crédito: NASA/JPL
Um vento frio carrega pequenos grãos de poeira, a única coisa a interromper o silêncio do deserto. Está muito frio, mas isso é rotina. Nenhum sinal de vida em quilômetros. Nada. TUM TUM, um barulho quebra a monotonia deste lugar, resultado de uma onde de choque, produzida por um objeto atravessando a alta atmosfera em Mach 30. Ele brilha, como um meteorito. Claramente não pertence a este planeta. Vindo do espaço interplanetário, após muito tempo e milhões de quilômetros percorridos desde que deixou seu local de origem.
Um vento frio carrega pequenos grãos de poeira, a única coisa a interromper o silêncio do deserto. Está muito frio, mas isso é rotina. Nenhum sinal de vida em quilômetros. Nada. TUM TUM, um barulho quebra a monotonia deste lugar, resultado de uma onde de choque, produzida por um objeto atravessando a alta atmosfera em Mach 30. Ele brilha, como um meteorito. Claramente não pertence a este planeta. Vindo do espaço interplanetário, após muito tempo e milhões de quilômetros percorridos desde que deixou seu local de origem.
Após sua velocidade atingir valores supersônicos, sua parte
inferior desprende-se, revelando alguma coisa branca e seu interior. Em seguida
um gigantesco paraquedas é liberado quando o objeto estranho atinge Mach 2. É o
maior paraquedas já visto por aqui. Eles voltaram! Não eram vistos por aqui há
dois anos, quando outro objeto semelhante foi visto nas gélidas terras do
norte, acima de 60° de latitude.
Ao sair do voo supersônico o objeto branco no seu interior
caiu. É possível ouvir um ruído forte típico destes objetos. O objeto do norte
também produziu ruído semelhante, além de luz, antes de tocar o solo. Ainda desacelerando ele dirige-se para uma
grande cratera de impacto, sumindo de minha vista.
Se tudo correr bem esta cadeia de eventos ocorrerá no dia 5
de Agosto, quando a sonda Curiosity, a mais complexa sonda espacial já
construída pela NASA, chegar a Marte. Após anos de construção, 2,5 bilhões de
dólares e uma viagem de mais de 200 milhões de quilômetros a sonda, ou seus restos
flamejantes, tocarão o solo avermelhado no interior da Cratera Gale, próximo à
planície Elysium.
Para conhecer mais detalhes deste incrível robô continue lendo este artigo.
Estrutura
A estrutura principal do robô pode ser dividida em 5 partes: A Warm Electronics Box (WEB), o braço robótico, suspensão e rodas, mastro e a bateria nuclear (MMRTG).
Warm Eletronics Box (WEB)
Este compartimento, o corpo do veículo, protege todos os equipamentos eletrônicos sensíveis a temperatura e radiação, além de servir de ponto central de montagem para todos os outros componentes. Para manter a temperatura interna entre -40°C e 50°C, enquanto ela varia entre +30° to −127 °C as paredes são isoladas termicamente com Aerogel. Quando é necessário, um sistema de 60 metros de tubos , o sistema de rejeição de calor (HRS), pode transportar calor produzido por outros componentes eletrônicos, alimentar o interior da WEB com calor liberado pelo gerador de radioisótopos ou, quando nenhuma das alternativas é suficiente, usando aquecedores elétricos. No sentido oposto, o HRS pode liberar calor para a atmosfera se os componentes estiverem muito quentes.
No interior WEB estão localizados a aviônica do Curiosity (os computadores, rádios, baterias, sistemas de potência e etc.) e alguns instrumentos importantes, como o Chemistry and Mineralogy (CheMin), Sample Analysis at Mars (SAM), Radiation assessment detector (RAD) e Dynamic albedo of neutrons (DAN). Sobre ela estão sensores ultravioletas, o mastro, as antenas , o eixo deferencial da supensão e as portas do CheMin e do SAM. Na face frontal estão o braço robótico e câmeras de navegação. Nas faces laterais estão as supensões e na face traseira está o MMRTG e mais câmeras de navegação.
Braço Robótico
Comprimento: 2,2 metros
Massa: 101 kg (34kg da plataforma de instrumentos)
Diâmetro da plataforma: 60 cm
Instrumentos: 2 (MAHLI e APXS)
Ferramentas: 3 (DRT, Sa/SPaH e PADS)
Graus de liberdade: 5
Composição: Titânio 6AL-4VF
Responsável por boa parte das pesquisas, o braço robótico possui 2,2 metros de extensão, da base até o centro da plataforma de instrumentos, 64 kg, 10 metros de fios, que carregam 920 sinais diferentes e carrega uma plataforma de instrumentos giratória de 34 kg, com 2 instrumentos e 3 ferramentas para processamento de rochas e aquisição de amostras. Seus atuadores são movidos por motores elétricos sem escovas, ligados a caixas de redução para aumentar o torque. Eles são lubrificados com Dissulfato de Molibidênio (MoS2), um lubrificante seco, que dispensa aquecimento para funcionar. O braço foi projetado para trabalhar num espaço cilíndrico de 80 cm de diâmetro e 1 metro de altura. Este cilindro está posicionado 105 cm a frente do robô e pode estender-se 20 cm abaixo do solo em superfície plana. Durante a viagem o braço fica localizado sobre uma plataforma de alumínio (7075), a qual também pode recolher o braço passivamente após seu uso.
