Aeronáutica Extraterrestre: Ingenuity & Dragonfly

Desde hace miles de años el ser humano ha soñado con poder surcar los cielos. Hemos imaginado todo tipo de artefactos voladores: desde palacios voladores descritos por los hindúes en los textos de la religión védica en el segundo milenio a.C., hasta el ornitóptero, la máquina voladora propuesta por Leonardo da Vinci en la era del Renacimiento. Sin embargo, no fue hasta hace unos siglos que empezamos a hacer realidad este sueño. En 1783 los hermanos Montgolfier lograron el primer vuelo tripulado en un globo aeroestático — aunque esto de tripulado es un decir, ya que los tripulantes eran una oveja, un pato y un gallo —, y no fue hasta 1903 que los hermanos Wright hicieron el primer vuelo tripulado con motor. A partir de este punto en la historia, el avance tecnológico nos ha permitido conseguir muchos logros nuevos en nuestra conquista de los cielos: vuelos comerciales, helicópteros, vuelos autónomos, aviones supersónicos e incluso drones que pueden ser pilotados por niños pequeños. De hecho, el cielo dejó de ser el límite desde hace algunas décadas: ahora mismo hay humanos orbitando la Tierra en la Estación Espacial Internacional e incluso ¡hemos llegado a pisar la Luna! Actualmente, las agencias espaciales de todo el mundo tienen robots y sondas espaciales explorando el sistema solar. ¿Será que ya no queda nada nuevo por hacer? ¿En serio hemos conquistado todo lo conquistable? La respuesta rápida es: ¡NO! Déjame contarte porqué.

Aunque parezca que ya hemos hecho todo, aún quedan muchas cosas que no hemos intentado. Este año 2021, la NASA logró amartizar a Perseverance, el robot autónomo que hará mucha labor científica en el planeta rojo. Pero esta vez, el explorador marciano no viaja solo, un pequeño robot volador lo acompaña y tiene una misión muy importante. Su nombre es Ingenuity — también conocido como Ginny — y es un pequeño helicóptero que servirá para probar que podemos volar en los cielos de Marte, una tarea que representa un reto enorme. Seguramente estás pensando que ya hemos volado muchísimos helicópteros autónomos pequeños en la Tierra. ¿Por qué será un reto tan grande volar uno en Marte? Aunque no lo creas, solo hemos conquistado los cielos de nuestro planeta. Volar en las atmósferas de otros planetas requiere de tecnologías muy distintas a las que usamos aquí en la Tierra.

Hablemos de la primera gran diferencia entre volar en la Tierra y en Marte: la gravedad. Estamos tan acostumbrados a la fuerza de gravedad que a veces no nos ponemos a pensar que esta fuerza no es igual en todos los lugares del universo. Marte es más pequeño y tiene menos masa que la Tierra, esto tiene como consecuencia que la aceleración gravitacional en Marte sea menor. En datos concretos, la aceleración que sentiríamos debido a la gravedad de la Tierra es aproximadamente 9.81 m/s² — un número que seguro has visto algunas veces —, mientras que la aceleración debida a la gravedad de Marte es tan solo 3.72 m/s².

¿Pero qué tiene que ver todo esto con poder volar en otro planeta? Para poder levantarnos del suelo aquí en la Tierra, en Marte y en cualquier otro planeta, lo primero que hay que hacer es vencer a la fuerza de gravedad. Entonces, si la gravedad de Marte es más pequeña que en la Tierra, ¿por qué sería un problema para Ingenuity? No es un problema, de hecho todo lo contrario: si la gravedad de Marte es menor, quiere decir que Ingenuity tiene una ventaja ya que tiene que vencer una fuerza más pequeña para poder hacer volar al pequeño helicóptero. Los problemas vienen al considerar la manera en la que contrarrestamos esta fuerza de gravedad: la propulsión.

Para entender mejor como funciona la propulsión de un helicóptero, pensemos en algo más cotidiano, algo con lo que estés más familiarizado: un ventilador doméstico. Si el clima está muy caliente, lo más seguro es que enciendas el aire acondicionado o un ventilador, y estoy seguro de que cuando esto sucede incluso te has puesto frente al ventilador para recibir el aire que está aventando y refrescarte un poco. Si el calor es demasiado, pondrás el ventilador a su máxima velocidad y sus aspas empezarán a girar mucho más rápido de modo que te aviente más aire. Finalmente, quizá también hayas notado que un ventilador más pequeño avienta menos aire que uno más grande, ¿no? En esencia, y a grandes rasgos, un helicóptero se parece mucho a un ventilador. Las hélices de un helicóptero son muy grandes y giran muy rápido de tal manera que avienten mucho aire y puedan así crear una fuerza lo suficientemente grande para vencer la fuerza de gravedad y empezar a volar. Entonces, recuerda muy bien lo siguiente: dos factores importantes que influyen en la propulsión de un helicóptero son el tamaño de las aspas y la velocidad a la que giran.

