Un aerobot es un robot aéreo , normalmente utilizado en el contexto de una sonda espacial no tripulada o un vehículo aéreo no tripulado .
Si bien desde la década de 1960 se ha trabajado en robots exploradores para explorar la Luna y otros mundos del Sistema Solar , estas máquinas tienen limitaciones. Suelen ser caras y tienen un alcance limitado, y debido a los desfases en las comunicaciones a lo largo de las distancias interplanetarias, deben ser lo suficientemente inteligentes como para navegar sin deshabilitarse.
Sin embargo, para los planetas con atmósferas de cualquier sustancia, existe una alternativa: un robot volador autónomo, o "aerobot". [1] [2] La mayoría de los conceptos de aerobots se basan en aeróstatos , principalmente globos , pero ocasionalmente dirigibles . Volando por encima de los obstáculos en los vientos, un globo podría explorar grandes regiones de un planeta en detalle por un costo relativamente bajo. También se han propuesto aviones para la exploración planetaria.
Aunque la idea de enviar un globo a otro planeta suene extraña al principio, los globos tienen una serie de ventajas para la exploración planetaria. Pueden ser livianos y potencialmente relativamente económicos. Pueden cubrir una gran extensión de terreno y su visión desde una altura les da la capacidad de examinar amplias franjas de terreno con mucho más detalle del que estaría disponible desde un satélite en órbita . Para las misiones de exploración, su relativa falta de control direccional no es un gran obstáculo, ya que generalmente no hay necesidad de dirigirlos a una ubicación específica.
Los diseños de globos para posibles misiones planetarias han implicado algunos conceptos inusuales. Uno de ellos es el Montgolfiere solar o infrarrojo (IR) . Se trata de un globo aerostático cuya envoltura está hecha de un material que atrapa el calor de la luz solar o del calor irradiado por una superficie planetaria. El negro es el mejor color para absorber el calor, pero intervienen otros factores y el material puede no ser necesariamente negro.
Los globos solares Montgolfieres tienen varias ventajas para la exploración planetaria, ya que pueden desplegarse con mayor facilidad que un globo de gas ligero, no requieren necesariamente un tanque de gas ligero para inflarse y son relativamente tolerantes a las pequeñas fugas. Tienen la desventaja de que solo se mantienen en el aire durante las horas del día.
El otro es un globo de "fluido reversible". Este tipo de globo consiste en una envoltura conectada a un depósito, que contiene un fluido que se vaporiza fácilmente . El globo se puede elevar vaporizando el fluido en gas, y se puede hacer que se hunda condensando el gas nuevamente en fluido. Hay varias formas diferentes de implementar este esquema, pero el principio físico es el mismo en todos los casos.
Un globo diseñado para la exploración planetaria llevará una pequeña góndola que contendrá una carga útil de instrumentos. La góndola también llevará subsistemas de energía, control y comunicaciones. Debido a las limitaciones de peso y suministro de energía, el subsistema de comunicaciones será generalmente pequeño y de bajo consumo, y las comunicaciones interplanetarias se realizarán a través de una sonda planetaria en órbita que actuará como un relé.
Un Montgolfiere solar se hundirá por la noche y tendrá una cuerda guía unida a la parte inferior de la góndola que se enrollará en el suelo y anclará el globo durante las horas de oscuridad. La cuerda guía estará hecha de materiales de baja fricción para evitar que se enganche o se enrede en las características del suelo.
Otra posibilidad es que un globo lleve una "serpiente" instrumentada más gruesa en lugar de la góndola y la cuerda guía, combinando así las funciones de ambas. Este es un esquema conveniente para realizar mediciones directas de la superficie.
Un globo también podría anclarse para permanecer en un lugar y realizar observaciones atmosféricas. Este tipo de globo estático se conoce como " aeróstato ".
Uno de los aspectos más complicados de las operaciones con globos planetarios es su introducción en la atmósfera. Normalmente, el globo entra en la atmósfera planetaria en un "aeroshell", un escudo térmico en forma de cono aplanado. Después de la entrada en la atmósfera , un paracaídas extraerá el conjunto del globo del aeroshell, que se desprenderá. A continuación, el conjunto del globo se despliega y se infla.