Em sua plataforma de instrumentos estão dois instrumentos de contato: o MAHLI (Mars Hand Lens Imager), uma câmera para adquirir imagens microscópicas e o APXS (Alpha Particle and X-Ray Spectrometer), para descobrir a composição dos materiais analisados.
Para obter amostras de solo o braço robótica dispõe de duas ferramentas. O PADS (Powder Acquisiton Drill System) é uma broca de percussão, de 1,6 cm de diâmetro, capaz de atingir uma profundidade de 5cm em uma rocha. Caso a broca fique muito desgastada ou presa em uma rocha, ela é liberada e o braço robótico posiciona o PADS para pegar uma das brocas sobressalentes, armazenadas na frente do robô. O CHIMRA (Collection and Handling for In-situ Rock Analysis) consiste em uma pá, no formato de concha, que recolhe amostras de solo e de rochas. Uma série de compartimentos processa a amostra recolhida. Para isso o braço robótico muda diversas vezes a orientação da plataforma de instrumentos, e, auxiliada por um motor de vibração, faz a amostra atravessar uma das duas peneiras. Uma das peneiras retira partículas maiores que 1mm e a outra retira partículas com mais de 150 microns de diâmetro. As amostras do PADS e do CHIMRA são enviadas para dois lugares. O primeiro sãl os instrumentos SAM e CheMin. O braço posiciona a plataforma sobre três pequenas portas (2 para o SAM e 1 para o CheMin), controladas por motores elétricos, que levam aos instrumentos. O segundo é uma plataforma de observação, na parte superior, onde as amostras processadas podem ser analisadas pelo MAHLI e pelo APXS.
A terceira ferramente é o DRT (Dust Removal Tool). Semelhante ao RAT (Rock Abrasion Tool) das sondas Spirit e Opportunity, ela retira a camada superficial das rochas escovando-a com cerdas de metal giratórias. Além disso ela também pode ser usada para limpar a plataforma de observação.
Para prover a comunicação entre os dispositivos e o computador central foram utilizados 10 metros de cabos planos, muito flexíveis e que possibilitam que cada sinal tenha uma voltagem diferente. Os cabos responsáveis pelos sinais de vídeo do MAHLI possuem impedância de 75 Ohms. Nas articulações do braço robótico os cabos são enrolados numa estrutura que parecem um carretel, estendendo-se conforme necessário.
Mastro
Altura (do topo a superfície): 2,1 metros
Câmeras: 6 (Mastcam 34, Mastcam 100 e 4 câmeras de navegação)
Instrumentos: 3 (ChemCam e 2 REMS)
O mastro, assim como em outras missões, carrega câmeras de alta resolução, para obter imagens individuais e panoramas das proximidades da sonda. Para obter essas imagens a Curiosity conta com duas câmeras de 2MP: A Medium Angle Camera (Mastcam 34 ou M34) e a Narrow Angle Camera (Mastcam 100 ou M100). A distância entre seus centros é de 25 cm. A M34 pode obter panoramas em 25 minutos, com um total de 150 imagens. Já a M100 é utilizada para procurar e caracterizar lugares interessantes para pesquisa.
Nas laterais estão dois pares de câmeras de navegação, utilizadas para obter montar uma representação em 3D das imediações da sonda. Essa representação é usada pelos computadores de bordo para decidir o melhor caminho a ser percorrido.
Sobre as câmeras está o Remote Warm Electronics Box (RWEB), um pequeno compartimento isolado termicamente, com aquecimento elétrico, que abriga o instrumento ChemCam. Ele é utilizado para caracterizar elementos químicos das rochas. Um disparo de um laser infravermelho (de 1067 nm) com 5 nanosegundos de duração aquece uma pequena área de uma rocha até ela tornar-se incandescente. Uma câmera capta a luz emitida por esse instrumento e obtém dela um espectro, do qual é possível descobrir os elementos químicos individuais.
Na estrutura de suporte estão dos sensores do Rover Environmental Monitoring System (REMS), instrumento para obter informações meteorológicas do lugar de onde o robô estará. Os dois sensores foram montados a 120° um do outro. Assim a combinação da leitura fornece, com ajuda da "sombra" fornecida pelo mastro, a velocidade e a direção do vento. Além dessas medidas ele também obtém pressão atmosférica, umidade e temperatura, tanto do ar como do solo.
Durante a viagem até Marte o mastro permanece deitado sobre o corpo da sonda (sobre a WEB). Alguns minutos após o pouso um motor elétrico na base do mastro o ergue até a posição vertical, onde ficará permanentemente. A plataforma das câmeras pode se movimentar nos eixos vertical (362° entre os limites físicos) e horizontal (+91° e - 87°). Durante o período de "sono" da sonda, ao fim do dia marciano, a plataforma aponta para baixo, evitando que as lentes acumulem poeira.
Suspensão e Rodas
Número de rodas: 6
Diâmetro: 50 cm
Material: Alumínio (rodas)
Titânio (suspensão)
Velocidade máxima: 4cm/s
Velocidade média: 2cm/s
A superfície marciana é muito irregular, composta predominantemente de areia e cheia de rochas de tamanho variado. Uma suspensão de um automóvel comum não seria eficiente lá. Com esse problema em mente os engenheiros da NASA criaram um modelo de suspensão chamado Rocker-bogie, usado pela primeira vez no robô Sojourner, que pousou em Marte em 1997 durante a missão Mars Pathfinder, e também nos robôs gêmeos Spirit e Opportunity, em marte desde 2004. Usando seis rodas essa suspensão pode manter todas as rodas em contato com o solo, mesmo passando sobre obstáculos com 1,5 vezes a altura da roda, enquanto o corpo principal movimenta-se muito pouco.
