Perseverance: il rover con l'udito per sentire i suoni di marte

Dopo aver dato un primo sguardo al rover Perseverance, completiamo il discorso parlando del sistema di trasmissione e di alimentazione.

Perseverance: il rover con l'udito per sentire i suoni di marte
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Nel "precedente episodio" incentrato su Perseverance (vi consigliamo di recuperarlo leggendo il nostro primo sguardo al rover Perseverance) abbiamo parlato diffusamente della missione MARS 2020, degli obiettivi che gli scienziati della NASA si augurano di portare a compimento e sopratutto vi abbiamo parlato della tecnologia che si nasconde dietro un simpatico robot a sei ruote.
Quest'oggi completeremo il discorso, capiremo cosa si nasconde dietro il suo "udito" e dietro al sistema di comunicazione installato a bordo, concludendo con uno sguardo alle modalità con cui il rover raccoglierà campioni e si sposterà tutto solo su Marte.

Microfoni

L'udito è l'ultimo dei cinque sensi ad arrivare sul Pianeta Rosso. I robot che hanno "abitato" Marte negli ultimi anni, hanno potuto far uso della quasi totalità dell'esperienza sensoriale di un essere umano: le telecamere per la vista, pinze e braccia robotiche hanno sostituito il tatto e i sensori termici e chimici hanno sostituito il gusto e l'olfatto.

Quando il rover Perseverance arriverà su Marte potrà utilizzare due microfoni. Questa aggiunta consentirà finalmente di ascoltare i suoni di Marte. Non è la prima volta che dei veicoli spaziali della NASA viaggiano verso Marte trasportando due microfoni. Ad esempio nella missione del Mars Polar Lander, che purtroppo fallì, e in quella del Phoenix Lander, che disponeva di un microfono sulla videocamera di discesa del veicolo spaziale, che non si accese mai.

Sentire su Marte

Gli ingegneri hanno equipaggiato Perseverance per renderlo un buon ascoltatore. Dispone di microfoni Entry Descent and Landing (EDL) che registreranno i suoni dell'atterraggio. Le camere a bordo del rover sono equipaggiate con una serie di microfoni che contribuiranno a studiare le rocce e il suolo di Marte. E gli ingegneri potrebbero, in particolari condizioni, essere in grado di ascoltare i suoni del rover stesso.

Il sistema Entry Descent and Landing (EDL) di Mars 2020 è simile al Mars Science Laboratory (Curiosity), ma è dotato di un microfono più potente, con cui registrare i suoni nelle fasi di discesa. Questo microfono registra l'audio mentre Perseverance scende in superficie e potrebbe registrare suoni come l'attrito dell'atmosfera e la polvere spostata durante l'atterraggio.

I suoni di un laser

Quando Perseverance spara un laser su una roccia, una piccola quantità di essa si vaporizza in un gas caldo (il plasma di cui vi parlavamo prima), e il calore e le vibrazioni creano un'onda d'urto che emette un suono "scoppiettante". Il microfono sente lo "scoppio" mentre il laser colpisce la roccia a diversi metri di distanza dal rover ed è proprio l'intensità del suono a dare informazioni come la durezza delle rocce e quindi sul contesto geologico in cui si sono formate. Ad esempio, la durezza della roccia può aiutare a determinare se questa si sia formata in un lago o sia stata erosa dal vento.

Il microfono principale può ascoltare per circa 4 minuti alla volta. Questo da al rover la possibilità di sentire i suoni di Marte, come il rumore acuto dei granelli di sabbia che battono sul veicolo, il vento che fischia intorno a Perseverance o folate di vento improvvise, oltre alle operazioni di carotaggio delle rocce e le ruote che scricchiolano contro la superficie. In alcuni casi, il suono può aiutare il team a diagnosticare lo stato di usura dei meccanismi o degli strumenti interni del rover.

A batteria

Il rover, semplicemente, ha bisogno di elettricità per funzionare. Perseverance è equipaggiato con un sistema di alimentazione a radioisotopi e collocato nella parte posteriore del telaio. Questo sistema di alimentazione produce un flusso costante e stabile di elettricità sfruttando come "combustibile" il calore proveniente dal decadimento radioattivo del plutonio. Insomma all'interno del sistema di alimentazione avviene una conversione di energia il cui prodotto finale è un'energia di tipo elettrico.

