Geocaching em Marte: Como a perseverança selará amostras marcianas com um retorno à Terra em mente

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Com a janela de lançamento de aproximadamente 20 dias para a missão Mars 2020 se aproximando rapidamente, o trem da campanha publicitária para a próxima grande missão no Planeta Vermelho está realmente ganhando força. E por um bom motivo – a missão Mars 2020 está em andamento há mais de uma década e, como relatamos no início deste ano, o veículo espacial que ele está entregando à superfície marciana, apelidado de Perseverança, estará entre os mais complexos. dispositivos já em campo.

“Percy” – vamos lá, esse apelido é natural – é um laboratório móvel, capaz de explorar a superfície marciana em busca de evidências de que a vida já encontrou um caminho até lá, e de fazer as bases necessárias se quisermos ir lá nós mesmos . O veículo movido a energia nuclear se ergue com instrumentos científicos e, supondo que sobreviva aos “Sete Minutos de Terror” e também à sua gêmea fraterna Curiosity, em 2012, devemos começar a ver resultados surpreendentes.

Nenhuma missão anterior a Marte foi mais bem equipada para responder à pergunta essencial: “Estamos sozinhos?” Mas não importa quão capaz seja a Perseverança, há um limite para o quanto de ciência pode ser empacotada em algo que custa milhões de dólares por quilo para chegar a Marte. E assim a NASA decidiu equipar a Perseverance com a capacidade de não apenas coletar amostras geológicas, mas empacotá-las e depositá-las na superfície do planeta para aguardar uma missão futura que as buscará em uma viagem de volta à Terra para estudos adicionais. . É ousado e com visão de futuro, e é diferente de tudo que já foi experimentado antes. De várias maneiras, o sistema de manipulação de amostras da Perseverance é o objetivo, e é o assunto desse mergulho profundo.

Três robôs em um

A NASA fez seu admirável trabalho habitual de se comunicar com o público sobre a missão Mars 2020, e parte do alcance inclui este vídeo recente que mostra um pouco da engenharia aplicada ao sistema de manipulação de amostras. Honestamente, porém, por tanto colírio para os olhos tecnológicos quanto o vídeo, apenas serviu para aguçar meu apetite. Havia tanta coisa acontecendo que eu tive que descobrir mais.

Para entender um pouco da história, virei-me para Kelly Palm, um dos engenheiros da JPL vistos no vídeo abaixo. Como líder de integração e teste do SCS (Sample Caching System), ela está bastante ocupada atualmente, mas graciosamente respondeu minhas perguntas e me ajudou a me dar uma idéia do que foi necessário para construir e testar uma peça tão complexa de equipamento.

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Antes de tudo, o SCS não é realmente apenas um, mas três robôs separados, cada um com um conjunto específico de tarefas. O “ponto comercial” do SCS é o braço do robô com 2 metros de comprimento montado na frente do veículo. Gostar Curiosidade antes dele, o braço carrega uma torre carregada de instrumentos científicos, sensores e câmeras, além das ferramentas necessárias para perfurar rochas marcianas e coletar amostras. Mas, diferentemente de seu antecessor, onde o berbequim foi projetado para abrasão de rochas e produz um pó que poderia ser facilmente analisado por instrumentos a bordo, o berbequim Perseverance é especializado na obtenção de amostras básicas, adequadas tanto para estudos a bordo quanto em laboratórios terrestres. amostras são retornadas.

A broca na torre do braço do robô é uma ferramenta bastante versátil. Com a ajuda do carrossel de brocas (mais sobre o que está abaixo), a broca pode anexar brocas projetadas para diferentes trabalhos. A broca é capaz de funcionar tanto no modo rotativo simples quanto no modo percussivo, semelhante a uma broca de martelo. Um pequeno tanque interno de nitrogênio purificado é usado para remover suavemente a poeira gerada pelas operações de descaroçamento.

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Detalhe do sistema de interrupção e retenção do núcleo. Fonte: Honeybee Robotics

A extração de rochas a uma profundidade limitada usando uma broca cilíndrica levanta uma questão: como exatamente o núcleo é recuperado? Na Terra, a resposta seria usar uma segunda ferramenta para forçar o cilindro de rocha deixado para trás após a remoção da broca. Enquanto algo assim certamente poderia funcionar em Marte também, especialmente com um braço robótico à sua disposição, a NASA criou um sistema muito mais inteligente.

De acordo com os testes de projeto executados por uma empresa chamada Honeybee Robotics em 2014, liberar o núcleo da rocha-mãe e envolver o tubo de amostra no qual ele viverá até ser reaberto em um laboratório na Terra é um processo de uma etapa. Aninhado dentro da broca de testemunhagem, há um tubo de amostra de titânio. Durante o descaroçamento, o eixo do tubo de amostra e a broca de descaroçamento são alinhados um com o outro, de modo que o tubo deslize sobre o núcleo da rocha à medida que a perfuração prossegue. Na profundidade adequada, o tubo de amostra é girado levemente fora do eixo, exercendo força suficiente na base da amostra central para separá-lo da rocha original. O núcleo é retido por um lábio no interior da broca de testemunhagem, permitindo que seja removido do furo, já dentro do tubo de amostra de titânio no qual permanecerá até a missão de retorno da amostra.

