Marte é um planeta que fascina a humanidade desde a descoberta do primeiro telescópio. Este fascínio baseia-se na esperança de que o Planeta Vermelho possa abrigar vida. Com esta esperança, a exploração de Marte utilizando naves espaciais robóticas começou na década de 1960, quando a Mariner 4 da NASA passou pelo planeta.
Houve novas explorações por parte dos Estados Unidos, da então União Soviética e da Agência Espacial Europeia. No entanto, a NASA alcançou um sucesso espectacular em 2003, quando os seus dois Mars Exploration Rovers, Spirit e Opportunity, aterraram com sucesso em Marte. Este sucesso foi o impulso para a missão Mars 2020 com o Perseverance Rover.
Então, o que é um Mars Exploration Rover (MER)? Como funciona? Quais são os seus principais componentes e quais fatores precisam ser levados em consideração na construção desses rovers? Continue lendo enquanto respondemos a essas perguntas e outras coisas importantes que você precisa saber sobre este dispositivo robótico de exploração de superfície.
O que é um Rover de Exploração de Marte?
Um Mars Exploration Rover é um veículo robótico americano projetado para explorar o planeta vermelho. Este veículo está equipado com diversos dispositivos de alta tecnologia, incluindo câmeras, microscópio, espectrômetros de raios gama, infravermelho e partículas alfa e uma ferramenta de retificação de pedra.
O principal objetivo de um rover de exploração de Marte é estudar a composição física e química de várias superfícies do Planeta Vermelho para determinar se a vida é possível ali. Para fazer isso, o rover de Marte analisa solo, poeira e rochas ao redor de sua área de pouso e de outras áreas do planeta.
Como funcionam os rovers de exploração de Marte?
Um rover é uma máquina complexa com muitos instrumentos de coleta de dados montados nele. Esses instrumentos funcionam simultaneamente para alcançar os resultados desejados. Vamos examinar esses componentes um por um e como eles funcionam.
Câmeras
Existem várias câmeras acopladas ao rover. Essas câmeras capturam imagens e vídeos da paisagem marciana para retransmitir aos cientistas aqui na Terra. Por exemplo, o MARDI, ou Mars Descent Imager, fornece aos cientistas dados geológicos da aterrissagem do rover. O MAHLI, ou Mars Hand Lens Imager, por outro lado, funciona de forma semelhante a uma lupa portátil e tira imagens de amostras de Marte com apenas 12,5 micrômetros de tamanho.
Outra câmera no mastro é a Estação de Monitoramento Ambiental Rover, ou REMS. Este instrumento serve como estação meteorológica de Marte e mede parâmetros atmosféricos como velocidade do vento e umidade.
análise
Os instrumentos para analisar amostras de Marte no rover incluem SAM, CheMin, espectrômetro de raios X de partículas alfa, albedo de nêutrons dinâmico e detector de radiação. Esses instrumentos analisam amostras de rochas e solo marcianos em busca de sinais de vida.
Por exemplo, o SAM, também conhecido como Sample Analysis at Mars, analisa amostras de Marte em busca de elementos como carbono, hidrogênio e oxigênio. Também procura compostos que contenham carbono. O CheMin, também conhecido como Instrumento de Química e Mineralogia, analisa vários minerais encontrados em Marte e sua abundância relativa.
Por outro lado, o espectrômetro de raios X APXS ou partículas alfa analisa o solo e a rocha em busca de elementos químicos e verifica sua abundância. O Albedo Dinâmico de Nêutrons, ou DAN, procura gelo e minerais semelhantes à água abaixo da superfície de Marte. Ao mesmo tempo, o RAD ou Detector de Avaliação de Radiação ajuda a medir e identificar vários tipos de radiação em Marte e alerta os astronautas sobre a intensidade da radiação em Marte.
Componentes de um Mars Rover
O rover é um veículo com muitos componentes trabalhando em conjunto. Possui partes semelhantes àquelas que os seres vivos precisam para sobreviver. Os componentes de um Mars Rover incluem:
1. Corpo
O corpo é a estrutura que envolve o interior e os sistemas de processamento do rover. Também chamada de caixa eletrônica quente, esse corpo é resistente. Possui um deck de equipamentos rover que abriga o mastro e a câmera do rover.