Para esta sonda foram construídas rodas de alumínio de 50 cm de diâmetro, com muitas aletas na parte externa para aumentar a resistência da roda e sua tração no solo arenoso e alguns orifícios. Esses orifícios deixam marcas distintas no trajeto que a sonda percorreu, podendo ser usados para medir a distância percorrida e o quanto as rodas escorregam ao girar. No seu interior suportes curvados de titânio conectam a roda ao eixo de tração e também atenuam choques enquanto passam por terreno acentuado. Em seu centro estão localizados os atuadores das rodas, constituídos de motores de corrente contínua sem escovas e caixas de redução, para aumentar o torque dos motores. Cada roda possui seu próprio motor, que levam a sonda a velocidade máxima de 4 cm/s, porém durante as operações o robô se movimentará a metade desta velocidade.
A suspensão é composta por dois pares de barras metálicas móveis, ligadas através de um eixo diferencial. Em cada lado as barras conectam três todas. A roda traseira é ligada a roda central por uma barra e ela possui um ponto de pivô em seu centro. A roda dianteira é ligada na extremidade uma segunda barra ao corpo do robô e ao pivô da outra barra, na outra extremidade. A conexão entre as barras não é fixa, elas se movem passivamente para manter as rodas em contato com a superfície. A barra superior é conectada ao corpo principal do robô por outra conexão giratória e ela é, também, ligada a barra no outro lado por um eixo diferencial, que faz as barras se moverem em sentidos opostos. As rodas dianteiras e traseiras podem mudar posição, girando para ambos os lados. Graças a essa habilidade a Curiosity pode se mover em linha reta, em arcos e pode girar, para ambos os lados, no mesmo lugar.
Fonte de Energia
Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator
Pela segunda vez uma sonda marciana utilizará uma bateria nuclear. Todas as missões recentes utilizaram painéis solares e, devido a isso, o tempo disponível para a missão primária compreendia poucos meses. A sonda Curiosity será alimentada por um Gerador Termoelétrico de Radioisótopos Multimissão (MMRTG). Esse tipo de gerador utiliza a energia térmica produzida pelo decaimento radioativo de uma carga de dióxido de plutônio-238 para gerar energia elétrica, pelo efeito Seebeck.
Este tipo de gerador tem a vantagem de não depender do sol para gerar sua energia, permitindo que seja utilizado em missões além de Marte, onde a luz solar é muito fraca para alimentar painéis solares (para comparação a missão Juno, lançada em 2011 para Júpiter, possui grandes painéis solares, com 60 m², que produzirão 486 W lá, quando na Terra produziriam entre 12 e 14 kW), e também que a orientação solar constante não seja necessária. Outra vantagem é a produção energia em um nível constante durante a vida operacional do aparelho e que os painéis solares sua performance afetada por acúmulo de poeira.
Baseado no efeito seebeck um RTG produz energia elétrica através de uma diferença de temperatura entre dois materiais condutores (metais ou semicondutores), chamados de termopares.
Um termopar é formado por duas peças metálicas. Uma de suas extremidades são mantidas a temperatura alta. As outras extremidades são mantidas a temperaturas mais baixas. A energia não é gerada nas extremidades, mas ao longo do comprimento dos materiais que estão sujeitos a um gradiente de temperatura. Esse gradiente de temperatura induz os elétrons a migrarem da região mais quente para a mais fria. Acumulados em uma das extremidades do metal, cria-se uma diferença de potencial elétrico, a qual pode ser aproveitada para alimentar um circuito elétrico externo.
A voltagem produzida pelo termopar varia de acordo com a temperatura e com as propriedades dos materiais usados em sua construção. Semicondutores possuem uma eficiência maior por serem construídos com diferenças de cargas elétricas nos materiais que o compõem (tipo P e tipo N).
Para gerar o gradiente de temperatura uma carga de plutônio-238, em forma de dióxido, é armazenada no interior do dispositivo. Sofrendo decaimento radioativo, ela gera calor, até 2000 W no caso do MMRTG. Para criar o gradiente, a extremidade fria do termopar é ligada à carcaça externa, exposta para o vácuo espacial. O uso do plutônio deve-se a sua grande meia-vida, 87,7 anos, e sua baixa produção de radiação gama e nêutrons, o que exige uma proteção menor e oferece menos riscos à saúde humana durante sua montagem e no caso de um acidente durante o lançamento. Além deste também pode-se usar estrôncio-90, polônio-210, amerício-241 e curio-242 ou curio-244.
O gerador é montado com a carga de plutônio ao centro, protegida por isolantes e escudos de radiação. Ao redor deste são ligados os termopares e estes são ligados à uma carcaça metálica com aletas, para aumentar a superfície de dissipação de calor. Alguns dutos, por onde cicula um fluido refrigerante, ajudam na distribuição e dissipação do calor. O plutônio é acondicionado em capsulas, envoltas por grifite e por um outro escudo, protegendo das altas temperaturas encontradas no evento da reentrada na atmosfera terrestre.
