El helicóptero de la NASA en Marte hace historia como el primer vehículo en volar sobre otro planeta

Un pequeño helicóptero abrió un nuevo capítulo de exploración espacial esta mañana cuando despegó de la superficie de Marte y se convirtió en el primer vuelo propulsado por la humanidad en otro planeta.

El helicóptero de 48 centímetros de alto llamado Ingenuity levantó polvo rojo mientras se elevaba a unos 3 metros del suelo, giró sutilmente y volvió a aterrizar lentamente. El vuelo duró solo unos 40 segundos, pero representa una de las hazañas de ingeniería más audaces de la historia.

"Mucha gente pensó que no era posible volar a Marte", dice MiMi Aung, gerente de proyectos de Ingenuity en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL). "Hay tan poco aire".

La tenue atmósfera en la superficie de Marte equivale a una altitud de unos 30.480 metros en la Tierra, mucho más alta de lo que pueden volar incluso los helicópteros más capaces. El vuelo en helicóptero más alto de la historia ocurrió en 1972, cuando el aviador francés Jean Boulet voló a 12.442 metros en una base aérea al noroeste de Marsella.

El helicóptero marciano experimentó un revés el 9 de abril, cuando la computadora a bordo de la nave se apagó durante una prueba para hacer girar los dos rotores a alta velocidad. Después de revisar los datos, el equipo de JPL ajustó la secuencia de comando que se envía a la nave espacial para encender los rotores , lo que les permitió completar la prueba de giro de alta velocidad el 16 de abril. Y a las 3:34 am (hora del Este de los Estados Unidos) del 19 de abril, a media tarde hora local en Marte, el helicóptero completó con éxito su primer vuelo.

En el futuro, máquinas voladoras similares a esta podrían explorar nuevas áreas, recolectar muestras de lugares difíciles de alcanzar y recorrer docenas de kilómetros en el transcurso de días para brindar una nueva perspectiva del paisaje marciano.

Con solo 1,8 kilogramos en la Tierra, que son 0,7 kilogramos en Marte, Ingenuity ha estado operando por su cuenta desde el 3 de abril, cuando el Perseverance, un rover del tamaño de un automóvil  lo depositó en un área plana libre de escombros. Un pequeño panel solar sintonizado para los niveles relativamente bajos de luz solar carga las baterías del helicóptero durante el día y los calentadores eléctricos mantienen el vehículo caliente durante las noches que pueden caer a -90 ° F.

Para lograr su corta incursión en la atmósfera marciana, el pequeño helicóptero se basó en un pequeño procesador como los de los teléfonos móviles, tecnologías de navegación autónoma de coches autónomos, ocho baterías de iones de litio y materiales compuestos ligeros. Sus dos rotores de fibra de carbono, que miden 1,2 metros de punta a punta, tuvieron que girar a unas 2.500 rotaciones por minuto, aproximadamente cinco veces la velocidad de un rotor de helicóptero normal, para despegar del suelo.

Ahora que Ingenuity ha realizado su primer vuelo, el equipo puede planificar un segundo, que probablemente realizará la misma maniobra de vuelo estacionario pero un poco más alto y durante un poco más de tiempo. Están aproximadamente a la mitad de una ventana de 31 días para probar el helicóptero, utilizando a Perseverance como un relé de comunicación con la Tierra antes de que el rover parta para comenzar su búsqueda de vida pasada en Marte. Se planean hasta cinco vuelos, construyendo hasta un viaje por una zona de vuelo de 15 metros de largo y de regreso.

"Te deja atónito", dice Thomas Zurbuchen, administrador asociado de ciencia de la NASA, "volar por primera vez en la historia un helicóptero en Marte".

"No me digas nunca más que no es posible"

En el año 2015, el equipo del helicóptero de Marte estaba preparando una presentación para la sede de la NASA para solicitar fondos para construir un prototipo conocido como "vehículo de reducción de riesgos". Ya habían volado y chocado un modelo a escala de un tercio en una cámara de vacío en el JPL. Para estas pruebas, la cámara se bombeó a baja presión y se llenó de dióxido de carbono para reproducir la atmósfera de Marte.

Mientras Aung se preparaba para la presentación, algo hizo "clic". Los seres humanos no podrían usar el "joystick" de este helicóptero directamente porque volaría a millones de kilómetros de distancia en otro planeta y hay un retraso de comunicación de unos 15 minutos entre la Tierra y Marte. El vehículo tendría que volar solo, lo que significaba desarrollar una computadora liviana que pudiera evaluar rápidamente la posición de la nave y ajustar los rotores en consecuencia.

