Perseverance: primo sguardo al rover della NASA che andrà su Marte

Tra misure anticontaminazione, sistemi di guida autonoma e telecamere 3D, scopriamo i segreti del prossimo robot che atterrerà su Marte: Perseverance.

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Nei giorni scorsi è stato finalmente deciso il nome del prossimo robot che atterrerà su Marte: Perseverance. Perseverance è un gioiello dell'ingegneria aerospaziale, e questo lungo articolo cercherà di dimostrarvelo. Anche il nome è tutto un programma, evocativo e ricco di speranza e ambizione, come quello del suo predecessore del resto.
Il compito affidato a Perseverance non è semplice: dovrà dimostrare di essere più autonomo di Curiosity, più resistente e più efficiente: parte del suo lavoro sarà raccogliere campioni di suolo e lasciarli lì, in attesa che con una prossima missione si vada a recuperarli.

Il corpo è tutto? Quasi

Il corpo principale di Perseverance è detto "Warm Electronic Box", o anche WEB. Il compito di WEB è fondamentale: proteggere la componentistica interna fatta di cavi, memorie, computer, sensori e circuiti estremamente delicati. Il corpo principale è quindi uno scudo fondamentale per permettere al rover di "vivere" sulla superficie del pianeta rosso.

Il Warm Electronic Box è posizionato sulla parte superiore di una struttura chiamata "Rover equipment Deck", ovvero una struttura da cui partono diverse estensioni del veicolo, come le sospensioni delle sei ruote (di cui parleremo a breve) ed il braccio robotico che permette alle camere di sporgersi quanto più lontano possibile dal rover (per inquadrare il suolo o l'orizzonte libere da ostacoli). Un po' di dati tecnici: Il warm electric box è lungo 3 metri e largo 2,7 metri, per un'altezza di 2,2 metri ed un peso di 1.025 chilogrammi.

Il concept del rover Perseverance si basa su quello del Mars Science Laboratory Rover, per gli amici "Curiosity". Il riutilizzo di un design basato su precedenti missioni non è ovviamente inteso come "pigrizia" da parte dei progettisti, ma è una procedura spesso adoperata nei casi in cui un particolare design oppure una soluzione ingegneristica è risultata particolarmente efficace e di successo in passato. Ciononostante, Perseverance può fare sfoggio di una serie di miglioramenti e novità.

Il grande braccio robotico, lungo circa 2 metri, è posto sulla parte anteriore e differisce da quello di Curiosity per due aspetti: Perseverance si occuperà di raccogliere rocce; dovrà raccogliere campioni di roccia e impacchettarli lasciandoli in punti ben precisi della superficie di Marte, cosicché una futura missione possa recuperarli per eventuali studi da parte degli scienziati. Curiosity invece ha studiato i campioni raccolti in loco, utilizzando il laboratorio di bordo del rover.

Perseverance opererà in modo molto diverso da Curiosity. Il nuovo rover raccoglierà 20 campioni di rocce e suolo marziani. Per far questo, gli è stata fornita una "mano" robotica più grande, e in generale un braccio più evoluto. Questo braccio possiede un trapano per le operazioni di carotaggio oltre a una telecamera a colori per ispezionare delle superfici ravvicinate. Questa cam è anche in grado di fare dei "selfie" ( i "selfie" hanno uno scopo: controllare se la struttura esterna sia pulita e priva di danni alla componentistica).

All'interno del corpo del veicolo spaziale è presente un'area di lavoro interna dedicata alla raccolta, allo spostamento e al posizionamento di punte da trapano e provette per la conservazione dei reperti. Sono stati poi aggiunti nuovi motori per meglio manovrare i movimenti, molto più evoluti rispetto a quelli di Curiosity.
Il braccio di Perseverance può contare su cinque gradi di libertà, resi possibili da piccoli motori chiamati "attuatori rotanti". Inoltre il corpo principale dispone di un sensore speciale che avverte il rover ogni volta che il braccio si ritrova a contatto con la superficie. Il sensore di contatto ordina l'arresto del braccio se questo tocca inavvertitamente il terreno, per evitare danneggiamenti involontari.

