NASA's Jet Propulsion Laboratory heeft onlangs aangekondigd dat het een kleine drone-helikopter ontwikkelt om de weg te zoeken naar toekomstige Mars-rovers. Waarom zouden Mars-rovers zo'n robotgids nodig hebben? Het antwoord is dat rijden op Mars heel moeilijk is.
Hier op aarde kunnen robots die vulkanische randen verkennen of hulpverleners helpen, met een afstandsbediening worden bestuurd met een joystick. Dit komt omdat radiosignalen de robot bijna onmiddellijk bereiken vanuit het controlecentrum. Rijden op de maan is niet veel moeilijker. Radiosignalen die met de snelheid van het licht reizen, hebben ongeveer twee en een halve seconde nodig om de rondreis naar de maan en terug te maken. Deze vertraging is niet lang genoeg om het rijden op afstand ernstig te verstoren. In de jaren '70 reden Sovjetcontrollers de Lunokhod-maanrovers op deze manier en verkenden ze met succes meer dan 40 km maangebied.
Rijden op Mars is veel moeilijker, omdat het zoveel verder weg is. Afhankelijk van de positie ten opzichte van de aarde, kunnen signalen tussen de 8 en 42 minuten duren voor de rondreis. Voorgeprogrammeerde instructies moeten naar de rover worden gestuurd, die hij vervolgens zelfstandig uitvoert. Elke rit op Mars vergt uren van zorgvuldige planning. Stereobeelden gemaakt door de navigatiecamera's van de rover worden zorgvuldig onderzocht door ingenieurs. Afbeeldingen van ruimtevaartuigen die in een baan om Mars draaien, geven soms aanvullende informatie.
Een rover kan worden geprogrammeerd om eenvoudig een lijst met vanaf de aarde verzonden rijcommando's uit te voeren, of hij kan afbeeldingen gebruiken die zijn gemaakt met de navigatiecamera's en die zijn verwerkt door de boordcomputers om de snelheid te meten en zelf obstakels of gevaren te detecteren. Het kan zelfs zijn eigen veilige pad naar een bepaald doel uitzetten. Aandrijvingen op basis van instructies vanaf de grond zijn het snelst.
De Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity kan op deze manier tot 124 meter rijden in een uur. Dit komt overeen met ongeveer de lengte van een Amerikaans voetbalveld. Maar deze modus was ook het minst veilig.
Wanneer de rover zichzelf actief begeleidt met zijn camera's, is de voortgang veiliger, maar veel langzamer vanwege alle benodigde beeldverwerking. Het kan slechts 10 meter per uur vorderen, wat ongeveer de afstand is van de doellijn tot de 10-yardlijn op een Amerikaans voetbalveld. Deze methode moet worden gebruikt wanneer de rover geen duidelijk zicht heeft op de route die voor hem ligt, wat vaak het geval is vanwege ruw en heuvelachtig terrein.
Vanaf begin 2015 is de verste nieuwsgierigheid die op één dag is gereden 144 meter. De langste dagelijkse rit van Opportunity was 224 meter, een afstand van twee Amerikaanse voetbalvelden.
Als grondverkeersleiders het pad dat voor ons ligt beter kunnen zien, kunnen ze instructies bedenken waardoor een toekomstige rover in een dag veilig veel verder kan rijden.
Dat is waar het idee van een drone-helikopter binnenkomt. De helikopter kan elke dag voor de rover uitvliegen. Afbeeldingen die zijn gemaakt vanuit het gezichtspunt vanuit de lucht zouden van onschatbare waarde zijn voor grondverkeersleiders voor het identificeren van punten van wetenschappelijk belang en het plannen van rijroutes om daar te komen.
Met een helikopter op Mars vliegen brengt bijzondere uitdagingen met zich mee. Een voordeel is dat de zwaartekracht van Mars slechts 38% zo sterk is als die van de aarde, zodat de helikopter niet zoveel lift hoeft te genereren als één van dezelfde massa op aarde. De propellerbladen van een helikopter genereren lift door de lucht naar beneden te duwen. Dit is moeilijker te doen op Mars dan op aarde, omdat de atmosfeer van Mars honderd keer dunner is. Om voldoende lucht te verplaatsen, zouden de propellerbladen zeer snel moeten draaien of erg groot moeten zijn.
De helikopter moet in staat zijn om zelfstandig te vliegen, met gebruikmaking van voorafgaande instructies, en een stabiele vlucht te houden langs een vooraf gespecificeerde route. Het moet herhaaldelijk landen en opstijgen in rotsachtig Mars-terrein. Ten slotte moet het in staat zijn om de barre omstandigheden van Mars te overleven, waar de temperatuur elke nacht tot 100 graden Fahrenheit of lager daalt.
De ingenieurs van JPL ontwierpen een helikopter met een massa van 1 kilogram; een fractie van de 900 kg massa van de Curiosity rover. De propellerbladen overspannen 1,1 meter van bladpunt tot bladpunt en kunnen draaien met 3400 omwentelingen per minuut. Het lichaam is ongeveer zo groot als een tissuedoos.
De helikopter werkt op zonne-energie, met een schijf zonnecellen die elke dag voldoende stroom verzamelen voor een vlucht van twee tot drie minuten en om het voertuig 's nachts te verwarmen. Het kan in die tijd ongeveer een halve kilometer vliegen en onderweg afbeeldingen verzamelen voor verzending naar de grond. Ingenieurs verwachten dat de verkenning die de drone-helikopter verzamelt van onschatbare waarde zal zijn bij het plannen van de ritten van een rover, met een verdrievoudiging van de afstand die in een dag kan worden afgelegd.
Referenties en verder lezen:
Met dank aan Mark Maimone van NASA Jet Propulsion Laboratory voor informatie over de dagelijkse rijafstanden van nieuwsgierigheid en kansen.
J.J. Biesiadecki, P. C. Leger en M.W. Maimone (2007), ‘afwegingen tussen gericht en autonoom rijden op de Mars-verkenningsrovers’, The International Journal of Robotics Research, 26 (1), 91-104
E. Howell, Opportunity Mars-rover trekt 41 kilometer naar 'Marathon Valley', Space Magazine, december 2014.
T. Reyes, Een ongelooflijke reis, Mars Curiosity-rover bereikt de basis van Mount Sharp. Space Magazine, september 2014.
Helikopters kunnen ‘verkenners’ zijn voor marsrovers. NASA Jet Propulsion Laboratory Persbericht. 22 januari 2015.
Crazy Engineering: The Mars helicopter. Video van NASA Jet Propulsion Laboratory.
Nieuwsgierigheid - Mars Science Laboratory, NASA.
Mars- Toekomstige roverplannen. NASA