2. Cérebro
Este é o módulo de computador do rover. Outro nome para o cérebro é Rover Compute Element. Para evitar o fracasso da missão, há sempre dois elementos de computação do Rover no corpo do rover.
O RCE controla as funções técnicas do rover através de duas redes. Esta interface segue o design padrão da indústria aeroespacial para aeronaves, incluindo aviões e naves espaciais. Além das funções técnicas, o rover calcula elementos e controla os instrumentos do rover em termos de troca de dados.
O cérebro do rover funciona de forma semelhante ao de um humano. Ele verifica constantemente o sistema para garantir que a temperatura esteja estável e ajusta-se adequadamente caso fique instável. Também regista a energia gerada e armazenada durante um dia marciano e programa o início e o fim de novas atividades.
Além disso, o rover calcula elementos e planeja e prepara sessões de comunicação com orbitadores locais de Marte e da Terra.
3. Câmeras
O rover está equipado com 23 câmeras: 9 câmeras técnicas, 7 câmeras científicas e 7 câmeras de entrada, descida e pouso. Essas câmeras atuam como os outros sentidos e olhos do rover. As câmeras de entrada, descida e pouso gravam vídeos coloridos durante a descida final do rover à superfície marciana. Os dados fornecidos por essas câmeras incluem:
- O que acontece quando o veículo espacial pousa?
- A localização exata na área de pouso onde o veículo espacial pousou;
- Vista aérea da área de pouso antes do pouso, fornecendo informações sobre os controles do rover;
- Quanta areia e rocha os foguetes de frenagem lançam na atmosfera?
- Movimento do sistema de pouso ao pousar na superfície;
- Como o pára-quedas se desdobra e funciona na atmosfera marciana.
Por outro lado, as câmeras técnicas fornecem muitas informações detalhadas sobre o terreno ao redor do rover. Essas câmeras executam várias funções, incluindo o levantamento do solo ao redor do rover para permitir uma viagem segura, auxiliando na coleta de amostras e monitorando o status do hardware do rover.
Três câmeras técnicas são usadas em um rover: câmeras para evitar perigos ou HazCams, câmeras de navegação ou Navcams e CacheCams. As HazCams ajudam o rover a evitar perigos como entrar em rochas, dunas e valas. Existem duas NavCams que ajudam o rover a se mover de forma independente, sem intervenção humana. O CacheCam, por outro lado, tira fotos das amostras durante a amostragem.
Além das câmeras técnicas, existem também câmeras científicas como SuperCam, PIXL, SHERLOC e WATSON. Essas câmeras são usadas para análise e coleta de amostras. Eles também fornecem uma visão melhor da topografia de Marte.
4. Orelhas
Os ouvidos deste rover consistem em dois microfones que permitem aos cientistas ouvir os sons de Marte. Existem dois tipos de microfones no rover: microfones SuperCam e EDL. O microfone EDL, também chamado de microfone de entrada, descida e pouso, ajuda a gravar os sons de pouso.
O microfone SuperCam, por outro lado, vem com o SuperCam. Os microfones permitem que os cientistas ouçam o som do laser SuperCam ao atingir a rocha. A intensidade do tom é proporcional à dureza relativa da pedra.
5. Pernas e rodas
O rover tem seis rodas. E cada roda tem seu próprio motor. Além disso, as rodas dianteiras e traseiras possuem motores de direção que, entre outras coisas, permitem que o rover gire 360 graus no local.
6. Armas
O rover possui um braço robótico de 2,10 metros de comprimento com ombro, cotovelo e pulso para máxima extensão e flexibilidade. Com este braço, um rover pode trabalhar da mesma forma que um geólogo.
Estudo de caso: Peças para o braço robótico de um rover de exploração
Material principal: alumínio 7075
Este material, comumente usado na indústria aeroespacial, possui significativa resistência à fadiga. É uma das ligas de alumínio mais fortes e possui resistência comparável a muitos tipos de aço. Além da resistência, esta liga possui boa ductilidade, tornando-a ideal para aplicações estruturais altamente tensionadas, como a construção do braço robótico do rover.
Processo: fresagem CNC, fio EDM, etc.