Una vez que esté operativo, el aerobot se las arreglará casi por sí solo y tendrá que llevar a cabo su misión de forma autónoma, aceptando únicamente órdenes generales a través de su largo vínculo con la Tierra. El aerobot tendrá que navegar en tres dimensiones, adquirir y almacenar datos científicos, controlar el vuelo variando su altitud y, posiblemente, aterrizar en sitios específicos para proporcionar una investigación de cerca.
La primera, y hasta ahora única, misión de globo planetario fue realizada por el Instituto de Investigación Espacial de la Academia Soviética de Ciencias en cooperación con la agencia espacial francesa CNES en 1985. Un globo pequeño, similar en apariencia a los globos meteorológicos terrestres , fue transportado en cada una de las dos sondas soviéticas Vega Venus , lanzadas en 1984.
El primer globo fue insertado en la atmósfera de Venus el 11 de junio de 1985, seguido por el segundo globo el 15 de junio de 1985. El primer globo falló después de sólo 56 minutos, pero el segundo funcionó durante poco menos de dos días terrestres hasta que sus baterías se agotaron.
Los globos Venus Vega fueron idea de Jacques Blamont , científico jefe del CNES y padre de la exploración planetaria con globos. Él promovió enérgicamente el concepto y consiguió el apoyo internacional para el pequeño proyecto.
Los resultados científicos de las sondas Venus VEGA fueron modestos. Pero lo más importante es que el ingenioso y sencillo experimento demostró la validez del uso de globos para la exploración planetaria.
Tras el éxito de los globos Venus VEGA, Blamont se concentró en una misión en globo más ambiciosa a Marte, que se transportaría en una sonda espacial soviética.
La presión atmosférica en Marte es aproximadamente 150 veces menor que la de la Tierra. En una atmósfera tan delgada, un globo con un volumen de 5.000 a 10.000 metros cúbicos (180.000 a 350.000 pies cúbicos) podría transportar una carga útil de 20 kilogramos (44 libras), mientras que un globo con un volumen de 100.000 metros cúbicos (3.500.000 pies cúbicos) podría transportar 200 kilogramos (440 libras).
Los franceses ya habían llevado a cabo experimentos extensos con Montgolfieres solares, realizando más de 30 vuelos desde finales de la década de 1970 hasta principios de la de 1990. Los Montgolfieres volaron a una altitud de 35 kilómetros, donde la atmósfera era tan delgada y fría como lo sería en Marte, y uno pasó 69 días en el aire, dando dos vueltas alrededor de la Tierra.
Los primeros conceptos para el globo de Marte incluían un sistema de "globo doble", con un globo sellado lleno de hidrógeno o helio atado a un Montgolfiere solar. El globo de gas ligero fue diseñado para mantener al Montgolfiere en el aire durante la noche. Durante el día, el Sol calentaría al Montgolfiere, lo que haría que el conjunto del globo se elevara.
Finalmente, el grupo se decidió por un globo cilíndrico sellado de helio, hecho de película PET aluminizada y con un volumen de 5.500 metros cúbicos (190.000 pies cúbicos). El globo se elevaría cuando se calentara durante el día y se hundiría al enfriarse por la noche.
La masa total del conjunto del globo era de 65 kilogramos (143 libras), con una góndola de 15 kilogramos (33 libras) y una cuerda guía instrumentada de 13,5 kilogramos (30 libras). Se esperaba que el globo funcionara durante diez días. Desafortunadamente, aunque se realizó un trabajo considerable de desarrollo en el globo y sus subsistemas, las dificultades financieras rusas retrasaron la sonda a Marte de 1992, luego a 1994 y luego a 1996. El globo a Marte fue descartado del proyecto debido al costo.
Para ese entonces, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de Estados Unidos se había interesado en la idea de los aerobots planetarios y, de hecho, un equipo dirigido por Jim Cutts del JPL había estado trabajando en conceptos de aerobots planetarios durante varios años, además de realizar experimentos para validar la tecnología de los aerobots.