Nuovo software per far funzionare il Rover

Il team sta costruendo un nuovo software per il rover. Oltre a gestire le nuove operazioni di campionamento, quest'ultimo influenza tutte le sue attività quotidiane in modo più efficiente, alternandosi tra misurazioni scientifiche in loco e allo stesso tempo la raccolta di campioni per potenziali analisi future. Per fare ciò, il software di guida è stato modificato per dare al rover più indipendenza di quanto Curiosity abbia mai avuto.

Ciò consente a Perseverance di percorre e analizzare porzioni di terreno in autonomia, ricevendo istruzioni dalla Terra con minor frequenza. Inoltre, gli ingegneri hanno aggiunto un "pianificatore" al software di bordo. Questa aggiunta consente un uso più efficace e autonomo dell'energia elettrica del rover, consentendogli di organizzare in autonomia alcune attività per meglio sfruttare le varie fasce orarie diurne e notturne.

Nuove ruote

Gli ingegneri hanno ridisegnato le ruote di Perseverance per renderle più robuste, avendo constatato l'usura che le ruote di Curiosity hanno subito durante i vari passaggi sul terreno fatto di rocce particolarmente aguzze. Le ruote di Perseverance sono più strette di quelle di Curiosity, ma di diametro maggiore e realizzate in alluminio più spesso. La compresenza di un'ampia suite di strumenti, del nuovo sistema di campionamento e delle ruote modificate rende il prossimo veicolo spaziale che esplorerà Marte più pesante del suo predecessore.

La Mente dietro Mars 2020

Il "cervello" del rover - il suo computer - è collocato all'interno del suo corpo squadrato. Il modulo si chiama Rover Compute Element (RCE) - in realtà ci sono due RCE identici nel corpo, quindi c'è sempre un "cervello" di riserva. Il processore lavora ad una frequenza massima di 200 megahertz, 10 volte la velocità dei computer di Spirit e Opportunity. Possiede 2 gigabyte di memoria flash (8 volte maggiore di Spirit o Opportunity) ed è presente una memoria "speciale" per contrastare gli effetti della radiazione che esiste nello spazio e sulla superficie marziana.

Equilibrio e posizione

Il rover Perseverance trasporta un'unità di misura inerziale (IMU) che fornisce informazioni sul suo orientamento nello spazio (posizione rispetto ad un sistema triassiale) e sulla sua posizione, che consente al rover di compiere precisi movimenti verticali, orizzontali e da lato a lato (detti "di imbardata"). Il dispositivo viene utilizzato durante la navigazione del veicolo per assisterlo durante il passaggio su suoli irregolari e stimare il grado di inclinazione del mezzo sulla superficie di Marte.
Proprio come il cervello umano, i computer di Perseverance registrano i "parametri vitali", come i livelli di temperatura e la potenza residua, insieme ad altri fattori che mantengono "vivo" il mezzo.

Questo circuito di controllo principale segue costantemente i sistemi per garantire che il rover sia in grado di comunicare efficacemente durante la missione e che rimanga sempre termicamente stabile. Come? Controllando periodicamente le temperature, in particolare nel corpo del mezzo; il computer si occupa inoltre di registrare l'energia generata e i dati sull'accumulo di energia durante tutto il Sol (un giorno marziano) per decidere quali nuove attività possono essere avviate o completate; e infine programmare e preparare le sessioni di comunicazione con la Terra o con gli orbiter attorno a Marte.

Attività come fotografare, guidare e utilizzare gli strumenti vengono eseguite in base a comandi trasmessi in sequenza dal "team Perseverance" sulla Terra. Il rover genera costantemente dati tecnici sulla struttura, sulla pulizia della strumentazione e sulle analisi e report periodici degli eventi, tutti memorizzati nelle memorie di sistema. Esegue queste operazioni così da averle già pronte per la trasmissione non appena il team sulla Terra ne richiede l'invio.