O braço robótico do rover é fabricado por fresagem CNC e eletroerosão a fio e contém peças com alta precisão dimensional. A razão é que, ao criar formas e padrões complexos, esse processo de usinagem produz peças com alta precisão e textura superficial de alta qualidade.
Tratamento de superfície: anodização
Escolher a anodização como tratamento de superfície para o braço robótico do rover não é um erro, pois esse tratamento de superfície melhora sua resistência à corrosão. Além disso, com este tratamento não há risco de calcinação, que poderia introduzir objetos estranhos em Marte e afetar o resultado da análise realizada no Planeta Vermelho.
Características e composição: equipamento de amostra disponível, sistema de perfuração e ferramenta de remoção de poeira
O braço robótico funciona de forma semelhante à mão humana, permitindo ao rover manobrar instrumentos para coletar amostras de Marte. O braço termina em uma torre multiferramenta com faixa de rotação de 360 graus.
Existem cinco dispositivos principais montados na torre: espectrômetro de raios X de partículas alfa, Mars Hand Lens Imager, CHIMRA, sistema de perfuração e sistema de remoção de poeira. Enquanto os dois primeiros analisam amostras em contato, o CHIMRA (Coleta e Manuseio para Análise de Rochas In-situ) coleta amostras e as transfere para SAM e CheMin para análise. O braço do rover usa a ferramenta de remoção de poeira para remover a poeira das rochas ou limpar sua plataforma de observação.
Revisão de projeto para fabricação de peças de braço robótico Rover
O Design for Manufacturing, também conhecido como DFM, ajuda a otimizar a produção de peças. Ao realizar uma análise DFM antes da fabricação das peças, os problemas em uma técnica ou processo de fabricação podem ser identificados mais facilmente antes que os recursos sejam comprometidos com essa técnica específica. Isso ajuda a economizar custos a longo prazo, ao mesmo tempo que garante que as peças do produto tenham a qualidade ideal.
Aqui revisaremos a parte real do braço robótico do rover DFM. No entanto, devido ao acordo de confidencialidade, nesta secção mostramos apenas exemplos típicos deste estudo de caso.
Aqui estão exemplos de projetos para fabricação de peças típicas de braços robóticos Rover.
perpendicularidade
A imagem acima mostra parte de um braço de robô que foi usinado usando fio EDM. Devido ao uso deste processo, a tolerância de perpendicularidade na superfície de corte do fio é uma consideração importante. A quadratura é uma tolerância dimensional que se refere ao ângulo entre duas superfícies. Indica o desvio angular máximo da quadratura verdadeira ou 90 graus que pode ocorrer entre duas superfícies.
Portanto, a perpendicularidade da parte do braço do robô rover em relação à parte acima pode ser apenas 0,02. A razão é que ao utilizar a tecnologia de corte de fio, haverá alguma distorção, o que pode causar pequenos desvios.
espessura da parede
Na usinagem, a espessura da parede é uma medida da espessura das paredes de um componente ou peça. É um fator importante a considerar ao projetar componentes, pois determina sua resistência geral, rigidez e durabilidade. Além disso, a espessura adequada da parede ajuda a garantir que as peças estejam seguras e possam suportar cargas pesadas sem empenar ou rachar.
Ao projetar a peça acima, é melhor aumentar sua espessura para pelo menos 0,7 mm. Na imagem acima, a área apontada pela seta é muito fina, com espessura de construção de apenas 0,1 mm. Conseqüentemente, isso pode resultar em uma parede facilmente quebrada.
Especificação de materiais
Neste caso, o alumínio 7075 é o material ideal para usinar esta peça do braço do robô. Além disso, é uma das ligas de alumínio de maior resistência, tornando-a perfeita para aplicações pesadas. Esta liga contém 90% de alumínio, 5,6% de zinco, 2,5% de magnésio e 1,6% de cobre.
Opções pós-tratamento
Para as peças que requerem tratamento de superfície neste estudo de caso, recomenda-se o alumínio anodizado Tipo II. Nesse processo, o alumínio é imerso em ácido sulfúrico, que forma uma camada de óxido de alumínio na superfície e no interior do material. Esta camada tem a propriedade útil de ser um excelente isolante elétrico.
Possui anodização Mil-A-8625. Este revestimento superficial é geralmente mais espesso do que outras camadas de óxido. As duras condições ambientais o tornam ideal para Marte.
