Felix Maocho

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Robótica – El MSL Curiosity en detalle

Por Félix Maocho
11/8/2012

Sin duda de todos los robots que el hombre haya proyectado hasta hoy, el más complejo es el Mars Science Laboratory (abreviada MSL), conocida como Curiosity,2 3 que en estos días ha llegado a Marte, mdespués de haber sido depositado en superficie marciana mediante un complicado proceso de “amartizaje” llevado a cabo por la última sección del cohete que lo trasladó.

Hay que tener en cuenta, que dada la lejanía de Marte las señales eléctricas tardan unos 7 minutos en recorrer el espacio entre la Tierra y Marte, por tanto un aviso de riesgo enviado por el Rover tardará 7 minuto en llegar a la sala de control y otros tantos en llegar la orden para eludirlo enviados por la torre. Si a ello añadimos que dadas las posibilidades de comunicación de la pequeña antena del Rover, tan solo unas pocas instrucciones pueden enviarse y recibirse directamente.

Para mejorar el ancho de banda de la comunicación y poder recibir fotografías por ejemplo, el Rover puede ponerse en comunicación con los satélites de observación que sobrevuelan Marte pues estos tiene mejores medios de comunicación, pero para ello, uno de los dos satélites existentes ha de estar a la vista del Rover , algo que solo ocurre para cada uno durante 8 minutos del día marciano.

Por este motivo el Rover esta construido para actuar con un alto grado de autonomía solucionando por sí mismo los incidentes que puedan ocurrir durante la misión y limitándose desde la estación espacial a dar órdenes genéricas, como definir la dirección a tomar o el analizar determinada roca, quedando para el propio Rover el ordenar en detalle las complejas órdenes de todo los tipos para efectuar la operación.

primera fotografía en color enviada por el Curiosity

En estos primeros días del inicio de la misión de exploración marciana se está llevando a cabo un completo chequeo de todas sus funciones así como reconocer el terreno circundante para iniciar su trabajo.

El Curiosity fue programado para ser lanzado el 8 de octubre de 2009 y efectuar un descenso de precisión sobre la superficie del planeta en 2010 entre los meses de julio y septiembre. Debido principalmente a dificultades presupuestarias, la misión se retrasó  al 26 de noviembre de 2011 a las 10:02 UTC y ha aterrizado en Marte en el Cráter Gale el 6 de agosto de 2012 aproximadamente a las 05:31 UTC, dos años después de lo previsto.

La misión consiste en colocar sobre la superficie marciana mediante un cohete Atlas V 541 al Curiosity, un vehículo tipo Rover, que es tres veces más pesado y dos veces más grande que los vehículos utilizados en el año 2004, que porta instrumentos científicos más pesados y avanzados que ninguna otra misión dirigida a Marte. Estos instrumentos han sido en parte proporcionados por la comunidad internacional, España ha participado en uno de ellos a través del CSIC.

En esta imagen tenemos una comparativa del tamaño de los tres vehículos Rover mandados de exploración a Marte. En primer plano el  Mars Pathfinder (1997), a la izquierda el Mars Exploration Rover y a la derecha el MSL Curiosity.

El Curiosity tiene una longitud de 2,7 m y pesa 899 kilos de los que 80 Kg. son instrumentos y equipo de análisis científico, en comparación con los Mars Exploration Rover que tenían un peso es de 185 kg. y 5 kg de equipo. El equipo es capaz de superar obstáculos de 75 cm de altura con una velocidad máxima de 90 metros/hora aunque se espera que la velocidad media solo sea 30 metros/hora en función de la dificultad del terreno, y la visibilidad. La conducción es automática y se calcula que a lo largo de los dos años terrestres previstos de la misión recorra un mínimo de 19 km.

Descripción del Rover MSL Curiosity

Ordenador

Todo el equipamiento es doble, para prevenir el fallo de un equipo se conserva otro cono reserva que se configura como copia de seguridad, y se hará cargo del equipo en caso de problemas con la computadora principal.. Las dos computadoras llamadas “Rover elemento Compute” (RCE), son idénticas y resistentes a radiaciones extremas.

Sus componentes son 256  KB de memoria EEPROM, 256  MB de memoria RAM y 2  GB de memoria flash, con un procesador RAD750, capaz de 400 MIPS, sucesor del RAD6000 utilizado en los Mars Exploration Rovers

Comunicaciones

El Curiosity tambien tiene redundancia en las telecomunicaciones con dos canales de  comunicación, directo con la sala de control en Tierra por  banda X, y otro utilizando como repetidores los dos satélites de observación orbitadores de Marte a través de una banda de UHF para lo que es necesario que entre el Rover y satélite no haya obstáculos.