"Todo se reduce a la rapidez con la que el vehículo tiene que responder a la perturbación", dice Aung. El helicóptero podría enfrentar ráfagas de viento de hasta 35 kilómetros por hora, junto con cambios de presión que dificultan mantener un vuelo estable en el aire.

Pero era un problema que Aung sabía que su equipo podía resolver. El modelo a escala de un tercio ya había demostrado que la elevación era posible en Marte y Aung, un ingeniero eléctrico que se especializa en tecnologías autónomas, sabía que la electrónica del siglo XXI había llegado lo suficientemente lejos como para construir una pequeña computadora que pudiera volar el helicóptero.

"Después de ese momento, todo fue como, no me digas nunca más que no es posible". Dice Aung. "¿Qué se interpone en nuestro camino?"

Sin embargo, convencer a la sede de la NASA requirió algo más que una presentación. La agencia financió el prototipo, que en 2016 se sometió a una serie de pruebas. El primero fue simplemente mantener el vehículo en su lugar dentro de la cámara de vacío, hacer girar sus rotores y medir el torque y la elevación para asegurarse de que las matemáticas coincidieran con los modelos del equipo.

Sin embargo, cuando el prototipo se mantuvo en su lugar, las fuerzas de sus rotores podían interactuar con el suelo y el banco de pruebat, esa interacción produjo vibraciones que podían afectar los sistemas de control del vehículo y hacer que se rompa en pedazos, el mismo efecto que se sabe que hace que los helicópteros de tamaño completo se rompan al intentar despegar.

“Teníamos todo para perder”, dice Aung. "Si se separaba así en cualquier momento, podría haber sido cancelado". Incluso si el programa continuaba, una prueba fallida en este punto podría haber evitado que el equipo completara el helicóptero a tiempo para volar en el vientre del rover, que estaba programado para lanzarse durante una alineación planetaria de la Tierra y Marte en julio de 2020. "Perseverance iba con o sin nosotros".

La prueba funcionó y las matemáticas se confirmaron. El prototipo fue capaz de volar, flotar, girar y aterrizar en la cámara de vacío, demostrando que no solo la elevación, sino el vuelo controlado de forma autónoma era posible en Marte.

"Logramos el desafío de la aerodinámica", Bob Balaram, ingeniero jefe de Ingenuity, recuerda haber pensado en ese momento. "Ahora tenemos que construir el resto de la nave espacial".

Fibra de carbono e hilo de pescar 

La masa es el enemigo del vuelo, particularmente en Marte. Cada gramo extra de Ingenuity  aumentó la cantidad de sustentación y empuje que los rotores tenían que producir.

“Hay que ser muy ligero”, dice Teddy Tzanetos, subdirector de operaciones del helicóptero. "Ingenuity pesa 1,8 kilogramos y fue una hazaña de ingeniería tener todo lo que necesitábamos empaquetado en esos 1,8 kilogramos".

Gran parte del helicóptero, incluidos sus rotores, patas de aterrizaje y fuselaje (una pequeña caja para contener los componentes electrónicos), fue construido por AeroVironment, un contratista aeroespacial con sede en Simi Valley, California. La empresa construye drones militares y aviones experimentales para la NASA, como el Helios, un ala voladora con energía solar, que a diferencia de los helicópteros, ha volado hasta aproximadamente 30.480 metros.

Dos rotores de fibra de carbono de Ingenuity giran en direcciones opuestas, anulando el par que convertiría el helicóptero si sólo tenía un rotor. (En un helicóptero convencional, se utiliza un rotor de cola para contrarrestar el par del rotor principal). Estos rotores no solo tenían que ser grandes y excepcionalmente livianos, sino también muy rígidos para evitar que se movieran e interrumpieran el flujo de aire.

Las patas de aterrizaje, también hechas de fibra de carbono, presentaron otro “desafío interesante”, dice el ingeniero aeromecánico senior de AeroVironment Ben Pipenberg, quien ha estado trabajando en el helicóptero Mars desde el inicio del programa.

