I primi voli di Ingenuity su Marte

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ARGOMENTO: ASTRONOMIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: MARTE
parole chiave: Ingenuity, drone, dimostratore tecnologico, Perseverance, NASA
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Torniamo a parlare di Perseverance, il rover che continua la sua missione su Marte, potremmo dire, in buona compagnia. Lo avrete sentito o letto nelle news, Percy è dotato di un certo numero di moduli che gli consentono di effettuare le sue misure e ricerche e di effettuare dei test dimostrativi tecnologici … tra di essi abbiamo anche Ingenuity, un piccolo elicottero del peso di circa 1,8 chilogrammi che il 30 aprile 2021 ha effettuato il suo quarto volo marziano.

I funzionari del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA hanno dichiarato che il piccolo elicottero continua a stabilire record, volando sempre più velocemente e sempre più lontano da Perseverance.

Vi chiederete cosa ci sia di tanto straordinario
Per capire la difficoltà di volare in una atmosfera marziana dobbiamo partire da un dato fisico. Innanzitutto un aeromobile per volare ha bisogno di sfruttare la fluidità del mezzo, in particolare la sua densità. Su Marte la densità della atmosfera a livello superficiale è decisamente più bassa di quella terrestre (circa 0.02 chilogrammi al metro cubo) equivalente a quella che sulla Terra troveremmo a circa 35,000 metri di altitudine. Quindi la densità marziana sarebbe troppo poca per poter volare, soprattutto per un elicottero.

Anni fa un amico pilota scherzando mi disse che un elicottero è una macchina che vola ma non si sa il perché … cerchiamo di capire il perchè diventa ancora più complesso volare sul pianeta rosso.

Partiamo dal concetto di portanza
L’aria è un fluido che, in accordo con il principio di Archimede, permette ad un aeromobile di sostentarsi in volo, ma solo se è in grado di spostare al di sotto di esso una quantità di aria pari al suo peso.

In parole molto semplici (in realtà è molto complesso), quando l’elicottero si muove con velocità “V” in un fluido genera una forza aerodinamica perpendicolare alla velocità (portanza) che ha un’intensità proporzionale alla densità del fluido “ρ”, alla superficie del corpo “S”, al quadrato della velocità “V” e all’angolo d’attacco “α”.

Un complesso gioco di inclinazioni delle pale (variazioni dell’angolo di attacco) consente all’elicottero di spostarsi in avanti, fermarsi e anche di tornare indietro, rendendolo una macchina straordinaria per molti tipi di missioni.

Il fattore densità
In realtà la Portanza non si genera solo per l’influenza dell’angolo di attacco delle pale ma dipende dalla Densità dell’aria che le avvolge durante il suo movimento nel fluido. Maggiore è la densità migliore è la qualità della Portanza. Viceversa, minore è la densità, minore è la Portanza generata. La densità è dovuta al numero di particelle che compongono un dato volume di aria. Questo è il motivo per cui il volo diventa meno efficente man mano che ci si allontana dalla superficie. Su Marte il problema è ancora maggiore in quanto l’atmosfera non è sufficientemente densa (l’atmosfera marziana ha una densità solo dell’1% di quella terrestre a livello del mare).  

Aspetti  operativi
Inoltre, ci sono altri aspetti di tipo operativo. Ingenuity deve adattarsi al programma di Perseverance, che lo deve sorvegliare durante i suoi tentativi di volo. Questo non può essere fatto di notte in quanto Ingenuity, per potersi orientare, si affida alla sua fotocamera. Inoltre, il drone vola grazie all’energia fornita da una batteria ad energia solare per cui è necessario di tempo per ricaricarsi al 100% prima del volo. Questo restringe le finestre di volo a mezzogiorno o nel primo pomeriggio dell’ora marziana. Infine, come tutti i velivoli ha necessità di condizioni meteorologiche favorevoli (non dimentichiamoci che si tratta di un prototipo sperimentale, una dimostrazione tecnologica) per cui anche questo fattore, stimato dalle condizioni ambientali fornite da Perseverance, viene considerato per programmare i test del drone .

Ciò predetto, la prima domanda che ci dobbiamo porre è perché questo esperimento è così importante?
Gli scienziati della NASA ritengono che lo sviluppo di sistemi autonomi possa permettere in futuro di raccogliere dati autonomamente, anche a distanza dal rover madre e dalla base su Marte. Perseverance si è trasferito, all’interno del cratere, in un sito prescelto per testare il volo dell’elicottero. Il sito è stato nominato in onore di Jakob van Zyl, ex direttore per l’esplorazione del sistema solare e direttore associato per la formulazione e la strategia del progetto presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California che è morto nell’agosto 2020. 

Dopo il primo volo, avvenuto il 19 aprile 2021 e della durata di 39 secondi, durante il quale Ingenuity si è semplicemente alzato dal suolo raggiungendo la quota di cinque metri, è avvenuto un secondo test il 22 aprile per quasi 52 secondi con spostamenti  laterali di circa 4 metri.

Il terzo volo, avvenuto il 25 aprile (vedi video)  ha permesso di testare la sua velocità di spostamento di due metri al secondo (circa 4,5 mph), su una distanza di 50 metri in direzione del nord marziano.

Durante questa prova, che possiamo considerare il primo vero volo con uno spostamento significativo di Ingenuity, la NASA gli ha inviato gli ordini sempre tramite Perseverance, che ha quindi mantenuto un ruolo chiave di supporto ed osservazione continua durante il volo del drone. Ingenuity ha completato con successo il suo quarto volo il 30 aprile; dopo essere decollato, ha raggiunto la quota di 5 metri prima di dirigersi, questa volta verso sud, a circa 133 metri di distanza per poi ritornare indietro completando un viaggio di andata e ritorno di 266 metri con un tempo di volo totale di 117 secondi che ha “stracciato” il precedente record effettuato nel terzo volo.

I tecnici hanno raccolto molte immagini (circa 60 durante gli ultimi 50 metri prima che l’elicottero tornasse al suo sito di atterraggio) sia con la fotocamera a colori da 13 megapixel che con la fotocamera di navigazione in bianco e nero di Ingenuity, che tiene traccia delle caratteristiche della superficie marziana mentre vola.

Il team di Ingenuity spera di far volare ancora due volte il drone prima che la finestra di volo si chiuda (prevista all’inizio di questo maggio). Queste ultime due uscite si preannunciano “davvero avventurose“, come ha riferito il project manager di Ingenuity, MiMi Aung, durante l’ultima conferenza stampa. Vai Ingenuity continua a farci sognare.

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Andrea Mucedola

ammiraglio della Marina Militare Italiana (riserva), è laureato in Scienze Marittime della Difesa presso l’Università di Pisa ed in Scienze Politiche cum laude all’Università di Trieste. Analista di Maritime Security, collabora con numerosi Centri di studi e analisi geopolitici italiani ed internazionali. È docente di cartografia e geodesia applicata ai rilievi in mare presso l’I.S.S.D.. Nel 2019, ha ricevuto il Tridente d’oro dell’Accademia delle Scienze e Tecniche Subacquee per la divulgazione della cultura del mare. Fa parte del Comitato scientifico della Fondazione Atlantide e della Scuola internazionale Subacquei scientifici (ISSD – AIOSS).

www.ocean4future.org