Los primeros experimentos de este tipo se centraron en una serie de globos de fluido reversible, bajo el nombre de proyecto ALICE, abreviatura de "Altitude Control Experiment". El primero de estos globos, ALICE 1, voló en 1993, y otros vuelos a través de ALICE 8 en 1997.
Los trabajos relacionados incluyeron la caracterización de materiales para la envoltura del globo Venus y dos vuelos en globo en 1996 para probar cargas útiles de instrumentos bajo el nombre BARBE, por "Balloon Assisted Radiation Budget Equipment".
En 1996, el JPL estaba trabajando en un experimento completo con un aerobot llamado PAT (Planetary Aerobot Testbed), que pretendía demostrar un aerobot planetario completo mediante vuelos a la atmósfera terrestre. Los conceptos de PAT preveían un globo de fluido reversible con una carga útil de 10 kilogramos que incluiría sistemas de navegación y cámara y que, en última instancia, funcionaría bajo control autónomo. El proyecto resultó ser demasiado ambicioso y se canceló en 1997. El JPL continuó trabajando en experimentos más específicos y de bajo costo para conducir a un aerobot marciano, bajo el nombre de MABVAP (Mars Aerobot Validation Program). Los experimentos de MABVAP incluyeron lanzamientos de sistemas de globos desde globos aerostáticos y helicópteros para validar la complicada fase de despliegue de una misión de aerobot planetario y el desarrollo de envolturas para globos de superpresión con materiales y estructuras adecuados para una misión marciana de larga duración.
El JPL también proporcionó un conjunto de sensores atmosféricos y de navegación para los vuelos tripulados en globo alrededor del mundo de Solo Spirit, tanto para apoyar las misiones en globo como para validar tecnologías para aerobots planetarios.
Mientras se llevaban a cabo estas pruebas y experimentos, el JPL realizó una serie de estudios especulativos para misiones aeronáuticas planetarias a Marte , Venus , la luna Titán de Saturno y los planetas exteriores .
Los experimentos tecnológicos MABVAP del JPL tenían como objetivo conducir a una misión real de aerobots a Marte, llamada MABTEX, por "Mars Aerobot Technology Experiment". Como su nombre lo indica, MABTEX estaba destinado principalmente a ser un experimento tecnológico operativo como precursor de esfuerzos más ambiciosos. MABTEX fue concebido como un pequeño globo de superpresión , llevado a Marte en una "microsonda" que no pesaría más de 40 kilogramos (88 libras). Una vez insertado, el globo operativo tendría una masa total de no más de 10 kilogramos (22 libras) y permanecería operativo durante una semana. La pequeña góndola tendría electrónica de navegación y control, junto con un sistema de imágenes estéreo , así como un espectrómetro y un magnetómetro .
Los planes preveían un sucesor de MABTEX como un aerobot mucho más sofisticado llamado MGA, por "Mars Geoscience Aerobot". Los conceptos de diseño para MGA previeron un sistema de globo de superpresión muy similar al de MABTEX, pero mucho más grande. MGA llevaría una carga útil diez veces mayor que la de MABTEX, y permanecería en el aire durante hasta tres meses, dando más de 25 vueltas alrededor de Marte y cubriendo más de 500.000 kilómetros (310.000 millas). La carga útil incluiría equipo sofisticado, como un generador de imágenes estéreo de ultraalta resolución, junto con capacidades de imágenes oblicuas; una sonda de radar para buscar agua subterránea ; un sistema de espectroscopia infrarroja para buscar minerales importantes; un magnetómetro; e instrumentos meteorológicos y atmosféricos. A MABTEX podría seguirle a su vez un pequeño dirigible propulsado por energía solar llamado MASEPA, por "Mars Solar Electric Propelled Aerobot".
El JPL también ha realizado estudios similares sobre los aerobots de Venus. Se ha considerado un Experimento de Tecnología de Aerobots de Venus (VEBTEX) como experimento de validación de tecnología, pero parece que el enfoque se ha centrado más en misiones totalmente operativas. Un concepto de misión, el Venus Aerobot Multisonde (VAMS), prevé un aerobot que opere a altitudes superiores a los 50 kilómetros (31 millas) y que dejaría caer sondas de superficie, o "sondas", sobre objetivos superficiales específicos. El globo luego transmitiría información de las sondas directamente a la Tierra y también recogería datos del campo magnético planetario y otra información. El VAMS no requeriría una tecnología fundamentalmente nueva y podría ser apropiado para una misión de ciencia planetaria Discovery de bajo costo de la NASA .