“La gravedad en Marte es aproximadamente un tercio de la que hay aquí en la Tierra y hay que tener mucho cuidado de que, cuando aterrices, no rebotes realmente”, dice. Las patas también tenían que doblarse para que Ingenuity pudiera caber cómodamente bajo el vientre de Perseverance para el vuelo a Marte. "Sería una forma desafortunada de que todo fallara: o las patas no se despliegan cuando intentamos bajar del vehículo o, después de aterrizar, rebota y se vuelca".

La gravedad ligera de Marte también presentó otros desafíos, a saber, que no se puede simular perfectamente en la Tierra. En el año 2018, se probó una copia completa y exacta del helicóptero Ingenuity en la cámara de vacío del JPL. El equipo pudo drenar la presión atmosférica y bombear los gases adecuados para crear el tipo de aire que se encuentra en Marte, pero no hay forma de ajustar la gravedad. Para compensar, el equipo utilizó lo que llamaron un sistema de descarga por gravedad.

“Puede pensar en él como un carrete de pesca con un hilo de pescar, un motor y un sensor de par muy preciso”, dice Tzanetos. La línea se unió al helicóptero con un "nudo muy seguro atado allí, varios nudos, como respaldo", y el carrete de precisión se detuvo en el helicóptero para imitar la baja gravedad de Marte.

Un segundo prototipo completo fue sometido a pruebas medioambientales, que demostraron que podía sobrevivir a las vibraciones del lanzamiento de un cohete y a las gélidas temperaturas de la noche marciana. A principios del 2019, el equipo había construido el helicóptero real que volaría a Marte, probando sus capacidades de vuelo dos veces en la cámara de vacío.
"La próxima vez que volemos, volaremos en Marte", dijo Aung después de las pruebas.

"Cientos de helicópteros dando la vuelta a Marte"

Ahora que Ingenuity ha realizado su primer vuelo, la humanidad está un paso más cerca de hacer del vuelo una parte regular de la exploración planetaria. “Mi sueño es que los vehículos aéreos se conviertan en la norma para explorar el espacio”, dice Aung.

El equipo piensa en Ingenuity como la nave equivalente al Sojourner rover, que se convirtió en el primer vehículo en conducir en Marte en 1997. Como Ingenuity, Sojourner fue llevado a Marte por una nave espacial científica más grande, la Mars Pathfinder, un módulo de aterrizaje.

“A la comunidad científica no le gustó”, dice Zurbuchen sobre Sojourner. "Dijeron: Oye, podemos hacer todo lo que queramos hacer en los módulos de aterrizaje".

Menos de 25 años después, la NASA no tiene uno, sino dos rovers del tamaño de un automóvil que exploran la superficie de Marte. Tanto el rover Curiosity, que aterrizó en 2012, como Perseverance están desentrañando la historia geológica única del planeta y buscando signos de vidas pasadas. Perseverance también se está preparando para recoger la primera muestra de roca marciana que se devolverá a la Tierra , lo que podría ser crucial para saber finalmente si Marte alguna vez estuvo habitado.

Los futuros helicópteros podrían servir como exploradores para los rovers y, eventualmente, para los humanos, y podrían explorar áreas donde los rovers y la gente simplemente no puedan ir: cañones profundos como Valles Marineris, que se extienden más de 4023 kilómetros, o las empinadas laderas de Olympus Mons, que es aproximadamente dos veces y media la altura del monte Everest.

“Pude imaginar cientos de helicópteros dando la vuelta a Marte”, dice Charles Elachi, director de JPL de 2001 al 2016, quien supervisó el inicio del programa de helicópteros de Marte. "Puedo imaginar una de las misiones futuras en la que tengamos un módulo de aterrizaje, tenemos docenas de helicópteros en él, y estos helicópteros volarán y cubrirán una región grande y traerán muestras".

Los equipos de JPL ya están pensando en helicópteros más grandes, dice Elachi, que podrían transportar cargas útiles más pesadas y examinar áreas más amplias. “Los rovers ahora pueden recorrer varios kilómetros en un año, pero un helicóptero podría recorrer varios kilómetros en un día”, dice. "La recompensa potencial es enorme". 

Por ahora, el equipo estudiará detenidamente los datos del primer vuelo para planificar las ejecuciones adicionales de Ingenuity, y quizás se tomará un tiempo para pensar en el futuro de las máquinas voladoras en otros mundos. "A cualquier lugar donde podamos volar, donde haya atmósfera", dice Aung, "debería convertirse en una norma que enviemos helicópteros para volar allí".