Com’è fatto il rover Perseverance e cosa ci fa su Marte con un elicottero

Il 18 febbraio il rover Perseverance è atterrato su Marte. Ora il mini-elicottero Ingenuity a bordo del rover ha effettuato il suo primo volo. Il pianeta Rosso sembra di nuovo più vicino, ma che cosa sono, e cosa ci fanno là queste macchine?

 

Che cos’è Perseverance?

Perseverance è l’ultima sonda della NASA atterrata su Marte. Come da prassi, l’agenzia americana ha scelto il suo nome nel 2020 con un concorso dedicato ai bambini, vinto dal 13enne della Virginia Alexander Mather. Appartiene alla missione Mars 2020, che a sua volta fa parte del Mars Exploration Program. L’obiettivo generale di questo programma è lo studio approfondito del pianeta Marte tramite sonde orbitanti (orbiter), sonde fisse sul terreno (lander), o sonde mobili (rover).

Su sito del Mars Exploration Program puoi trovare i dettagli di tutte le missioni. Immagine: Nasa/Jpl

Perseverance (detto Percy) è un rover, cioè un veicolo robotizzato, guidato dalla Terra, progettato per spostarsi sul terreno marziano e fare esperimenti con gli strumenti in dotazione. Il suo progetto riprende in gran parte quello di Curiosity, il rover della missione Mars Space Laboratory atterrato su Marte nel 2012 e tuttora operativo. Sono simili nella forma e nelle dimensioni (come una piccola automobile utilitaria, pesano circa una tonnellata), e sono atterrati anche con la stessa tecnica. Dopo un viaggio di 8 mesi «rannicchiato» in una navicella spaziale, che ha attraversato la sottile atmosfera marziana rallentata da un paracadute supersonico, alla fine Perseverance è stato calato da una specie di gru volante sostenuta da razzi: la famosa manovra sky crane.

E come funziona?

Perseverance, come Curiosity, è alimentato da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), un apparecchio che trasforma in elettricità il calore sprigionato dal decadimento radioattivo di una massa di plutonio 238 (poco meno di 5 kili). Succede grazie all’effetto Seebek, per il quale una differenza di temperatura in un circuito composto da due diversi conduttori genera corrente. L’elettricità prodotta dal generatore serve a caricare le batterie al litio. I rover marziani Spirit e Opportunity, utilizzavano invece i pannelli solari per ricaricarsi, ma erano molto più piccoli (180 kg) e avevano quindi bisogno di meno energia.

 

Perseverance è un po’ più pesante di Curiosity e monta 6 ruote in alluminio più robuste, per resistere meglio al terreno marziano che ha consumato rapidamente quelle del suo predecessore. Anche il suo «cervello», formato da due computer, è stato modificato nell’hardware e nel software, per rendere il rover ancora più autonomo. Significa che il rover può muoversi e lavorare di più «decidendo» da solo cosa fare, senza istruzioni da Terra.

 

Come si guida?

Questa maggiore indipendenza è molto importante, perché la guida di un rover su Marte  non è mai in tempo reale: un segnale radio impiega, a seconda della distanza tra i due pianeti, fino a 22 minuti per arrivare. Il gruppo di piloti di rover, di cui fa parte anche l’italiano Paolo Bellutta, deve allora preparare dei pacchetti di comandi da inviare su Marte. Per scriverli usano le immagini inviate dal rover: le  fotocamare di navigazione navcam riprendono il terreno da angolazioni diverse, così sulla Terrà i piloti possono guardare Marte in 3d, con gli appositi occhiali. I rover sono è pilotati dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Pasedena, il laboratorio della NASA che gestisce le missioni robotizzate. Nel 2020 però la pandemia ha costretto il team che pilotava Curiosity a lavorare da casa.

Il 13 aprile 2020 è stato il primo giorno di telelavoro per il gruppo che lavora a Curiosity. Immagine: NASA, JPL-Caltech

Dall’atterraggio in poi la comunicazione col rover è sempre garantita dagli orbiter intorno al pianeta, che formano il Mars Relay Network. Il suo compito è ritrasmettere i dati ricevuti dalle sonde sul suolo marziano verso le antenne del Deep Space Network che si trovano sulla Terra e, viceversa, ritrasmettere al rover le istruzioni da Terra. Il rover può comunicare direttamente con la Terra, ma non avrebbe energia sufficiente per scambiare con la Terra  molti dati, e la maggior parte delle comunicazioni passano dal Relay. La maggiore autonomia operativa di Perseverance promette quindi di accelerare molto l’esplorazione di Marte, diminuendo «tempi morti» dovuti alla comunicazione.

La comunicazione di un rover marziano. Le antenne del Deep space network trasmettono direttamente al rover, o attraverso gli orbiter. Il rover può tramettere solo agli orbiter. Immagine: NASA -JPL

Dove è atterrato, e per fare cosa?