En la ecuación de la fuerza de empuje de un helicóptero podrás ver que, en efecto, el tamaño de las aspas y la velocidad a la que giran juegan un papel muy importante en determinar que tan grande será esta fuerza. No obstante, hay otro factor muy importante: la densidad del aire. Es aquí donde empiezan los problemas: la densidad de la atmósfera de Marte es ¡60 veces más pequeña que la de la Tierra!

Entonces, Ingenuity tiene una ventaja en Marte porque hay ~3 veces menos gravedad, pero al mismo tiempo tiene una horrible desventaja ya que podrá generar ~60 veces menos fuerza de empuje a comparación de lo que podría generar en la Tierra. Obviamente las ganancias no compensan las pérdidas. Resolver este inconveniente fue uno de los mayores retos durante el desarrollo de Ingenuity. Los ingenieros de la NASA aprovecharon que la fuerza de empuje no solo depende de la densidad del aire, sino también del tamaño de las aspas y la velocidad a la que estas giran. ¿Por qué no aumentamos el tamaño y la velocidad de las aspas? ¡Problema resuelto! No es tan sencillo. Hacer aspas más grandes implica que estas agregarán peso al helicóptero , por lo tanto se requerirá de aún más fuerza de empuje para levantar a Ingenuity. Por otro lado, aumentar la velocidad de las aspas implica más consumo energético, lo que a su vez implica tener que instalar baterías más grandes y entonces Ingenuity pesará más y se tendrá que generar aún más fuerza de empuje. ¿Entiendes la complejidad de todo esto?

Ingenuity tiene su nombre muy bien ganado, ya que fue el ingenio de sus creadores lo que resolvió el gran reto de la fuerza de empuje. La elegancia de la solución a este problema consiste en encontrar un balance adecuado entre el tamaño de las aspas (para aumentar el empuje), el material de las aspas (para hacerlas más ligeras), la velocidad de giro de las aspas (para generar más empuje) y el consumo energético de sus motores (para no agregar peso con baterías más grandes). Además de que Ingenuity debe ser resistente a bajas temperaturas, ya que en Marte la temperatura promedio es de 60 ºC bajo cero. De hecho, parte de la energía que alimenta a Ingenuity es ocupada en mantener al helicóptero a una temperatura adecuada para que todos sus componentes electrónicos funcionen bien.

Ingenuity tiene hélices de 60 cm de largo fabricadas con un núcleo de espuma y un recubrimiento de fibra de carbono, lo que hace que puedan generar la fuerza de empuje necesaria mientras que al mismo tiempo sean ligeras y muy resistentes. Además de que el rotor hace que estas giren a 2,800 revoluciones por minuto — esto es más de 10 veces más rápido que el rotor de un helicóptero en la Tierra — y por si fuera poco, Ingenuity tiene una configuración de doble rotor, es decir, hay dos juegos de hélices girando a muy altas velocidades para vencer a la fuerza de gravedad marciana. La energía necesaria para todo esto se produce en las celdas solares que tiene instaladas. Estas celdas están diseñadas específicamente para absorber la luz solar que llega a la superficie de Marte para después transformarla en energía eléctrica que se puede almacenar en las seis baterías que lleva consigo. A Ingenuity le toma aproximadamente un día marciano para recargar sus baterías por completo.

Además, Ingenuity lleva consigo otros componentes que hacen posible su correcto funcionamiento: una computadora de vuelo, sensores electrónicos, cámaras de navegación, un sistema de calefacción y antenas de comunicación. El funcionamiento de todos estos sistemas es posible gracias al procesador que lleva consigo: un Qualcomm Snapdragon 801 — si este nombre te suena conocido es porque lo es; es el mismo tipo de procesador que utilizan los smartphones actualmente —.

Ingenuity tiene un solo propósito: demostrar que puede volar en Marte. Esto se comprobaría con una serie de cinco pruebas en las que el helicóptero tendría que hacer vuelos con diferentes características y realizar diferentes maniobras. El 19 de abril de 2021 se realizó exitosamente la primera prueba que consistía simplemente en elevarse a tres metros del suelo marciano. El 7 de mayo del mismo año, es decir, 18 días después, Ingenuity completó los cinco vuelos de prueba que servirían para probar esta tecnología aeronáutica extraterrestre. ¡Increíble! ¿No? Para el quinto vuelo de prueba, Ingenuity ya había volado a una velocidad de más 3 m/s; ya había hecho un recorrido de más de 250 m de largo; ya se había elevado a una altura de 10 m; además de haber hecho maniobras aéreas y tomado fotografías para crear mapas 3D de la zona. Lo mejor de todo es que Perseverance, su compañero robot, lo estuvo vigilando desde cerca y tomó vídeos y fotografías del pequeño helicóptero mientras superaba todas sus pruebas.