Occhi da Rover

Il veicolo spaziale possiede diverse telecamere, ognuna con il suo preciso compito. Alcune servono per monitorare le fasi di atterraggio, altre per osservare la conformazione del suolo e delle rocce, altre per controllare l'ambiente e l'atmosfera circostante. Quando Curiosity è atterrato su Marte, ha registrato la discesa e l'atterraggio con la sua Mars Descent Imager o "MARDI".
Osservare questa fase era estremamente importante per gli ingegneri; gli ha permesso di capire cosa succede durante una delle fasi più rischiose di una missione come questa.
Questa telecamera ha girato un video a colori del viaggio di Curiosity attraverso l'atmosfera fino alla superficie marziana. Ha fornito al team scientifico del rover un punto di vista privilegiato sul sito di atterraggio, aiutandoli a identificare con precisione il punto di atterraggio e pianificare le prime attività.

Per Perseverance, il team di ingegneri sta aggiungendo diverse telecamere ed un microfono per documentare l'ingresso, la discesa e l'atterraggio in modo ancora più dettagliato. Gireranno video a colori durante la sua discesa sulla superficie marziana. Alcune delle cose che le telecamere vedono lungo la strada aiutano i pianificatori delle missioni a prendere decisioni sul punto di atterraggio o su manovre d'emergenza.

Le telecamere e il microfono vengono pilotati come "payload discrezionale", il che significa che è un componente aggiuntivo opzionale che sarà un vantaggio, ma non è richiesto per la missione.

Oltre a fornire dati tecnici, le telecamere e il microfono possono essere considerati un "payload di coinvolgimento del pubblico", il che significa che queste immagini potrebbero essere condivise con il pubblico "social". Quasi tutti ricordano i video memorabili che descrivono i "Seven Minutes of Terror" di Curiosity durante il suo ingresso, la discesa e l'atterraggio sul rover su Marte; diventarono virali online, ed erano solamente immagini generate al computer: l'idea di poter osservare stavolta un evento reale è molto più entusiasmante.

Mars 2020 utilizza una nuova generazione di telecamere. Queste telecamere "migliorate" forniscono informazioni molto più dettagliate, e a colori, del terreno intorno al veicolo e dispongono di varie funzioni: misurano il terreno intorno al rover per migliorare la guida, controllano lo stato dell'hardware di Perseverance...ma c'è dell'altro.

Cosa sono le NavCam

Le telecamere avanzate aiutano gli operatori umani sulla Terra a guidare il rover in modo più preciso e ad indirizzare meglio i movimenti del braccio, del trapano e di altri strumenti che si avvicinano ad elementi rocciosi su Marte. L'angolo di visuale è stato migliorato: un campo visivo molto più ampio offre alle telecamere una visione migliore del rover stesso e dell'ambiente circostante.
Questo è importante per verificare la salute delle varie parti del rover e misurare i cambiamenti nella quantità di polvere e sabbia che possono accumularsi sulle superfici del veicoli. Le nuove fotocamere possono anche scattare foto mentre il Perseverance è in movimento.

Queste telecamere di navigazione, o NavCam, mostrano una pila di rocce prelevate da una distanza di circa 15 metri nell'area di test "Mars Yard" al JPL. Le immagini illustrano il modo in cui i dati della fotocamera possono essere utilizzati per rivelare i contorni di un elemento posto ad una certa distanza. Tali misurazioni forniscono al rover e al suo team le informazioni necessarie per pianificare spostamenti precisi e i movimenti del braccio.

Evitare i rischi con le HazCam

Il rover è dotato anche di sei telecamere di rilevamento dei pericoli, chiamate HazCams: quattro nella parte anteriore e due nella parte posteriore del corpo. Le HazCam rilevano rischi per l'avanzamento o l'arretramento del mezzo, come grandi rocce, fossi o dune di sabbia.
Durante la guida, il rover si ferma frequentemente per acquisire nuove immagini tridimensionali del percorso da seguire per evitare potenziali pericoli. Le immagini in 3D danno al robottino la capacità di prendere decisioni autonome su dove andare senza chiedere indicazioni ogni volta al team sulla Terra.