Se ha trabajado mucho en un concepto más ambicioso, el Venus Geoscience Aerobot (VGA). Los diseños del VGA prevén un globo de fluido reversible relativamente grande, lleno de helio y agua, que podría descender a la superficie de Venus para tomar muestras de los lugares de la superficie y luego volver a elevarse a grandes altitudes y enfriarse.
El desarrollo de un aerobot que pueda soportar las altas presiones y temperaturas (hasta 480 grados Celsius, o casi 900 grados Fahrenheit) de la superficie de Venus, así como el paso a través de nubes de ácido sulfúrico, requerirá nuevas tecnologías. En 2002, no se esperaba que el VGA estuviera listo hasta finales de la década siguiente. Se han fabricado prototipos de envolturas de globos a partir de polibenzoxazol , un polímero que presenta una gran resistencia, resistencia al calor y baja fuga de gases ligeros. Se aplica un revestimiento de oro para permitir que la película de polímero resista la corrosión de las nubes de ácido.
También se ha trabajado en una góndola VGA que pesa unos 30 kilogramos (66 libras). En este diseño, la mayoría de los instrumentos están contenidos en un recipiente de presión esférico con una cubierta exterior de titanio y una cubierta interior de acero inoxidable . El recipiente contiene una cámara de estado sólido y otros instrumentos, así como sistemas de comunicaciones y control de vuelo. El recipiente está diseñado para tolerar presiones de hasta cien atmósferas y mantener temperaturas internas por debajo de los 30 °C (86 °F) incluso en la superficie de Venus. El recipiente está situado en la parte inferior de una "canasta" hexagonal de paneles solares que a su vez proporcionan conexiones de amarre al sistema de globos de arriba, y está rodeado por un anillo de tuberías que actúan como intercambiador de calor. Una antena de comunicaciones de banda S está montada en el borde de la canasta, y una antena de radar para estudios de superficie se extiende fuera del recipiente en un mástil.
La Plataforma Maniobrable Atmosférica de Venus (VAMP) es un concepto de misión de las empresas aeroespaciales Northrop Grumman y LGarde para una aeronave inflable semiflotante, de larga duración y motorizada que exploraría la atmósfera superior de Venus en busca de biofirmas [3] [4], así como también realizaría mediciones atmosféricas. [5]
En abril de 2021 se informó que la NASA asignó trabajo para diseñar y probar globos robóticos para la futura exploración de Venus . [6]
Titán , la luna más grande de Saturno , es un objetivo atractivo para la exploración con aerobots, ya que tiene una atmósfera de nitrógeno cinco veces más densa que la de la Tierra que contiene una niebla de fotoquímicos orgánicos, ocultando la superficie de la luna a la vista de los sensores visuales. Un aerobot podría penetrar esta neblina para estudiar la misteriosa superficie de la luna y buscar moléculas orgánicas complejas. La NASA ha esbozado una serie de diferentes conceptos de misión de aerobots para Titán, bajo el nombre general de Titan Biologic Explorer.
Un concepto, conocido como la misión Titan Aerobot Multisite, implica un globo de fluido reversible lleno de argón que podría descender desde una gran altitud hasta la superficie de la luna, realizar mediciones y luego volver a elevarse a gran altitud para realizar mediciones y trasladarse a un sitio diferente. Otro concepto, la misión Titan Aerobot Singlesite, utilizaría un globo de superpresión que seleccionaría un solo sitio, expulsaría gran parte de su gas y luego inspeccionaría ese sitio en detalle.
Una ingeniosa variante de este sistema, el Titan Aerover, combina un aerobot y un rover. Este vehículo cuenta con un armazón triangular que conecta tres globos, cada uno de unos dos metros de diámetro. Tras entrar en la atmósfera de Titán, el aerover flotaría hasta encontrar un sitio interesante y luego liberaría helio para descender a la superficie. Los tres globos servirían entonces como flotadores o ruedas según fuera necesario. El JPL ha construido un prototipo sencillo que parece tres pelotas de playa sobre un armazón tubular.