Además de todo lo ya mencionado, Ingenuity tiene un par de curiosidades más:

• La NASA y el JPL describen los logros de Ingenuity como su momento Wright como analogía al logro de los hermanos Wright aquí en la Tierra. De hecho, Ingenuity lleva consigo un pedazo de la tela que cubría una de las alas de la aeronave de los hermanos Wright. Esta pedacito de historia está en uno de los cables debajo de las celdas solares de Ingenuity.
• La Organización de Aviación Civil Internacional otorga códigos tanto a aeropuertos como a aeronaves para distinguirlos. El código del aeropuerto de la Ciudad de México, por ejemplo, es MEX; el de Cancún es CUN; y el de un aeropuerto de París es CDG. De la misma manera, un avión Airbus A380 – 800 tiene el código A388 y un Boeing 747-400 tiene por código B744. ¡Ingenuity y el sitio donde amartizó ya cuentan con su propio código! El helicóptero lleva por código IGY y el sitio de amartizaje tiene el código de aeropuerto JZRO de Jezero Crater.
• Ingenuity tiene uno de los procesadores más potentes que se han utilizado en los proyectos de NASA. «Tenemos más poder de cómputo en Ingenuity que en, probablemente, todas las demás naves espaciales de la NASA juntas.» Esto según Bob Balaram, ingeniero parte del proyecto de Ingenuity.

Volar en la Tierra es muy diferente a hacerlo en otro planeta. Cada planeta tiene características distintas que harán de la exploración aérea un gran reto. Todavía hay que resolver muchas icógnitas para poder decir que la humanidad es experta en aeronáutica extraterrestre. Sin duda los logros de Ingenuity abrirán muchas puertas para la exploración espacial. Explorar otros mundos desde el suelo ya no será la única opción. De hecho, ya hay otra misión aérea planificada por la NASA: Dragonfly.

Dragonfly es una misión de exploración espacial de la NASA, diseñada para explorar la luna más grande de Saturno: Titán. Al igual que Ingenuity, Dragonfly será una aeronave con propulsión a base de rotores. Tendrá ocho rotores en una configuración muy similar a la de un quadcóptero, con la diferencia de que tendrá dos juegos de rotores en cada brazo para tener redundancia en el sistema de propulsión — es decir, si un rotor falla, se tendrá otro que permita que Dragonfly siga volando —. No obstante, Dragonfly tendrá muy buenas ventajas ya que Titán tiene una gravedad menos intensa que la Tierra, y por lo tanto necesitará vencer una fuerza de atracción más pequeña, pero además la atmósfera de Titán es muy densa, lo que permitirá que la fuerza de empuje generada por sus rotores sea muy grande. Estas características hacen de la propulsión a rotores en Titán muy eficiente, y por lo tanto, Dragonfly podrá ser mucho más pesado que Ingenuity de tal manera que pueda llevar consigo toda la instrumentación científica necesaria para explorar Titán.

Ingenuity ha sido un logro muy importante para el desarrollo de la aeronáutica extraterrestre, ya que a pesar de todas las complicaciones que implica volar en la atmósfera marciana, el pequeño helicóptero logró todos sus propósitos y seguramente en estos momentos se está superando a sí mismo con nuevos retos que ni si quiera fueron planificados por la NASA en un principio. Todo lo aprendido con Ingenuity será de vital importancia para el desarrollo de la misión Dragonfly, incluso teniendo todas las ventajas de la atmósfera de Titán. Probablemente, una de las lecciones más importantes de estos dos increíbles desarrollos tecnológicos es que siempre habrá nuevos horizontes por descubrir y que no necesariamente será fácil enfrentar todos los retos que este descubrimiento traiga consigo. La ciencia y la tecnología son, sin duda, las mejores herramientas para seguir descubriendo el universo.

Escrito por: Alam Garcidueñas
Foto de portada: Representación artística de un vuelo de Ingenuity en Marte. (Créditos: NASA/JPL)

Referencias

• Mindy Weisberger. The Sky’s the Limit: 15 Key Milestones in Aviation History. LiveScience.com, 2017. https://www.livescience.com/59185-key-milestones-in-aviation-history/2.html • Vimana. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Vimana

• Constantin Rotaru & Michael Todorov. Helicopter Flight Physics. Flight Physics – Models, Techniques and Technologies, 2017.

• Jennifer Leman. Meet the First Helo on Mars: A Deep Dive Into What Makes Ingenuity So…Ingenious. Popular Mechanics, 2021. https://www.popularmechanics.com/space/moon-mars/a35353442/ingenuity-mars-helicopter/

• Cost of Perseverance. Planetary Society. https://www.planetary.org/space-policy/cost-of-perseverance#:~:text=The Ingenuity helicopter cost an,during its 1-month mission.

• Ingenuity (Helicopter). Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Ingenuity_(helicopter)

• Ralph D. Lorenz, et al. Dragonfly: A Rotorcraft Lander Concept for Scientific Exploration at Titan. John Hopkins APL Technical Digest, 2018.