Bracci robotici su Marte

07 giugno 2021

L’ambiente è fra i più ostili che si possano immaginare: l’atmosfera è composta principalmente di anidride carbonica e sottoposta ad un costante bombardamento di radiazioni. La temperatura è per la maggior parte del tempo molto al di sotto dello zero, e l’escursione termica è brutale, con i valori minimi che possono arrivare a meno 130 gradi centigradi.

Nuvole di polvere sommergono e consumano tutto, occasionalmente innalzandosi per chilometri in vortici nell’atmosfera rarefatta. E’ la superficie di Marte e degli avanzatissimi bracci robot devono muoversi in questo scenario per completare un compito difficile. Devono raccogliere campioni del suolo “marziano” che, per la prima volta nella storia, viaggeranno verso la Terra per essere studiati in laboratorio.

I robot non possono contare su aiuti esterni, né essere controllati in remoto - occorrono infatti ben 20 minuti perché i segnali coprano l’enorme distanza che separa il pianeta rosso dalla Terra – ecco perché hanno bisogno di un elevato grado di autonomia e sofisticati algoritmi intelligenti.

All’interno dell’ambizioso programma Mars Sample Return, frutto della collaborazione fra NASA e Agenzia Spaziale Europea, Leonardo sta progettando a Nerviano (Milano) dei bracci meccatronici in grado di operare sul territorio marziano. Il programma, che si svilupperà in più di un decennio successivo all’atterraggio del rover Perseverance della NASA su Marte il 18 febbraio 2021, ha l’obiettivo di riportare sulla Terra campioni del suolo del Pianeta Rosso per la prima volta nella storia. Il rover Perseverance, nel corso della sua esplorazione già in corso, raccoglierà campioni di suolo e li sigillerà in appositi contenitori di forma tubolare che deporrà sul terreno.

Nel 2026 partirà la storica missione per il loro recupero. Un modulo di atterraggio, il Sample Retrieval Lander della NASA, sarà lanciato per posarsi sul suolo di Marte nel 2027. Il lander rilascerà un veicolo robotico prodotto dall’ESA, il Sample Fetch Rover, che seguirà le tracce di Perseverance. Sia sul Lander che sul Rover si troveranno gli speciali bracci robotici che Leonardo sta progettando come responsabile del consorzio che riunisce molteplici industrie europee. Questi sistemi non solo dovranno operare nelle terribili condizioni ambientali di Marte, ma dovranno resistere agli shock del lancio dalla Terra e ai lunghi mesi di viaggio nello Spazio oltre che, soprattutto, alla sempre rischiosa discesa fino sul suolo del Pianeta Rosso. Dovranno essere quanto più compatti e leggeri possibile perché il contenimento di pesi e volumi è fondamentale per ogni lancio spaziale, funzionare con un minimo consumo di energia e trovarsi a loro agio in un ambiente dove la gravità è pari a circa un terzo di quella terrestre. La loro presa dovrà essere salda, ma al contempo delicata: servirà, infatti, una capacità di manipolazione molto più sofisticata di quella finora utilizzata nelle precedenti missioni su Marte, che si è per lo più limitata all’utilizzo di più semplici bracci “posizionatori” per deporre strumentazioni sul terreno.

Leonardo ha dimostrato di saper affrontare questa sfida grazie alla realizzazione del braccio robotico DEXARM, dimostratore tecnologico per un possibile impiego sulla Stazione Spaziale Internazionale, e del DELIAN, punto di riferimento per la meccatronica e di fatto “prototipo” per i bracci da impiegare nella missione marziana. Il fatto che l’ESA abbia scelto Leonardo per questo compito è motivo d’orgoglio non solo per l’azienda, ma per il Paese.

Grazie al suo sistema di controllo e basandosi sulle immagini acquisite dalle telecamere presenti a bordo, il braccio robotico sul Sample Fetch Rover dovrà scovare e recuperare i campioni, riponendoli all’interno di un apposito contenitore nel Rover. Il braccio avrà un’estensione di circa 1,20 m e si snoderà con 6 gradi di libertà grazie ad altrettanti giunti avanzati: il numero non è casuale, ma è quello necessario a permettere di orientare i tubi in una qualsiasi direzione dello spazio cartesiano, così da consentire il recupero e lo stivaggio in ogni circostanza.

Sul Sample Retrieval Lander si troverà un secondo braccio, denominato Sample Transfer Arms (STA), lungo oltre 2m e con un settimo grado di libertà aggiunto per garantire una ridondanza tale che, data una posizione finale desiderata per il tubo, ci siano infinite combinazioni di movimento per raggiungerla senza collisioni.

Sul braccio del Rover è presente una sola telecamera aggiuntiva rispetto a quelle presenti su tutto il sistema e servirà Intelligenza Artificiale avanzata capace di riconoscere i tubi nascosti dalla polvere del suolo marziano. Per STA, invece, verranno impiegate telecamere monocromatiche in grado di resistere all’ambiente “marziano”; le telecamere saranno 2 per garantire una ridondanza a freddo: se una si guastasse, l’altra subentrerebbe.

La precisione del controllo di STA sarà cruciale poiché questo braccio dovrà “pescare” i tubi riportati dal Sample Fetch Rover e inserirli in uno speciale container.

Questo container è la ragion d’essere di un piccolo razzo, il Mars Ascent Vehicle, che al momento opportuno sarà eretto e lanciato dal Lander: per la prima volta nella storia, un razzo decollerà da Marte e immetterà in orbita lo speciale container con i preziosi campioni. Per recuperarlo, nell’ottobre 2026 verrà lanciato un veicolo orbitale (orbiter) dell’ESA, per il quale la joint venture Thales Alenia Space è responsabile della fornitura del sistema di comunicazione che consentirà la trasmissione dati tra Terra, Orbiter e Marte e della progettazione dell’Orbit Insertion Module, che userà degli speciali propulsori per inserirsi gradualmente in orbita bassa attorno al Pianeta Rosso, raggiungendolo nel 2027. Qui avverrà il delicato incontro con il container, che dovrà essere “catturato” e riportato sulla Terra, con arrivo previsto nel 2031.

Questa complessa missione internazionale stabilirà una serie di primati. Darà la possibilità di studiare, per la prima volta nella storia, campioni di suolo di Marte nei laboratori terrestri e consentirà studi approfonditi della materia raccolta, che di certo aggiungeranno conoscenza alle nostre scienze.

In combinazione con la missione ESA ExoMars del 2022, poi, questi studi potrebbero darci risposte approfondite sul passato di Marte e sull’eventuale presenza di forme di vita. Per questa missione, Leonardo fornirà una componente chiave, ovvero una speciale trivella spaziale, che consentirà per la prima volta di campionare il terreno marziano fino a 2 metri di profondità. Un aspetto rilevante perché, superato il primo metro contaminato dalle radiazioni e quindi sterile, si potrebbero trovare tracce di una passata presenza di organismi viventi.

Inoltre, il decollo del razzo Mars Ascent Vehicle dalla superficie del Pianeta Rosso e il ritorno di una capsula fino alla Terra rappresenterà anche un’imprescindibile tappa nello sviluppo delle tecnologie indispensabili ad una futura missione umana su Marte.

Anche nell’immediato, le ricadute tecnologiche di questi progetti di robotica spaziale possono essere straordinarie. I sistemi sviluppati per le missioni spaziali possono trovare applicazione anche nelle più ostili aree del nostro pianeta.

 

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