O gerador que o robô Curiosity usará é de uma nova geração, conhecida como MMRTG. Possui 62 cm de diâmetro, de uma aleta até a outra, 66 cm de comprimento e uma massa de 43 kg. Este gerador possui 4,8 kg de dióxido de plutônio-238, com uma produção de 110 W de energia elétrica (2200 W por dia, os painéis solares do Spirit e Opportunity produzem 600 W por dia). Sua instalação ocorreu durante os últimos preparativos para o lançamento, junto com a união dos diferentes módulos que permitirão a sonda Curiosity chegar a Marte. Como medida de segurança a cápsula, na qual o robô está, possui uma porta que permite ao técnicos acessar e remover o MMRTG em caso de emergência.
Entre os motivos de escolha desta fonte de energia para esta missão, estão a grande quantidade de instrumentos científicos e o grande tamanho da sonda, que exigem muita energia. O MMRTG forncerá um suprimento constante de energia, seja dia ou noite, durante o verão, inverno e durante as tempestades de areia. Como Marte é muito frio e os equipamentos eletrônicos necessitam ser aquecidos, uma rede de 60 m de dutos preenchidos de fluido aproveitará uma parte do calor dissipado na atmosfera e o trará para o interior do veículo.
Câmeras
A sonda Curiosity possui, no total, 16 câmeras. São elas:
Mastcam 34
Sensor: 1600 x 1200 pixels (2MP)
Distância focal: 34 mm
Imagens: 1600 x 1200 pixels. 22 cm/pixel a 1 km. 450 microns/pixel a 2m
Vídeo: 1280 x 720 pixels (10fps)
Campo de visão: 18° x 15°
Mastcam 100
Sensor: 1600 x 1200 pixels (2MP)
Distância focal: 100 mm
Imagens: 1600 x 1200 pixels. 7,4 cm/pixel a 1 km. 150 microns/pixel a 2m
Vídeo: 1280 x 720 pixels (10fps)
Campo de visão: 6° x 5°
As câmeras do mastro (Mastcam) são praticamente idênticas. Possuem o mesmo sensor CCD, produzido pela Kodak, com filtro de cor do padrão Bayer, possuem um chip de memória flash de 8GB, capaz de armazenar 5500 imagens no formato raw, possuem compressão lossless ou JPEG por hardware, autofoco (de 2,1 metros ao infinito) e um disco de filtros para obter imagens de espectro estreito (monocromática).
Esse disco, posicionado entre o sensor e as lentes, possui vários filtros, um para cada comprimento de onda: 525 nm (verde), 440 nm (azul), 675 nm (vermelho), 750 nm, 865 nm e 1035 nm(infravermelho próximo), um para permitir apontar a câmera para o sol, com o objetivo de medir a quantidade de partículas na atmosfera (ou para observações astronômicas) e o último bloqueia a luz infravermelha, permitindo obter imagens com cores próximas as reais. A diferença entre elas está no conjunto de lentes. A M34 possui uma abertura maior, gerando imagens de uma grande área, usadas para contextuar o cenário. A M100 possui um conjunto de lentes parecido com uma teleobjetiva, obtendo imagens com uma ampliação maior. As imagens destas câmeras podem ser usadas para formar um mapa em 3D.
Na parte superior do veículo há um alvo, com várias partes coloridas e um "joystick". Ela serve para calibrar a imagem da câmera, tanto em cor como em foco. Ele é visível na imagem panorâmica da estrutura, próximo ao MMRTG.
NAVCAM e HAZCAM
12 câmeras auxiliam os operadores na decisão de escolha das rotas a seguir e os computadores a desviar de obstáculos enquanto percorre a superfície. Essas câmeras já foram usadas com sucesso em Marte na missão Mars Exploration Rovers, onde foram encarregadas de desempenhar as mesmas funções que possuirão nessa missão, e na Phoeinx, onde foram instaladas no instrumento Surface Stereo Imager. A única alteração para esta missão foi a substituição dos aquecedores elétricos por unidades mais potentes, possibilitando o aumento no número de lugares possíveis de serem visitados. As 12 câmeras são divididas em dois grupos: NAVCAM, câmeras de navegação, instaladas no mastro ao lado das Mastcams, e HAZCAM, instaladas nas faces frontal e traseira do veículo. Esses dois grupos diferem entre si na parte ótica. Suas propriedades são:
NAVCAM HAZCAM
Escala: 0,82 mrad/pixel 2,1 mrad/pixel
Distância focal: 14,67mm 5,58mm
Diâmetro: 1,25mm 0,37mm
Campo de visão: 45° x 45° graus 124° x 124° graus
Computadores
Dois computadores de bordo idênticos foram instalados no Curiosity, identificados simplesmente como A e B. Cada um possui um processador PowerPC RAD 750, com 200 MHz, 256 GB DRAM, 256 KB EPROM e 2GB de memória flash. Para efeitos de comparação o Spirit e o Opportunity possuem um processador RAD 6000 de 20 MHz, 128 MB DRAM e 256 MB de memória flash.
Para conhecer mais detalhes deste incrível robô continue lendo este artigo.
Estrutura
Esquerda: Diagrama da sonda, com seus instrumentos e ferramentas. Direita: Comparação com uma pessoa de 172,72 cm de altura.