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Selado com um Carneiro

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O carrossel de bits, que faz a transição de bits e amostras da vertical para a horizontal com apenas um único eixo de rotação. Fonte: Missão Mars 2020 por Ken Farley

O carrossel de bits é o próximo robô no processo de armazenamento em cache de amostra. Sentado na frente do chassi do rover, o carrossel de bits é exteriormente simples – apenas uma torre rotativa que transporta bits de e para o armazenamento na barriga da Perseverance. Mas o que falta em complexidade é mais do que compensado por seu design inteligente. O corpo do carrossel é uma roda com estações ao redor da borda. Cada estação está em um ângulo de 45 ° em relação ao eixo do rotor, que por sua vez é orientado em 45 ° em relação ao eixo longo do chassi. A combinação de ângulos significa que um tubo pode fazer a transição da vertical para a horizontal apenas girando o carrossel com um único motor. Existem muitos sensores e atuadores que garantem que tudo esteja alinhado, é claro, mas a simplicidade do design é realmente algo.

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Sistema de vedação do tubo de amostra. A vedação (amarela) é colocada no tubo de amostra e uma ponteira (cinza) é acionada por uma haste guia para expandir a vedação nas paredes do tubo. Fonte: Redmond, Laura et al. “Projeto de mecanismo de vedação robusto para tubos de amostra Mars 2020” J. Nave espacial e foguetes

A capacidade de transferir ferramentas e amostras entre as orientações horizontal e vertical é fundamental para a missão de armazenamento em cache de amostras, pois o robô que cuida de armazenar tudo fica dentro da seção dianteira do chassi do rover. O Sample Handling Arm, ou SHA, se parece um pouco com os robôs SCARA (braço de robô articulado de conformidade seletiva) que são predominantes nas fábricas de semicondutores. O SHA é capaz de acessar vários locais dentro do compartimento de armazenamento em cache de amostras e transferir entre eles e a área de apresentação do carrossel de bits. Para limpar os instrumentos e os tubos de amostra que ocupam a maior parte do espaço no compartimento, o SHA tem um eixo Z adicional para que tudo caia abaixo da borda inferior do chassi do rover. Além de 42 silos de armazenamento para tubos de amostra de núcleo e de regolito, o SHA pode alcançar armazenamento de várias ferramentas e acessórios, além de instrumentos para fazer algumas análises preliminares das amostras, como avaliação de volume e geração de imagens.

Depois que um tubo de amostra é preenchido, ele precisa ser hermeticamente fechado para garantir que o conteúdo sobreviva por um período indeterminado de tempo na superfície marciana, além de suportar os rigores da eventual viagem de volta à Terra. A vedação deve ser feita sem contaminar a amostra, para que nenhum adesivo possa ser usado e também não seja utilizado calor, para que a amostra não seja sujeita a temperaturas extremas.

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Para selar um tubo de amostra, o SHA o leva a um dos sete dispensadores de selos. Um bujão em forma de copo é deixado cair na extremidade aberta do tubo por um distribuidor. O tubo entupido é então movido para uma estação de vedação, que usa um aríete acionado por motor para conduzir um ponteiro cônico por uma haste guia dentro do plugue. À medida que a ponteira é pressionada para baixo, a borda do bujão se expande, levando um dente afiado em sua circunferência externa para a parede interna do tubo de amostra. O resultado final é essencialmente uma ligação soldada a frio entre a tampa e o tubo de amostra, selando hermeticamente o tubo e protegendo a amostra da contaminação.

Retornar ao remetente

Depois que uma amostra é selada em seu sarcófago de titânio, ela está pronta para ser depositada na superfície marciana. A maioria dos perfis de missão que eu encontrei se refere ao uso de “armazenamento em cache”, onde o Perseverance retorna repetidamente para um único local, de várias regiões de interesse, para depositar tubos de amostra. Isso faz todo sentido; encontrar uma grande pilha de 42 tubos de titânio é provavelmente uma tarefa muito mais fácil para uma futura missão de recuperação de amostras do que perambular pela procura de tubos individuais largados onde foram levados.

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Como geocaching, mas em Marte. A estratégia de armazenamento em cache do depósito a ser usada na cratera Jezero. Fonte: NASA

Ainda assim, qualquer robô que seja enviado para limpar depois que o Perseverance tiver seu trabalho cortado; como o SHA não pode alcançar a superfície, os tubos terão que ser derrubados, o que significa que uma pilha ordenada de tubos de amostra provavelmente não será o que o robô de recuperação encontrará. O que quer que se segue nas pistas do Perseverance precisará da agilidade para coletar e armazenar com segurança cada precioso tubo de amostra, independentemente de sua orientação, possivelmente depois de desenterrá-lo do regolito soprado pelo vento e a inteligência para fazer tudo de forma autônoma.

Com alguma sorte, o Perseverance estará a caminho de Marte e, tanto quando for lançado quanto em fevereiro, estaremos colados aos nossos assentos, à espera de resultados. Também estaremos acompanhando o desenvolvimento da missão de retorno, que pode ser ainda mais desafiadora e exigir engenharia ainda mais fria para ser executada.

Imagens em destaque: NASA / JPL-Caltech

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