Outra vantagem de usar o revestimento superficial Tipo II por meio de anodização é que isso torna o alumínio 7075 um excelente isolante elétrico. Esta camada de óxido não apenas evita a condutividade, mas também protege o metal da corrosão, tornando-a o pós-tratamento ideal para peças dos braços do robô rover.
Desafios e soluções para usinagem de peças para um braço rover de exploração
As condições ambientais em Marte diferem significativamente daquelas da Terra. Eles são infinitamente mais difíceis, com flutuações diárias de temperatura de até 100 graus Celsius. Ao projetar o rover, os engenheiros tiveram que levar em consideração as diferentes condições. Aqui estão alguns desafios que encontraram durante a construção e as soluções que propuseram.
Alta precisão e tolerâncias restritas
O rover é um robô complexo com peças grandes. Projetar peças grandes com tolerâncias restritas é um desafio. No entanto, independentemente do tamanho, as peças Rover ainda exigem alta precisão e tolerâncias restritas para uma funcionalidade ideal. Portanto, os engenheiros tiveram que usar várias técnicas de usinagem de precisão, incluindo usinagem CNC e eletroerosão a fio, para conseguir isso.
A diferença nas condições ambientais
As condições ambientais em Marte são mais duras do que na Terra. Com temperaturas variando de -195 °C (-320 °F) durante a noite polar a 27 °C (81 °F) durante o dia no equador, é um lugar extremo para qualquer coisa. A atmosfera de Marte é muito mais fina que a da Terra e representa apenas 1% da pressão do ar ao nível do mar.
Além disso, o albedo global médio de Marte (reflexo da luz solar) é de 0,25. Isso significa que o planeta absorve cerca de 75% de toda a luz que o atinge, aumentando as suas temperaturas extremas.
Portanto, todos os componentes do rover devem suportar as tensões do ambiente. Os fabricantes devem considerar de forma abrangente o uso de várias partes do cenário, material, processamento, métodos de pós-tratamento, montagem e transporte para estabelecer padrões rígidos.
Atributos da peça
As peças do rover têm propriedades diferentes. Algumas partes devem ser condutoras, enquanto outras são isolantes. Isto representou um desafio para os engenheiros e a solução oferecida foi polir algumas peças (marcadas em laranja acima) após o tratamento de oxidação da peça. Os processos de polimento são precisos aqui.
Complexidade e precisão das peças
As peças do rover são complexas porque cada peça tem seus próprios requisitos de precisão. No entanto, independentemente do tempo gasto em testes de relatórios de precisão, os engenheiros devem fornecer dados detalhados sobre a precisão de cada peça.
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Diploma
A missão Mars Exploration Rover (MER) ajudou os cientistas a compreender a geologia, o clima e o potencial da água em Marte. Os dados recolhidos pelos rovers forneceram evidências de que já existiu água líquida em Marte e que a superfície mudou drasticamente, possivelmente causada por grandes impactos de meteoros. Esta informação poderia ajudar-nos a avaliar melhor a habitabilidade do ambiente marciano. Eles revolucionaram a nossa compreensão de Marte e do seu potencial de habitabilidade.
Perguntas frequentes
Qual é o propósito dos veículos exploradores de Marte?
O objetivo é procurar várias rochas e propriedades do solo que possam conter evidências de atividade hídrica passada.
Quais são os 2 rovers em Marte?
Os dois geólogos robóticos da NASA em Marte são os Mars Exploration Rovers chamados Spirit e Opportunity.
Quão poderoso é o rover de Marte?
De acordo com a análise de Garon, o rover Perseverance da NASA, que chegou a Marte com sucesso, possui um processador desatualizado com aproximadamente a mesma capacidade de processamento de um iMac de 1998. Mais especificamente, possui um processador de 200 MHz, 256 MB de RAM e 2 GB de memória.
Os rovers de Marte retornarão à Terra?
O retorno é feito de forma que os contêineres sejam recolhidos e lacrados pelo orbitador em órbita. Ele então inserirá os recipientes selados em uma cápsula de entrada na Terra usando um braço robótico desenvolvido pela NASA. Durante a janela de transferência Marte-Terra em 2033, acelerará a sua órbita, libertará o elemento de propulsão e regressará à Terra.