La missione Mars 2020 ha quattro obiettivi principali:

a) studiare la geologia e il clima del pianeta;

b) stabilire dove esistevano condizioni adatte alla vita (abitabilità) e cercare tracce di vita passata nelle rocce;

c) preparare campioni da spedire in futuro sulla Terra;

d) preparare il terreno per un equipaggio umano.

Perseverance è atterrato nel cratere Jazero perché per la comunità scientifica era il luogo migliore per perseguire i quattro obiettivi tra le decine tecnicamente possibili (le sonde non possono atterrare sulle montagne, per esempio. Non ancora almeno). In passato il cratere probabilmente era un lago, quindi avrebbe potuto ospitare la vita. Non è  equipaggiato per trovare eventuali microorganismi viventi, cercherà però tracce di vita estinta nella geologia del pianeta. Il rover prosegue sulla strada delle missioni precedenti, che hanno prima stabilito la presenza di acqua in forma liquida nel passato di marte (Mars Exploration Rover) e poi trovato molti indizi di abitabilità, cioè di condizioni idonee alla vita (Curiosity). La speranza è ora che Perseverance risponda positivamente alla domanda: c’è mai stata vita su Marte?

 

Quali strumenti usa?

Ecco i sette strumenti scientifici a bordo del rover. C’è Mastcam-Z,  cioè gli occhi di Persevarance montati sulla torretta (mast) del rover. MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyze), è una specie di stazione meteorologica con diversi sensori. MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) proverà a produrre ossigeno dalla CO2 dell’atmosfera: serve in particolare al quarto obiettivo, la preparazione per le future missioni umane. PIXL (The Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) è uno spettrometro per cercare indizi di vita nelle rocce, mentre RIMFAX (Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment) è un georadar e può fare «radiografie» del sottosuolo marziano, fino a 10 metri di profondità. Può distinguere diversi materiali, in particolare acqua e ghiaccio. 

Gli strumenti di Perseverance. Immagine: NASA/JPL

SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals) è un spettrometro per studiare i minerali marziani e le molecole organiche. Gli scienziati lo useranno anche su alcuni prototipi di tuta spaziale, per capire quali materiali resistono meglio alle proibitive condizioni marziane. Lo stesso lavoro di Supercam, che però può analizzare le rocce a metri di distanza: le colpisce coi suoi laser vaporizzandone piccole quantità, che poi analizza coi suoi quattro spettrometri.

SHERLOC e PIXL sono montati sul braccio robotico del rover, che è a sua volta uno strumento indispensabile per gli esperimenti. Dotato di un trapano con punte e frese intercambiabili, servirà anche a preparare dei campioni di suolo e rocce da spedire sulla Terra. Il piano è questo: i campioni saranno sigillati in speciali capsule e archiviati in una specie di bagagliaio. Poi il rover li depositerà in punti precisi della superficie. Negli anni successivi altre missioni robotiche (ancora in fase di studio) proveranno ad arrivare su Marte, raccogliere i campioni e a rispedirli sulla Terra.

La NASA punta a riportare sulla terra campioni di rocce marziane con le missioni successive a quella di Perseverance. Immagine: NASA/JPL

E Ingenuity a cosa serve?

La missione Mars 2020 è basata sul rover Perseverance; il mini-elicottero Ingenuity è un esperimento che fa parte della missione, e serve a dimostrare la possibilità di volare su Marte. Qui l’atmosfera a livello del suolo è molto meno densa della nostra, e un elicottero deve fare molta più fatica per avvitarsi nell’aria (CO2, per lo più), anche se la gravità è minore. Un altro problema è la temperatura: tutte le sonde marziane devono resistere a notti di decine di gradi sotto lo 0. Perseverance conta sul suo generatore al plutonio per mantenere i suoi circuiti a una temperatura tollerabile, ma un apparecchio leggero (1.8 kg) come Ingenuity deve affidarsi all’isolamento termico e a piccole batterie, che si ricaricano con il pallido sole marziano.

Ingenuity ha viaggiato attaccato alla pancia di Perseverance fino al 21 marzo, poi è cominciata una complessa manovra, durata circa 6 giorni, per staccarlo e depositarlo al suolo. Il rover si è poi portato a distanza di sicurezza per il test di volo. L’elicottero è riuscito a resistere alle gelide notti, e dopo gli ultimi test e un aggiornamento del suo software, il 19 aprile si è finalmente alzato in volo su Marte. I tecnici del JPL erano col fiato sospeso (e non solo loro). Come avviene per gli atterraggi delle sonde su Marte, l’incolumità di Ingenuity dipende dal suo software di volo. L’elicottero doveva decollare ed atterrare da solo, senza essere telecomandato in tempo reale. Del suo successo abbiamo saputo dopo circa 15 minutia causa della distanza in quel momento: il pezzo di stoffa dell’aereo dei fratelli Wright che trasporta gli ha portato fortuna.

Un esperimento dimostrativo che ricorda quello di Sojourner. Il piccolo rover marziano della missione Pathfinder nel 1997 era solo un piccolo test, ma aprì la strada all’esplorazione di Marte su ruote.

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