La fonte di alimentazione è chiamata "Generatore termoelettrico multi-missione a radioisotopi " o MMRTG in breve. Ed è proprio L'MMRTG a convertire il calore dal decadimento radioattivo naturale del plutonio in elettricità. Questo sistema di alimentazione si occupa dell'operazione di carica delle due batterie principali del rover (due batterie ricaricabili agli ioni di litio) ed il calore proveniente dall'MMRTG viene in aggiunta sfruttato per mantenere la strumentazione e l'intero rover alle opportune temperature operative.
Nell'immagine che segue, si può ammirare il generatore termoelettrico multi-missione a radioisotopi, in una fase precedente all'istallazione sul corpo principale del rover.

Il sistema di alimentazione elettrica di Perseverance è in sostanza molto simile a quello utilizzato sul rover Curiosity del Mars Science Laboratory. La NASA ha usato sistemi di alimentazione simili per decenni, seguendo la filosofia del "cavallo che vince non si cambia". Un esempio? Le missioni Apollo sulla Luna, le missioni come Pioneer, Voyager, Ulisse, Galileo, Cassini e New Horizon, hanno tutte in comune lo stesso sistema di alimentazione. Laddove si manifesta il processo di formazione di calore, sono presenti diversi strati di materiale protettivo e resistente alle alte temperature.

Tra questi vi è addirittura una tipologia di materiale utilizzata nella "punta" di alcuni razzi progettati dalla NASA, che dovevano sopportare le alte temperature che si generavano durante il rientro nell'atmosfera terrestre. Inoltre, il carburante radioisotopico è presente in forma "ceramica", e questo con uno scopo ben preciso: un materiale di tipo ceramico resiste alla rottura e difficilmente si riduce in pezzi di piccole dimensioni, in tal modo si riesce a ridurre la possibilità che il materiale (che è ovviamente tossico) possa fuoriuscire durante i test, durante la fase di lancio o durante la missione su Marte.

Nella poco probabile (ma pur sempre possibile) eventualità di un incidente sul sito di lancio, la dose massima stimata che un operatore nelle vicinanze potrebbe ricevere è di 210 millirem. Un residente degli Stati Uniti riceve, in media, 310 milioni di radiazioni ogni anno da fonti naturali, come quelle generate dal radon e dai raggi cosmici provenienti dallo spazio.
In conclusione, questo sistema di alimentazione introduce alcuni vantaggi. L'MMRTG ha una vita operativa stimata a 15 anni, quindi copre ampiamente la durata stimata della missione del rover Perseverance (che durerà circa 3 anni terrestri). Offrirà al rover molta libertà di movimento, essendo di dimensioni contenute. E la strumentazione di Perseverance ne ha beneficiato: ora c'è più spazio per il computer di bordo, per le provette e il "laboratorio" in cui sono custodite le varie punte per il trapano del braccio robotico.

Ruote e gambe di Perseverance

Il rover Perseverance ha sei ruote, ognuna equipaggiata con un proprio motore individuale. Le due ruote anteriori le due posteriori sono leggermente diverse perché equipaggiate con dei motori di sterzo individuali. Questa capacità di sterzata consente al veicolo eseguire una rotazione completa sul posto ed il sistema di sterzata a quattro ruote permette al rover curvare in modo molto preciso.

Le "gambe" sono realizzate con tubi in titanio formati con lo stesso processo utilizzato per creare telai per mountain bike di alta qualità. Queste estensioni permettono al rover di superare ostacoli alti 78 centimetri. Le ruote sono realizzate in alluminio, con elementi ricurvi in titanio, per ottenere un comportamento elastico. Misurano 52.5 centimetri di diametro.

Un po' lento

Secondo gli standard dei veicoli terrestri, il rover Perseverance è molto lento. Per quelli marziani tuttavia, Perseverance è uno dei più veloci in assoluto. Il rover ha una velocità massima su terreno piano di 4,2 centimetri al secondo, o 152 metri all'ora.
Ma per esplorare Marte, la velocità non è un fattore fondamentale, né quello più rilevante. Per questo tipo di missioni si valuta soprattutto il dispendio energetico di ogni azione intrapresa dal lander, ed il ritmo lento di avanzamento è efficiente dal punto di vista energetico e consuma meno di 200 watt per ogni spostamento.

Primo passo: raccolta dei campioni

Il compito principale del rover è la raccolta di campioni di roccia e suolo. Questi verranno sigillati in provette e lasciati in un luogo ben identificato, o più di un luogo, sulla superficie di Marte. Saranno fornite mappe dettagliate per le missioni future che sbarcheranno su Marte a raccogliere questi campioni.
La pancia del rover ospita tutte le attrezzature e le provette necessarie per raccogliere i campioni. Contiene un carosello rotante, che è una ruota con diversi tipi di punte. Accanto a questo ci sono 43 provette in attesa di essere riempite.