Warm Eletronics Box (WEB)
Este compartimento, o corpo do veículo, protege todos os equipamentos eletrônicos sensíveis a temperatura e radiação, além de servir de ponto central de montagem para todos os outros componentes. Para manter a temperatura interna entre -40°C e 50°C, enquanto ela varia entre +30° to −127 °C as paredes são isoladas termicamente com Aerogel. Quando é necessário, um sistema de 60 metros de tubos , o sistema de rejeição de calor (HRS), pode transportar calor produzido por outros componentes eletrônicos, alimentar o interior da WEB com calor liberado pelo gerador de radioisótopos ou, quando nenhuma das alternativas é suficiente, usando aquecedores elétricos. No sentido oposto, o HRS pode liberar calor para a atmosfera se os componentes estiverem muito quentes.
No interior WEB estão localizados a aviônica do Curiosity (os computadores, rádios, baterias, sistemas de potência e etc.) e alguns instrumentos importantes, como o Chemistry and Mineralogy (CheMin), Sample Analysis at Mars (SAM), Radiation assessment detector (RAD) e Dynamic albedo of neutrons (DAN). Sobre ela estão sensores ultravioletas, o mastro, as antenas , o eixo deferencial da supensão e as portas do CheMin e do SAM. Na face frontal estão o braço robótico e câmeras de navegação. Nas faces laterais estão as supensões e na face traseira está o MMRTG e mais câmeras de navegação.
Braço Robótico
Massa: 101 kg (34kg da plataforma de instrumentos)
Diâmetro da plataforma: 60 cm
Instrumentos: 2 (MAHLI e APXS)
Ferramentas: 3 (DRT, Sa/SPaH e PADS)
Graus de liberdade: 5
Composição: Titânio 6AL-4VF
Responsável por boa parte das pesquisas, o braço robótico possui 2,2 metros de extensão, da base até o centro da plataforma de instrumentos, 64 kg, 10 metros de fios, que carregam 920 sinais diferentes e carrega uma plataforma de instrumentos giratória de 34 kg, com 2 instrumentos e 3 ferramentas para processamento de rochas e aquisição de amostras. Seus atuadores são movidos por motores elétricos sem escovas, ligados a caixas de redução para aumentar o torque. Eles são lubrificados com Dissulfato de Molibidênio (MoS2), um lubrificante seco, que dispensa aquecimento para funcionar. O braço foi projetado para trabalhar num espaço cilíndrico de 80 cm de diâmetro e 1 metro de altura. Este cilindro está posicionado 105 cm a frente do robô e pode estender-se 20 cm abaixo do solo em superfície plana. Durante a viagem o braço fica localizado sobre uma plataforma de alumínio (7075), a qual também pode recolher o braço passivamente após seu uso.Em sua plataforma de instrumentos estão dois instrumentos de contato: o MAHLI (Mars Hand Lens Imager), uma câmera para adquirir imagens microscópicas e o APXS (Alpha Particle and X-Ray Spectrometer), para descobrir a composição dos materiais analisados.
Para obter amostras de solo o braço robótica dispõe de duas ferramentas. O PADS (Powder Acquisiton Drill System) é uma broca de percussão, de 1,6 cm de diâmetro, capaz de atingir uma profundidade de 5cm em uma rocha. Caso a broca fique muito desgastada ou presa em uma rocha, ela é liberada e o braço robótico posiciona o PADS para pegar uma das brocas sobressalentes, armazenadas na frente do robô. O CHIMRA (Collection and Handling for In-situ Rock Analysis) consiste em uma pá, no formato de concha, que recolhe amostras de solo e de rochas. Uma série de compartimentos processa a amostra recolhida. Para isso o braço robótico muda diversas vezes a orientação da plataforma de instrumentos, e, auxiliada por um motor de vibração, faz a amostra atravessar uma das duas peneiras. Uma das peneiras retira partículas maiores que 1mm e a outra retira partículas com mais de 150 microns de diâmetro. As amostras do PADS e do CHIMRA são enviadas para dois lugares. O primeiro sãl os instrumentos SAM e CheMin. O braço posiciona a plataforma sobre três pequenas portas (2 para o SAM e 1 para o CheMin), controladas por motores elétricos, que levam aos instrumentos. O segundo é uma plataforma de observação, na parte superior, onde as amostras processadas podem ser analisadas pelo MAHLI e pelo APXS.A terceira ferramente é o DRT (Dust Removal Tool). Semelhante ao RAT (Rock Abrasion Tool) das sondas Spirit e Opportunity, ela retira a camada superficial das rochas escovando-a com cerdas de metal giratórias. Além disso ela também pode ser usada para limpar a plataforma de observação.
Para prover a comunicação entre os dispositivos e o computador central foram utilizados 10 metros de cabos planos, muito flexíveis e que possibilitam que cada sinal tenha uma voltagem diferente. Os cabos responsáveis pelos sinais de vídeo do MAHLI possuem impedância de 75 Ohms. Nas articulações do braço robótico os cabos são enrolados numa estrutura que parecem um carretel, estendendo-se conforme necessário.
Mastro
Altura (do topo a superfície): 2,1 metros
Câmeras: 6 (Mastcam 34, Mastcam 100 e 4 câmeras de navegação)
Instrumentos: 3 (ChemCam e 2 REMS)
Nas laterais estão dois pares de câmeras de navegação, utilizadas para obter montar uma representação em 3D das imediações da sonda. Essa representação é usada pelos computadores de bordo para decidir o melhor caminho a ser percorrido.