Dada la pequeña antena del Rover, la comunicación directa con la Tierra tiene un velocidad máxima de 32 kbit /s por lo que se espera que el grueso de las comunicaciones transcurra a través de los satélites orbitadores, Mars Reconnaissance Orbiter y el Odyssey, dotados de antenas más grandes y potentes. Por esta vía la velocidades de transferencia de datos puede llegar a 2 Mbit/s y 256 kbit /s respectivamente, pero cada nave sólo es puede comunicarse con el Curiosity durante 8 minutos por día que es el tiempo en que se encuentran sobre el horizonte del Rover.

Durante el aterrizaje, la telemetría fue supervisado por la Mars Odyssey,  el Mars Reconnaissance Orbiter de la ESA y el Mars Express. Odyssey fue capaz de transmitir la telemetría a la Tierra en tiempo real. Pero el tiempo de llegada de la señal varía con la distancia entre los dos planetas y tomó 13:46 minutos en el momento del aterrizaje.

Este video expresa de una forma gráfica como mejoran las comunicaciones cuando se pueden utilizar los satélites en orbita marciana como repetidores de la señal enviada por el robot.

Dadas las dificultades de comunicaciones directas y el tiempo de latencia de la señal. El Curiosity esta diseñado para ser autónomo y tomar decisiones por si mismo en la mayoría de las acciones. Las computadoras del Rover están en constante auto-monitoreo para mantener el vehículo operativo vigilando por ejemplo, la temperatura o los obstáculos que haya en su camino. Solo actividades como la toma de fotografías, la conducción y operación de los instrumentos se realizan en una secuencia de comandos que se envían desde la sala de control al Rover

El vehículo tiene una unidad de medición inercial (IMU), que proporciona de 3 ejes información sobre su posición, que se utiliza en el rover de exploración.

Sistemas de movilidad

Al igual que anteriores Rovers, Curiosity está equipado con seis ruedas en un eje de balancín-bogie de suspensión. El sistema de suspensión también ha actuado de tren de aterrizaje en el momento de la llegada lo que supone una novedad frente a los anteriores sistemas.

Como se ve en la fotografía comparativa.  las ruedas son significativamente más grandes que los utilizados en vehículos anteriores. Cada rueda se acciona de forma independiente de forma que pueda facilitar la escalada entre rocas y el agarre en arena suaves. Las ruedas delanteras y traseras se puede orientar independientemente, permitiendo que el vehículo pueda girar sobre si mismo en redondo o ejecutar vueltas de arco.

La banda de rodadura de cada neumático contiene `tres lineas  de aberturas que funcionan como marcadores.

Cada linea de aberturas en código Morse una letra, la  J P y L   que se corresponden con las iniciales de la Jet Propulsión Laboratory que las han diseñado. Esas marcas por una parte ayuda a mejorar la tracción en algunos  tipos de terreno, pero además deja huellas estampadas en la superficie de arena de Marte que permiten a las cámaras de a bordo, calcular la diferencia de distancia recorrida entre la inc dicada por los inerciómetros y la recorrida por las ruedas, pudiendo medir así el deslizamiento que está experimentando, y la suavidad y la cohesión del terreno atravesado.

El vehículo puede soportar una inclinación de 50 grados en cualquier dirección sin vuelco, pero por seguridad los sensores automáticos limitará que el exceda los 30 grados de inclinación.

Brazo y mano

El brazo del Curiosity es el que le permitirá maniobrar y acercar las rocas y el “suelo” marciana para su estudio. es de 7 pies (2.1 metros). Como un brazo humano, tiene tres tres articulaciones: un hombro, un codo y una muñeca. Esto le permite trabajar como lo haría un geólogo humano: puliendo capas y tomando imágenes microscópicas.

Un voluminoso conjunto de instrumentos se sitúa en el extremo del brazo en forma de torreta que puede girar 360º de forma que  que suministre la herramienta adecuada al Curiosity para estudiar y manipular las rocas y el suelo marciano como no lo hizo ningún Rover anterior.

Una de las herramientas es un taladro que puede hacer orificios de 1 pulgada (2,5 centímetros) de profundidad, lo que permite el vehículo para acceder al interior de las rocas del planeta rojo otra herramienta es un espectrómetro de Rayos x y una cámara con capacidad de micro fotografías, otros tres dispositivos se dedican a la adquisición de muestras y la preparación de las mismas.

El principal objetivo de la misión  es determinar si su lugar de aterrizaje, el Crater Gale de 154 kilómetros de ancho,  puede o pudiera albergar vida microbiana. El brazo porta herramientas para ayudar en este fin. Una vez en Marte la misión se centra en cuatro objetivos:

  • Determinar si existió vida alguna vez en Marte
  • Tomar datos del clima de Marte,
  • Determinar su geología
  • Preparar la exploración humana.