Mentre il grande braccio del rover si allunga e perfora il suolo, la pancia del rover ospita un piccolo braccio robotico che funge da "assistente di laboratorio". Il braccio piccolo raccoglie e sposta gli elementi rocciosi da campionare trasferendoli nei contenitori. Una volta riempiti, questi contenitori finiscono in uno spazio apposito in cui vengono sigillati e conservati.

Non sporcare, grazie

Perseverance deve rispettare le rigide normative in materia di "cleanliness" (pulizia) richieste Office of Planetary Protection della NASA. Queste misure sono in vigore per evitare di contaminare i campioni marziani con agenti contaminanti terrestri che potrebbero essere inavvertitamente portati su Marte.
In sostanza, sono state stilate delle regole ferree che limitano la quantità di materiali inorganici, organici e biologici da utilizzare durante la costruzione del rover.

In futuro, se i campioni di Perseverance dovessero essere recuperati e portati sulla Terra per essere analizzati, sarà compito delle provette mostrare con chiarezza tutti i campioni contaminati da agenti terrestri: le provette contengono infatti particolari agenti "testimone", ovvero sostanze capaci di rilevare contaminanti molecolari e particellari. Ciò aiuterà gli scienziati a stabilire quali elementi all'interno delle provette siano di origine terrestre e quali no.

Secondo passaggio: memorizzazione

Dopo aver raccolto un campione, la provetta viene trasferita nuovamente nella pancia del rover. Qui viene consegnato al piccolo braccio robotico interno e spostato nella sezione di ispezione e sigillatura (come una piccola fabbrica interna, insomma). Una volta che la provetta è ermeticamente sigillata, nulla può entrare o uscire. Le provette vengono conservate nella pancia del rover fino a quando il team non decide l'ora e il luogo in cui rilasciare i campioni sulla superficie.

I campioni vengono infine depositati sulla superficie di Marte in un punto designato dal team come "sample cache depot". La posizione o le posizioni del deposito devono essere ben documentate da punti di riferimento locali e coordinate precise ottenute tramite misurazioni orbitali. Resteranno in quella posizione finchè un nuovo robot atterrerà su Marte per prelevarle e portarle qui, sulla Terra.

Tre antenne

Perseverance possiede tre antenne che fungono sia da "voce" che da "orecchie". Si trovano sulla parte posteriore del rover ed ognuna ha un compito specifico. Molte volte, Perseverance utilizzerà la sua Ultra-High Frequency Antenna (UHF) da circa 400 megahertz per comunicare con la Terra attraverso gli orbiter della NASA che orbiteranno attorno a Marte.
Poiché le antenne del rover e dell'orbiter sono a distanza ravvicinata l'una dall'altra, si comportano un po' come walky-talkie, rispetto alle telecomunicazioni a lungo raggio con la Terra fornite dalle antenne a basso e alto guadagno.

In genere sono necessari dai 5 ai 20 minuti affinché un segnale radio percorra la distanza tra Marte e la Terra, a seconda delle posizioni del pianeta. L'uso degli orbiter per inoltrare i messaggi è vantaggioso perché sono molto più vicini al rover rispetto alle antenne della Deep Space Network (DSN) sulla Terra. Il rover può raggiungere elevate velocità di trasmissione dati: fino a 2 megabit al secondo a breve distanza verso gli orbiter.

L'antenna ad alto guadagno è orientabile in modo che possa puntare il suo raggio radio in una direzione specifica. Il vantaggio di avere un'antenna orientabile è che l'intero rover non ha bisogno di cambiare posizione per comunicare con la Terra, che è in continuo movimento nel cielo marziano. Come girare il collo per parlare con qualcuno accanto a te piuttosto che girare tutto il corpo, il rover può in tal modo risparmiare energia evitando di spostarsi nella sua interezza.

Il rover utilizzerà la sua antenna a basso guadagno principalmente per ricevere segnali. Questa può inviare e ricevere informazioni in ogni direzione; si dice cioè che è "omnidirezionale". L'antenna trasmette a bassa velocità dati al Deep Space Network sulla Terra.
Poiché non c'è bisogno di orientarle per comunicare, rappresentano una sorta di "canale di emergenza" per essere sempre in contatto con il rover. E con tutta questa accortezza posta nel costruirlo, siamo sicuri che la NASA non abbia intenzione di perderlo alla prima tempesta di sabbia marziana.