Sobre as câmeras está o Remote Warm Electronics Box (RWEB), um pequeno compartimento isolado termicamente, com aquecimento elétrico, que abriga o instrumento ChemCam. Ele é utilizado para caracterizar elementos químicos das rochas. Um disparo de um laser infravermelho (de 1067 nm) com 5 nanosegundos de duração aquece uma pequena área de uma rocha até ela tornar-se incandescente. Uma câmera capta a luz emitida por esse instrumento e obtém dela um espectro, do qual é possível descobrir os elementos químicos individuais.Na estrutura de suporte estão dos sensores do Rover Environmental Monitoring System (REMS), instrumento para obter informações meteorológicas do lugar de onde o robô estará. Os dois sensores foram montados a 120° um do outro. Assim a combinação da leitura fornece, com ajuda da "sombra" fornecida pelo mastro, a velocidade e a direção do vento. Além dessas medidas ele também obtém pressão atmosférica, umidade e temperatura, tanto do ar como do solo.
Durante a viagem até Marte o mastro permanece deitado sobre o corpo da sonda (sobre a WEB). Alguns minutos após o pouso um motor elétrico na base do mastro o ergue até a posição vertical, onde ficará permanentemente. A plataforma das câmeras pode se movimentar nos eixos vertical (362° entre os limites físicos) e horizontal (+91° e - 87°). Durante o período de "sono" da sonda, ao fim do dia marciano, a plataforma aponta para baixo, evitando que as lentes acumulem poeira.
Suspensão e Rodas
Número de rodas: 6
Diâmetro: 50 cm
Material: Alumínio (rodas)
Titânio (suspensão)
Velocidade máxima: 4cm/s
Velocidade média: 2cm/s
A superfície marciana é muito irregular, composta predominantemente de areia e cheia de rochas de tamanho variado. Uma suspensão de um automóvel comum não seria eficiente lá. Com esse problema em mente os engenheiros da NASA criaram um modelo de suspensão chamado Rocker-bogie, usado pela primeira vez no robô Sojourner, que pousou em Marte em 1997 durante a missão Mars Pathfinder, e também nos robôs gêmeos Spirit e Opportunity, em marte desde 2004. Usando seis rodas essa suspensão pode manter todas as rodas em contato com o solo, mesmo passando sobre obstáculos com 1,5 vezes a altura da roda, enquanto o corpo principal movimenta-se muito pouco.Para esta sonda foram construídas rodas de alumínio de 50 cm de diâmetro, com muitas aletas na parte externa para aumentar a resistência da roda e sua tração no solo arenoso e alguns orifícios. Esses orifícios deixam marcas distintas no trajeto que a sonda percorreu, podendo ser usados para medir a distância percorrida e o quanto as rodas escorregam ao girar. No seu interior suportes curvados de titânio conectam a roda ao eixo de tração e também atenuam choques enquanto passam por terreno acentuado. Em seu centro estão localizados os atuadores das rodas, constituídos de motores de corrente contínua sem escovas e caixas de redução, para aumentar o torque dos motores. Cada roda possui seu próprio motor, que levam a sonda a velocidade máxima de 4 cm/s, porém durante as operações o robô se movimentará a metade desta velocidade.
A suspensão é composta por dois pares de barras metálicas móveis, ligadas através de um eixo diferencial. Em cada lado as barras conectam três todas. A roda traseira é ligada a roda central por uma barra e ela possui um ponto de pivô em seu centro. A roda dianteira é ligada na extremidade uma segunda barra ao corpo do robô e ao pivô da outra barra, na outra extremidade. A conexão entre as barras não é fixa, elas se movem passivamente para manter as rodas em contato com a superfície. A barra superior é conectada ao corpo principal do robô por outra conexão giratória e ela é, também, ligada a barra no outro lado por um eixo diferencial, que faz as barras se moverem em sentidos opostos. As rodas dianteiras e traseiras podem mudar posição, girando para ambos os lados. Graças a essa habilidade a Curiosity pode se mover em linha reta, em arcos e pode girar, para ambos os lados, no mesmo lugar.
Fonte de Energia
Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator
Pela segunda vez uma sonda marciana utilizará uma bateria nuclear. Todas as missões recentes utilizaram painéis solares e, devido a isso, o tempo disponível para a missão primária compreendia poucos meses. A sonda Curiosity será alimentada por um Gerador Termoelétrico de Radioisótopos Multimissão (MMRTG). Esse tipo de gerador utiliza a energia térmica produzida pelo decaimento radioativo de uma carga de dióxido de plutônio-238 para gerar energia elétrica, pelo efeito Seebeck.
Este tipo de gerador tem a vantagem de não depender do sol para gerar sua energia, permitindo que seja utilizado em missões além de Marte, onde a luz solar é muito fraca para alimentar painéis solares (para comparação a missão Juno, lançada em 2011 para Júpiter, possui grandes painéis solares, com 60 m², que produzirão 486 W lá, quando na Terra produziriam entre 12 e 14 kW), e também que a orientação solar constante não seja necessária. Outra vantagem é a produção energia em um nível constante durante a vida operacional do aparelho e que os painéis solares sua performance afetada por acúmulo de poeira.
A voltagem produzida pelo termopar varia de acordo com a temperatura e com as propriedades dos materiais usados em sua construção. Semicondutores possuem uma eficiência maior por serem construídos com diferenças de cargas elétricas nos materiais que o compõem (tipo P e tipo N).
