El hardware permitirá que el trío de helicópteros planetarios de la misión SkyFall utilice radar de penetración terrestre para estudiar el subsuelo marciano.
Cuando los tres helicópteros SkyFall de la NASA surquen los cielos de Marte, una de sus tareas será buscar agua congelada —un recurso fundamental para los futuros astronautas— mediante radar de penetración terrestre. Para que este radar funcione, cada helicóptero llevará una antena flexible de tela que deberá extenderse por debajo de la aeronave sin interferir con los aterrizajes ni romperse al impactar. Se trata de un diseño especializado para la misión, que recientemente superó una ronda de pruebas en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la agencia en el sur de California.
Si bien las naves espaciales en órbita pueden cartografiar los gruesos depósitos de hielo marciano a decenas de metros bajo la superficie, carecen de visión para los primeros metros de regolito, es decir, roca fragmentada y polvo. Esta zona superficial será crucial para los futuros astronautas, quienes necesitarán acceder fácilmente al hielo y procesarlo para obtener agua, oxígeno y combustible.
“La única forma de detectar hielo superficial a distancia es volando cerca del suelo”, explicó Adrian Tang, científico principal del radar de penetración terrestre de SkyFall en el JPL. “Al volar bajo y despacio, un helicóptero de SkyFall podría capturar imágenes de radar que permitan distinguir las finas capas donde el suelo seco da paso al hielo, detectando su presencia y mapeando su extensión”. Este equipo permitirá que el trío de helicópteros planetarios de la misión SkyFall utilice el radar de penetración terrestre para estudiar el subsuelo marciano.
Diseñado para Marte
Para explorar el subsuelo marciano, el radar de penetración terrestre de SkyFall utilizará un rango de frecuencia ultra amplio —de 500 a 2500 megahercios— que corresponde a longitudes de onda de entre 60 y 12 centímetros (24 a 5 pulgadas). Las longitudes de onda más largas pueden penetrar varios metros bajo la superficie. Las longitudes de onda más cortas proporcionan información más detallada sobre las capas superiores y la textura de la superficie.
Aquí es donde entra en juego el diseño único de la antena. Una antena tradicional que opere en esa parte del espectro electromagnético necesitaría medir 48,3 centímetros (19 pulgadas) de largo y tener una visión despejada del suelo, pero la distancia mínima entre la superficie de Marte y la base del fuselaje del helicóptero es de tan solo 15,2 centímetros (6 pulgadas). El equipo necesitaba una antena que no interfiriera con el aterrizaje ni se dañara durante el mismo.
Tras una exhaustiva búsqueda de la antena idónea, el equipo de SkyFall se decantó por la Vivaldi, ya que puede transmitir y recibir señales en un amplio rango continuo de radiofrecuencias y su perfil plano y ligero permite cortarla fácilmente en tejidos metalizados flexibles. La antena curvilínea recibió su nombre de su inventor, Peter Gibson, quien consideró que sus líneas sinuosas recordaban a un violín, instrumento asociado al compositor Antonio Vivaldi.
Si bien la antena estándar Vivaldi era eficiente y robusta, seguía siendo demasiado grande para la altura libre al suelo de SkyFall. Afortunadamente, el radar de penetración terrestre de SkyFall se puede miniaturizar aún más, ya que está diseñado específicamente para realizar estudios a poca profundidad (menos de 5 metros) en el regolito seco marciano, que bloquea las ondas de radio mucho menos que el suelo terrestre. El equipo desarrolló técnicas para reducir aún más el tamaño de la antena sin sacrificar la sensibilidad.
«Aunque conseguimos reducir bastante el tamaño de la antena, es aproximadamente una vez y media más larga que las patas del helicóptero», declaró Christine Gebara, jefa del equipo mecánico del radar de penetración terrestre de SkyFall en el JPL. Esto significa que, durante el aterrizaje, la antena Vivaldi debe doblarse para evitar obstáculos, y si aterriza sobre una roca, se dobla aún más. Pero cuando el helicóptero vuelve a despegar, la antena debe recuperar su forma original para la recopilación de datos. Dado que se espera que SkyFall realice docenas de vuelos explorando Marte, necesitábamos una antena que pudiera soportar repetidamente esas presiones sin deformarse en vuelo.
Para garantizar que la versión reducida de la Vivaldi pudiera resistir las operaciones de vuelo, el equipo la recubrió con poliéster y luego con capas de Vectran, el mismo material flexible y superresistente utilizado para las bolsas de aire de aterrizaje de los rovers Spirit y Opportunity de la NASA. Para ayudar a la antena a mantener su forma en el aire, los ingenieros añadieron resortes de cinta de fibra de vidrio flexible y una estructura de montaje de magnesio ligera. El conjunto completo pesa aproximadamente 150 gramos, un poco más que dos arcos de violín.
Pruebas de Vivaldi
Probar conceptos de hardware espacial con diseños en papel y modelos matemáticos solo permite avanzar hasta cierto punto en una misión. El equipo necesitaba demostrar que su prototipo de antena podía soportar las intensas fluctuaciones de temperatura y la radiación espacial propias de una misión completa.
En el Laboratorio de Pruebas Ambientales del JPL, los ingenieros doblaron la antena para simular una posible orientación tras un vuelo de SkyFall en Marte. Luego la sometieron a drásticos cambios térmicos para simular el ciclo día-noche marciano, durante el cual las temperaturas pueden variar hasta 94 grados Celsius (170 grados Fahrenheit). Posteriormente, flexionaron la antena repetidamente como si hubiera soportado docenas de aterrizajes. Durante el proceso, se detuvieron seis veces para trasladar el equipo a una cámara de pruebas electromagnéticas y verificar que su capacidad para transmitir y recibir señales de radar no se hubiera visto afectada.
Durante las pruebas de radiofrecuencia, el equipo invirtió la antena de modo que la parte inferior apuntara hacia arriba —una configuración que somete a la estructura a una tensión mayor que la que jamás generaría la gravedad marciana (un tercio de la gravedad real)— y probó el rendimiento de la señal. Al finalizar la campaña de pruebas, la antena había soportado 200 aterrizajes en Marte, más del doble de lo necesario para una misión principal exitosa, sin pérdida de rendimiento.
«Esta prueba cumplió con todas las expectativas y respondió a nuestras principales dudas técnicas», declaró Tang. «Si bien aún nos queda trabajo por hacer antes de que la antena esté completamente cualificada para el vuelo, este fue un hito importante y el hardware funcionó exactamente como se esperaba».
Tras la primera gran campaña de pruebas de la antena, el equipo del radar de penetración terrestre está construyendo un modelo de ingeniería que soportará pruebas de vibración, despliegue en un entorno marciano simulado, pruebas de señal y ensayos al aire libre en el Mars Yard del JPL.
Equipadas con cuatro instrumentos cada una, las tres aeronaves SkyFall siguen los pasos del helicóptero Ingenuity de la NASA, que realizó 72 vuelos durante casi tres años, demostrando que el vuelo controlado y propulsado es posible en la enrarecida atmósfera marciana. También demostró cómo una perspectiva aérea puede generar datos valiosos, ayudando al equipo del rover Perseverance de la NASA a planificar rutas que ahorran tiempo y a elegir ubicaciones para la recopilación de datos científicos.
Se espera que SkyFall se lance a bordo del Space Reactor-1 Freedom de la NASA a finales de 2028.
Para más información sobre SkyFall https://science.nasa.gov/mission/skyfall/
Traducción no oficial del artículo original en Inglés.
Créditos: NASA / JPL-Caltech