Telecamere di navigazione (NavCams)

Due set di videocamere di navigazione stereo a colori, denominate NavCams, aiutano gli ingegneri a navigare in sicurezza su Mars 2020, in particolare quando Perseverance opera in modo autonomo, prendendo le proprie decisioni di navigazione senza consultare i controllori sulla Terra.
Situati in alto sull'albero del rover, questi due set di telecamere stereo in bianco e nero aiutano gli ingegneri a guidare attorno a Marte. Possono vedere un oggetto piccolo come una pallina da golf a 25 metri di distanza.

CacheCam

"CacheCam" è una singola telecamera posizionata in modo da inquadrare i campioni di suolo appena sigillati . Scatta foto dei materiali campionati e delle provette mentre vengono preparati per la sigillatura. Ciò aiuta gli scienziati a "sorvegliare" i campioni man mano che vengono ottenuti e mantiene una registrazione dell'intero processo per ciascun campione raccolto. Ecco un esempio di ciò che inquadra:

MastCam-Z

MastCam-Z è il nome dato ad una coppia di fotocamere che acquisisce immagini e video a colori, immagini stereo tridimensionali e caratterizzate da un potente zoom. Come le telecamere Mastcam sul rover Curiosity, anche queste installate su Perseverance si trovano una accanto all'altra e puntano nella stessa direzione, offrendo una visione tridimensionale simile a quella che vedrebbero gli occhi umani ma, ovviamente, migliorata.

SuperCam

SuperCam dispone di un laser direzionabile verso "bersagli" minerali che sono oltre la portata del braccio robotico del rover. Come la storica ChemCam sul rover Curiosity, la SuperCam emette impulsi laser su superfici molto piccole, di lato 1 millimetro e distanti circa 7 metri, mentre gli spettrometri esaminano la composizione chimica della roccia.
Inoltre cerca composti organici che potrebbero essere correlati allo sviluppo della vita, o tracce di vita passata su Marte. Quando il laser colpisce la roccia, genera del plasma, ovvero un gas estremamente caldo fatto di ioni e elettroni fluttuanti. Uno spettrografo di bordo registra lo spettro del plasma, che rivela la composizione del materiale.

SHERLOC

I principali strumenti di SHERLOC sono spettrometri e laser, ma utilizza anche una fotocamera di tipo macro per scattare primi piani estremi delle aree in analisi. Tutto questo per fornire delle visuali privilegiate che potrebbero aiutare a raccontare la storia dell'ambiente e delle condizioni in cui si è formata la roccia marziana.

WATSON

La telecamera WATSON è uno degli strumenti posti sul braccio robotico di Perseverance. E' molto simile alla fotocamera MAHLI presente su Curiosity. WATSON cattura immagini di grandi dimensioni per costruire un quadro dettagliato sugli elementi minerali marziani, offre una visuale privilegiata delle "trame" e delle strutture minerarie in piccola scala delle rocce marziane, o sullo strato superficiale di detriti rocciosi. Poiché WATSON è installato sul braccio robotico, contribuisce a scattare quei "selfie" di cui vi parlavamo prima.

Per ora ci fermiamo qui: abbiamo introdotto il sistema di guida autonomo ed il software attraverso cui svolgerà le sue attività di ricerca, la strumentazione predisposta alla perforazione e alla raccolta dei campioni, il sistema di telecamere laser tridimensionali per la mappatura dell'ambiente circostante, con uno sguardo al corpo principale di Perseverance ed all'iconico braccio robotico.
C'è ancora molto da analizzare, come ad esempio la serie di microfoni installati lungo tutta la struttura del rover: attraverso questi microfoni sarà possibile ascoltare il suono prodotto durante la discesa nell'atmosfera marziana, il tonfo dell'atterraggio, il ronzio degli strumenti in funzione. Sembra chiaro quindi che gli ingegneri della NASA vogliano portare su Marte i cinque sensi dell'essere umano riunendoli in un unica entità robotica: Perseverance.