Para gerar o gradiente de temperatura uma carga de plutônio-238, em forma de dióxido, é armazenada no interior do dispositivo. Sofrendo decaimento radioativo, ela gera calor, até 2000 W no caso do MMRTG. Para criar o gradiente, a extremidade fria do termopar é ligada à carcaça externa, exposta para o vácuo espacial. O uso do plutônio deve-se a sua grande meia-vida, 87,7 anos, e sua baixa produção de radiação gama e nêutrons, o que exige uma proteção menor e oferece menos riscos à saúde humana durante sua montagem e no caso de um acidente durante o lançamento. Além deste também pode-se usar estrôncio-90, polônio-210, amerício-241 e curio-242 ou curio-244.
O gerador é montado com a carga de plutônio ao centro, protegida por isolantes e escudos de radiação. Ao redor deste são ligados os termopares e estes são ligados à uma carcaça metálica com aletas, para aumentar a superfície de dissipação de calor. Alguns dutos, por onde cicula um fluido refrigerante, ajudam na distribuição e dissipação do calor. O plutônio é acondicionado em capsulas, envoltas por grifite e por um outro escudo, protegendo das altas temperaturas encontradas no evento da reentrada na atmosfera terrestre.
O gerador que o robô Curiosity usará é de uma nova geração, conhecida como MMRTG. Possui 62 cm de diâmetro, de uma aleta até a outra, 66 cm de comprimento e uma massa de 43 kg. Este gerador possui 4,8 kg de dióxido de plutônio-238, com uma produção de 110 W de energia elétrica (2200 W por dia, os painéis solares do Spirit e Opportunity produzem 600 W por dia). Sua instalação ocorreu durante os últimos preparativos para o lançamento, junto com a união dos diferentes módulos que permitirão a sonda Curiosity chegar a Marte. Como medida de segurança a cápsula, na qual o robô está, possui uma porta que permite ao técnicos acessar e remover o MMRTG em caso de emergência.
Entre os motivos de escolha desta fonte de energia para esta missão, estão a grande quantidade de instrumentos científicos e o grande tamanho da sonda, que exigem muita energia. O MMRTG forncerá um suprimento constante de energia, seja dia ou noite, durante o verão, inverno e durante as tempestades de areia. Como Marte é muito frio e os equipamentos eletrônicos necessitam ser aquecidos, uma rede de 60 m de dutos preenchidos de fluido aproveitará uma parte do calor dissipado na atmosfera e o trará para o interior do veículo.
Câmeras
A sonda Curiosity possui, no total, 16 câmeras. São elas:
Sensor: 1600 x 1200 pixels (2MP)
Distância focal: 34 mm
Imagens: 1600 x 1200 pixels. 22 cm/pixel a 1 km. 450 microns/pixel a 2m
Vídeo: 1280 x 720 pixels (10fps)
Campo de visão: 18° x 15°
Mastcam 100Sensor: 1600 x 1200 pixels (2MP)
Distância focal: 100 mm
Imagens: 1600 x 1200 pixels. 7,4 cm/pixel a 1 km. 150 microns/pixel a 2m
Vídeo: 1280 x 720 pixels (10fps)
Campo de visão: 6° x 5°
As câmeras do mastro (Mastcam) são praticamente idênticas. Possuem o mesmo sensor CCD, produzido pela Kodak, com filtro de cor do padrão Bayer, possuem um chip de memória flash de 8GB, capaz de armazenar 5500 imagens no formato raw, possuem compressão lossless ou JPEG por hardware, autofoco (de 2,1 metros ao infinito) e um disco de filtros para obter imagens de espectro estreito (monocromática).
Esse disco, posicionado entre o sensor e as lentes, possui vários filtros, um para cada comprimento de onda: 525 nm (verde), 440 nm (azul), 675 nm (vermelho), 750 nm, 865 nm e 1035 nm(infravermelho próximo), um para permitir apontar a câmera para o sol, com o objetivo de medir a quantidade de partículas na atmosfera (ou para observações astronômicas) e o último bloqueia a luz infravermelha, permitindo obter imagens com cores próximas as reais. A diferença entre elas está no conjunto de lentes. A M34 possui uma abertura maior, gerando imagens de uma grande área, usadas para contextuar o cenário. A M100 possui um conjunto de lentes parecido com uma teleobjetiva, obtendo imagens com uma ampliação maior. As imagens destas câmeras podem ser usadas para formar um mapa em 3D.
Na parte superior do veículo há um alvo, com várias partes coloridas e um "joystick". Ela serve para calibrar a imagem da câmera, tanto em cor como em foco. Ele é visível na imagem panorâmica da estrutura, próximo ao MMRTG.
NAVCAM e HAZCAM
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| Navcams e Hazcams. As caixas dos eletrônicos medem 67 x 69 x 34 mm. |
NAVCAM HAZCAM
Escala: 0,82 mrad/pixel 2,1 mrad/pixel
Distância focal: 14,67mm 5,58mm
Diâmetro: 1,25mm 0,37mm
Campo de visão: 45° x 45° graus 124° x 124° graus
Computadores
Dois computadores de bordo idênticos foram instalados no Curiosity, identificados simplesmente como A e B. Cada um possui um processador PowerPC RAD 750, com 200 MHz, 256 GB DRAM, 256 KB EPROM e 2GB de memória flash. Para efeitos de comparação o Spirit e o Opportunity possuem um processador RAD 6000 de 20 MHz, 128 MB DRAM e 256 MB de memória flash.
