prestazione ottimale.

 La comunicazione senza l'elettronica tradizionale richiederà una certa creatività. Gli ingegneri AREE stanno esaminando una soluzione antica: il codice Morse. Se un orbiter accompagnerà il rover su Venere, potrebbe regolarmente illuminare il rover usando il radar. Un otturatore rotante di fronte al bersaglio del radar potrebbe venire aperto e chiuso per inviare un segnale di codice binario all'orbiter. Naturalmente, questa sarebbe una conversazione lenta e unidirezionale, dal rover all'orbiter e quindi alla Terra, senza modo di rispondere per dire al rover cosa fare. Una volta su Venere, il rover sarà da solo.

 Le scienze avrebbero altresì limitazioni: il rover ibrido meccanico/elettrico avrebbe limitate capacità di imaging (elettronica limitata significa niente telecamere)."Gli strumenti meccanici sarebbero piuttosto grezzi", dice Saunder. "C'è molto da fare nell'ambito degli strumenti elettronici a temperatura elevata, il che ci ha spinti verso un rover ibrido, dove i sistemi di mobilità e di potenza vengono realizzati meccanicamente e poi gli strumenti vengono implementati elettricamente".

 

Riferimenti:
https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2017_Phase_I_Phase_II/Automaton_Rover_Extreme_Environments/
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/mechanical-clockwork-rover-explore-venus/?utm_source=newsletter&utm_campaign=sky-jma-nl-170901&utm_content=967011_EDT_SKY_170901&utm_medium=email

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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!

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