Independientemente de la forma que adopte la misión Titan Biologic Explorer, el sistema probablemente requeriría un módulo generador termoeléctrico de radioisótopos alimentado con energía atómica. La energía solar no sería posible a la distancia de Saturno y bajo la contaminación de Titán, y las baterías no darían la autonomía adecuada para la misión. El robot aeroespacial también llevaría un laboratorio químico en miniatura para buscar sustancias químicas orgánicas complejas.
Fuera del JPL, otros estudios de misiones sobre conceptos de aerobots en Titán han incluido estudios de dirigibles por parte del MIT [7] y NASA Glenn, [8] y un avión Titán propuesto por NASA Ames. [9]
Por último, los aerobots podrían utilizarse para explorar la atmósfera de Júpiter y posiblemente la de otros planetas gaseosos exteriores . Como las atmósferas de estos planetas están compuestas en gran parte de hidrógeno, y puesto que no hay gas más ligero que el hidrógeno, un aerobot de este tipo tendría que ser un Montgolfiere . Como la luz solar es débil a tales distancias, el aerobot obtendría la mayor parte de su calor de la energía infrarroja irradiada por el planeta que se encuentra debajo. [10]
Un aerobot de Júpiter podría operar a altitudes donde la presión atmosférica oscila entre una y diez atmósferas, bajando ocasionalmente para realizar estudios detallados. Realizaría mediciones atmosféricas y enviaría imágenes y teledetección de fenómenos meteorológicos, como la Gran Mancha Roja de Júpiter . Un aerobot de Júpiter también podría dejar caer sondas a gran profundidad en la atmósfera y transmitir sus datos a un orbitador hasta que las sondas fueran destruidas por la temperatura y la presión.
Se han propuesto conceptos de aviones con alas para la exploración robótica en la atmósfera de Marte, [2] [11] Venus, [12] [13] Titán, [9] e incluso Júpiter. [14]
Los principales desafíos técnicos de volar en Marte incluyen: [11]
El concepto de avión ARES [15] fue seleccionado para un estudio de diseño detallado como uno de los cuatro finalistas para la oportunidad del Programa Mars Scout 2007, pero finalmente no fue seleccionado a favor de la misión Phoenix . En el estudio de diseño, se probaron aviones tanto a media escala como a escala real en condiciones atmosféricas marcianas. [15] (Véase también Avión marciano ).
En 2002, se publicó un artículo que sugería helicópteros robóticos autónomos para la exploración de Marte, posible para el Programa Mars Scout . [16] Se señalaron varias ventajas de un diseño viable de helicóptero, incluida la capacidad de pasar sobre terrenos difíciles de Marte y aún así visitar múltiples sitios in situ . [16] El breve salto realizado por Lunar Surveyor 6 en 1967 se señaló como un ejemplo de salto para visitar otro sitio. [16]
Ingenuity , parte de la misión Mars 2020 de la NASA , es un helicóptero robótico en desuso que demostró el primer vuelo de un helicóptero en la atmósfera de Marte. [17] La aeronave se desplegó desde el rover Perseverance e inicialmente voló cinco veces durante su campaña de prueba de 30 días al principio de la misión. [18] Cada vuelo no tomó más de 110 segundos, a altitudes que iban de 3 a 10 metros (10 a 33 pies) del suelo, y cubrió una distancia máxima de hasta 266 m (873 pies) por vuelo. [17] Usó control autónomo y se comunicó con Perseverance directamente después de cada aterrizaje. Logró el primer vuelo propulsado en otro planeta. [19] Ingenuity había estado operando en Marte durante 1042 soles (1071 días en total ; 1 año, 341 días ) antes de retirarse, cuando probablemente las cuatro palas de su rotor se dañaron, lo que provocó que la NASA retirara la nave. [20] [21]
La misión Dragonfly de la NASA , planificada para 2027, contará con un helicóptero que explorará Titán.
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