En conjunto se pretende establecer la habitabilidad de Marte.

Estos cuatro objetivos se dividen a su ves en 8 tareas:

  • Evaluar los procesos biológicos – Determinar la naturaleza y clasificación de los componentes orgánicos del carbono.
  • Hacer un inventario de los principales componentes que permiten la vida: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre.
  • Investigación geológica y geoquímica – Averiguar la composición química, isotópica y mineral de la superficie marciana.
  • Interpretar la formación y erosión de las rocas y del suelo.
  • Evaluar los procesos planetarios – Medir lA escala de tiempo de los procesos atmosféricos.
  • Determinar los ciclos y distribución del agua y del dióxido de carbono.
  • Evaluar la radiación en superficie
  • Caracterizar el espectro de radiación de la superficie, incluyendo radiación cósmica, erupciones solares y neutrones secundarios.

Para llevar a cabo todas estas mediciones el Rover ha sido dotado de una gran cantidad de equipos y sensores.

Motor

A diferencia de sus predecesores que se basaban en células solares, el Curiosity está equipado con un generador termoeléctrico de radioisótopos. La energía se obtiene del calor liberado por la descomposición natural del Plutonio 238 Los termopares trasforman el calor en electricidad, generando un suministro de energía constante igual de día que de noche. El motor se denomina Multi-Mission generador termoeléctrico de radioisótopos (MMRTG), desarrollado por la NASA y el Departamento de Energía de EE.UU. para su uso en amplia Variedad de misiones espaciales.

Contiene 10.6 libras de dióxido de plutonio en forma de cerámica, que genera 2,5 kilovatios-hora de energía eléctrica por día, cuatro veces más que lo generado por las células solares anteriores, con la ventaja adicional de que el polvo no reducirá la energía como paso en sus predecesores.

El generador tiene un una vida mínima de 14 años por lo que puede ser utilizado en posteriores misiones o para prolongar esta misión si se considerara conveniente

En esta segunda imagen vemos una maqueta seccionada del “corazón” del MMRTG en donde lo rojo son las sales de plutonio y las aletas blancas donde están situados los dispositivos piezoeléctricos

Instrumentación para el ingreso, descenso y amartizaje

El módulo MEDLI  midió la densidad de la atmósfera exterior, y la temperatura y del escudo térmico de la sonda durante su ingreso en la atmósfera marciana. Los datos obtenidos serán utilizados entender mejor la atmósfera marciana y ajustar los diseños y procedimientos de entrada  para las sondas futuras.

Óptica

Esta dotado de 5 sistemas ópticos MastCam, MAHLI, MARDI, Hazcams, Navcams con un total de 13 cámaras con sensores CCD de 1600 X 1200 pixel desarrolladas por Malin Space Science Systems; y un sistema común de procesamiento de imágenes.

Se ha criticado mucho la baja resolución de la óptica adoptada en comparación a la que tiene cualquier  cámaras de mediana calidad utilizadas por aficionados, pero hay que tener en cuenta que una de las limitaciones del Rover es su capacidad de envió de información a la Tierra. En este caso, se ha optado por obtener un elevado número de fotografías, que por recibir menos fotografías con mayor resolución

Cada sistema óptico tiene una utilidad específica y en funcion de ella características propias.

Mars Descent Imager (MARDI), preparada para fotografiar el descenso a la superficie marciana en imágenes en color de 1600 x 1200 pixeles desde a una distancia de 37 kilómetros, hasta los 5 metros de altura respecto del suelo. tomó imágenes a razón de 5 fotos por segundo durante cerca de 2 minutos, lo  que permite el mapeo del terreno de descenso  esta cámara ya a ha acabado oficialmente su misión pues ya en tierra cubre mejor el objetivo la cámara situada en el brazo robótico

MastCam proporciona imágenes en múltiples espectros y en color real a través de cámaras con visión estereoscópica (tridimensional). Las tomas en color real son de 1200 x 1200 pixeles y a una velocidad de 10 cuadros por segundo, en un formato de video de alta definición de 1280 x 720. Una rueda con los filtros, pernito la toma de imágenes en distintos espectros. Tiene un zoom automático que pueden enfocar objetos a una distancia de 1 km con una resolución de 10 cm por pixel.

Mars Hand Lens Imager (MAHLI) es una cámara montada en el brazo robótico del rover, con un enfoque mecánico desde el infinito a distancias milimétricas, se utilizara principalmente para obtener tomas microscópicas de las rocas y suelo marciano, pero también podrá tomar fotografia de rocas próximas o de paisajes.  .

Será capaz de tomar imágenes en color verdadero de 1600 x 1200 pixeles y con una resolución de 12.5 micrómetros por pixel. Dotada con un flash a base de Leds en luz blanca y ultravioleta puede tomar imágenes en la oscuridad o fluorescentes.