Durante o trabalho do Curiosity somente um dos computadores
permanece ativo, enquanto o outro assume o papel de backup. A troca entre os
computadores pode ser feita a qualquer momento, mas ela não é periódica. Os
computadores podem operar os instrumentos e os atuadores sem qualquer alteração
no código enviado pelo controle da missão. A única diferença está nas câmeras
de engenharia. Cada computador possui seu próprio conjunto de câmeras, e é
exclusivo. O computador B não pode usar as câmeras do computador A e
vice-versa.
Esses computadores controlam todas as fases da missão, desde
a fase de cruzeiro interplanetário até as operações na superfície, trocando
apenas de modo de operação. Quando pousou ele estava configurado como nave
espacial, após o SkyCrane liberar o robô na superfície (este também controlado
pelos computadores do Curiosity) ele trocou seu estado para as operações de
superfície. Também há o modo de segurança, nesse modo todos os instrumentos e
atuadores são desligados a sonda fica a espera de contato do controle da
missão. Esse estado é provocado geralmente por falha de software.
O software embarcado roda sobre o sistema operacional VxWorks, multitarefa, usado desde 1997 na missão Mars Pathfinder. Desenvolvido pela Wind River Systems pode rodar em processadores x86( e x86-64), PowerPc e ARM, com um ou mais núcleos, e executa programas em Ada, C, C++ e Java. Além de ser o sistema operacional das sondas de superfície também roda na Mars Reconaissance Orbiter, no Airbus A400M e no ASIMO. No total o software contém 2,5 milhões de linhas de código, totalmente em C, e pode ser atualizado a qualquer momento.
Navegação
Devido a grande distância entre Marte e a Terra,
aproximadamente 55 milhões de quilômetros na melhor das hipóteses, a luz demora
aproximadamente 10 minutos, na melhor das hipóteses, para alcançar Marte,
partindo da Terra. Isso torna um robô teleoperado impraticável. Demorando todo
esse tempo uma sonda teleoperada poderia sofrer grandes danos, por exemplo:
você está dirigindo a sonda, com Marte a 14 minutos-luz, num terreno plano. De repente
você avista um buraco no caminho. Não há nada que você possa fazer, quando o
seu monitor mostrar o buraco sua preciosa sonda já estará em seu fundo.
Para resolver este problema você pode ensinar a sonda a
evitar os obstáculos mais perigosos, criando um sistema que perceba a
topografia do terreno e crie uma trajetória segura até um ponto determinado.
Assim como os MER o sistema de detecção de obstáculos é baseado em visão
computacional. Duas câmeras, preto e branco (hazcam), separadas aproximadamente
20 cm, obtêm imagens da superfície estereoscópicas. Processando essas fotos o
Curiosity sabe onde estão os obstáculos e qual o tamanho deles e é capaz de
determinar o caminho mais seguro para chegar ao destino determinado pelo
controle da missão.
O sistema de navegação do Curiosity pode funcionar em três
modos: cego, evitar perigo e odometria visual.
Cego – Nesse modo, quando há um modelo em 3D do terreno
próximo que apresenta um trajeto livre de obstáculos e perigos, os operadores
mandam o robô percorrer certa distância em uma direção. O cálculo da distância
percorrida é feito somente com a quantidade de rotações das rodas (63 cm por
volta). O robô não verifica sua posição com base em imagens. Ele anda até achar
que chegou no lugar certo.
Evitar perigo – Quando não é possível traçar uma trajetória
livre de obstáculos e/ou perigos o robô
verifica periodicamente o terreno próximo através do sistema de visão
computacional, cuja frequência é determinada pelo controle da missão.
Odometria visual – Verificando as imagens anteriores com
outras mais recentes o Curiosity pode descobrir qual foi seu deslocamento entre
elas. O cálculo do espaço percorrido por esse método é mais preciso do que no
modo cego, já que é bastante que as rodas deslizem.
Antenas
UHF – Antena destinada contatar as sondas orbitais, a Mars
Reconaissance Orbiter e a Odyssey. Através dessa antena é que a maior parte dos
dados gerados por essa sonda será enviada a Terra, já que as sondas orbitais
possuem mais energia e antenas maiores. As taxas de transferência para a MRO é
de 2Mbit/s e para a ODY 256kbit/s. O Curiosity terá 8 minutos por dia de
comunicação com cada sonda.
Antena de Alto Ganho – Essa antena opera na banda X e serve
para contatar a Terra diretamente. Capaz de transferir 32kbit/s. Nessa antena
serão transferidos os comandos do controle da missão toda manhã para o
Curiosity, mas dados podem ser transferidos no sentido inverso também, como
telemetria.
Antena de baixo ganho – Destinada a comunicação diretamente
com a Terra, para emergências.
Referências
Imagens:
Todas as imagens: NASA/JPL-Caltech
- Infográfico do braço robótico e diagrama do cabeamento.
- Imagem das navcams e hazcams e imagem de demonstração das hazcam.
http://marsprogram.jpl.nasa.gov/msl/mission/rover/brains/
http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
http://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_effect
http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Mission_Radioisotope_Thermoelectric_Generator
http://en.wikipedia.org/wiki/GPHS-RTG
http://nuclear.gov/pdfFiles/MMRTG.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
http://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_effect
http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Mission_Radioisotope_Thermoelectric_Generator
http://en.wikipedia.org/wiki/GPHS-RTG
http://nuclear.gov/pdfFiles/MMRTG.pdf