Hazard Avoidance Cameras (Hazcams): son cuatro pares de cámaras de navegación en blanco y negro situadas en la parte delantera, izquierda, derecha y trasera del vehículo. Se utilizan para la prevención de riesgos en las unidades del Rover y para la colocación precisa del brazo robótico en las rocas y en el suelo. Las cámaras obtienen imágenes 3D con la luz natural tienen unos 120 grados de campo de visión y un mapa del terreno de hasta 10 pies (3 metros) en frente del vehículo. Estas imágenes permiten al navegador automático evitar el choque contra obstáculos inesperados, y trabaja en conjunto con el software que permite que el Rover se desplace con seguridad.

Navigation Cameras (Navcams) son dos pares de cámaras de navegación en blanco y negro montadas en el mástil de apoyo para la conducción

Las cámaras se utilizan la luz natural para obtener fotografías en tres dimensiones (3-D) de imágenes del camino a recorrer con 45 grados de campo de visión.

Espectrómetros

Si nos fijamos en la fotografía anterior, encima de las ventana cuadradas de las dos cámaras Navcams, hay una ventana circular, que por la posición parece un flash.

Ppues no lo es, es la ChemCam, un espectroscopio de colapso  por rayo láser infrarrojo con una longitud de onda de 1067 nanómetros y un pulso de 5 nanosegundos (LIBS), que puede apuntar a una roca a una distancia de 13 metros, vaporizar el minerales y recoger el espectro de luz porizada con una resolución de 80 microradianes. Ha sido diseñada por el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el laboratorio francés CESR.

– – – – – – –  Actualización a 20/8/2020 – – – – – – – 

El ChemCan se utiliza por primera vez en una roca de Marte

La_Informacion – Curiosity utiliza por primera vez su láser para pulverizar una roca marciana

– – – – – – –  Fin de la actualización – – – – – – – 

Espectrómetro de rayos X por radiación alfa (APXS) que irradiará muestras con partículas alfa y permitirá su análisis de la composición elemental de muestras a partir del espectro generado por los Rayos X reemitidos. Desarrollado por la Agencia Espacial Canadiense,.

Chemin es la abreviación del Instrumento de análisis químico y minerológico a través de la difracción y fluorescencia de Rayos X, que cuantifica y analiza la estructura de los minerales contenidos en una muestra. Desarrollado por el Doctor David Blake en la NASA Ames Research Center y la NASA Jet Propulsion Laboratory19

Análisis de muestras en Marte (SAM): para analizar muestras sólidas y gaseosas en búsqueda de compuestos orgánicos. Desarrollado por el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA y el Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA)  Consiste en un sistema con 74 copas que pueden ser calentadas a una temperatura de 1000 °C para buscar moléculas orgánicas ene la muestra.

El espectrómetro de cromatografía de gases es un espectrómetro cuadripolar con una rango de masa Dalton de 2-235 el cual obtiene información a través de las seis columnas cromatográficas de gases.

El espectrómetro láser ajustable es capaz de medirlos  isótopos de carbono y oxígeno en el CO2

Detectores de radiación

Detector por evaluación de radiación (RAD): analizar la gama e intensidad de radiación espacial y radiación solar que recibe la superficie de Marte, con el objetivo de diseñar protección contra la radiación para exploradores humanos. Desarrollado por la universidad Southwest Research Institute (SwRI) en EE.UU. y la universidad alemana ‘Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Albedo dinámico de Neutrones (DAN): es una fuente pulsante de neutrones utilizada para medir la concentración de hidrógeno o agua bajo la superficie cercana. Fue proporcionado por la Agencia Espacial Federal Rusa.

Sensores medioambientales

Estación de supervisión ambiental Rover (REMS), es una estación meteorológica que situada en el mástil para medir la presión atmosférica, temperatura de la atmósfera y del suelo, humedad, dirección y fuerza del viento, así como los niveles de radiación ultravioleta.

En la imagen, las manos del especialista nave están justo debajo de uno de los REMS con forma de tubo de habano . El otro REMS se extiende a la izquierda un poco más arriba del mástil. Formando un ángulo recto con el anterior. La imagen fue tomada durante la instalación del instrumento en septiembre de 2011, dentro de una habitación limpia en Jet Propulsion Laboratory de la NASA, en Pasadena, California

El REMS fue proporcionada por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Centro de España para el Desarrollo Tecnológico Industrial.

En este último vídeo vemos en una animación, el modo de trabajar de los diferentes sistemas del MSL Curiosity.

Félix Maocho

Fuente  NASA, Wikipwedia

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11 agosto 2012 - Posted by | ciencia, Robotica | , ,

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