Hayabusa2 o il trionfo dell’automazione (11/11)
La sonda giapponese è un concentrato di tecnologie, progettate per studiare l’asteroide Ryugu con il massimo livello di dettaglio. Questo lungo articolo fornisce una panoramica completa dei numerosi strumenti a disposizione di Hayabusa2, soffermandosi in particolare sull’altissimo livello di automazione necessario per portare a termine la missione
MINERVA-II (MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid)
La prima missione Hayabusa trasportava un piccolo rover chiamato MINERVA, che in base ai piani sarebbe dovuto atterrare sulla superficie dell’asteroide Itokawa e svolgere osservazioni dirette sul posto. Il dispositivo aveva una massa di soli 591 grammi, ma era dotato di una fotocamera, di sensori per misurare la temperatura al suolo, di un computer, di pannelli solari e di strumenti di comunicazione per scambiare dati con la nave madre Hayabusa. In più aveva un sistema di mobilità analogo a quello di MASCOT, con un motore che generava la rotazione di un peso, inducendo il rover a saltare nella direzione opposta a quella della rotazione come conseguenza del trasferimento di momento angolare.
Purtroppo, però, MINERVA non arrivò mai sulla superficie di Itokawa. Il rover fu sganciato da Hayabusa il 12 novembre 2006 per mezzo di un comando manuale, inviato da Terra dal suo creatore, lo scienziato della JAXA Tetsuo Yoshimitsu. Il comando fu lanciato tenendo conto del momento in cui i calcoli indicavano che Hayabusa avrebbe raggiunto il punto di massimo avvicinamento all’asteroide. Affinché la discesa in caduta libera su Itokawa potesse andare a buon fine, MINERVA doveva infatti essere sganciato da un’altezza di 70 metri con una velocità di 5 cm/s.
Ma il comando manuale non poteva raggiungere immediatamente la sonda: quel 12 novembre, il tempo di viaggio della luce, e dunque dei segnali radio, tra la Terra e Itokawa era di 16 minuti. Ciò vuol dire che l’efficacia di un comando inviato da Terra era subordinata alla capacità di prevedere con assoluta precisione quale sarebbe stata la posizione della sonda rispetto all’asteroide 16 minuti nel futuro: 16 minuti erano necessari, infatti, perché il comando di sganciare il rover raggiungesse Hayabusa (e altri 16 minuti occorrevano per ricevere il segnale di risposta da Hayabusa).
Le analisi successive rivelarono che, sfortunatamente, il comando di sganciamento arrivò quando la sonda si trovava a ormai 200 metri da Itokawa e, per di più, se ne stava allontanando alla velocità di 15 cm/s. La velocità negativa, più che la distanza maggiore del previsto, fu l’elemento fatale. Il viaggio di MINERVA cominciò con una velocità di fuga superiore a quella necessaria per essere catturato dal debolissimo campo gravitazionale di Itokawa: mancò l’asteroide e si perse nello spazio, vanificando tutto il lavoro di progettazione e test che aveva portato alla realizzazione di quel piccolo, innovativo aggeggio elettronico.
Appena sganciato, MINERVA riuscì però a scattare una foto, che mostra un angolo di un pannello solare di Hayabusa: fu l’unica immagine trasmessa dal rover e l’unica fino ad oggi esistente di una sonda spaziale fotografata dall’esterno nel corso di una missione spaziale! Mentre si perdeva nello spazio, MINERVA continuò a scambiare dati con Hayabusa per 18 ore, finché fu troppo lontano per riuscire a comunicare ancora con la sonda. Al tempo dell’ultimo contatto, il rover era in ottima salute…
Con la missione Hayabusa2, Yoshimitsu e i suoi collaboratori alla JAXA hanno avuto l’occasione di riprovarci. La sonda giunta in questi giorni presso l’asteroide Ryugu trasporta infatti gli eredi di MINERVA. E non un unico rover stavolta, ma ben tre!
Con una scelta non proprio intuitiva dei nomi, i tre rover si chiamano MINERVA-II-1A, MINERVA-II-1B e MINERVA-II-2. I primi due, cioè II-1A e II-1B, viaggiano insieme nello stesso contenitore, mentre II-2 ha un contenitore tutto per sé. I tre dispositivi sono simili, ma presentano alcune differenze. I primi due sono stati realizzati dal team di Yoshimitsu per conto della JAXA, il terzo è il frutto di un progetto condotto da un consorzio di università giapponesi.
I tre rover sono costruiti con componenti relativamente economici e in parte commerciali, perché la loro integrazione in Hayabusa2 è una sorta di extra che non rientra tra gli obiettivi scientifici principali della missione. I MINERVA-II sono progettati per svolgere anche osservazioni scientifiche sulla superficie di Ryugu, ma il loro obiettivo principale è testare sul campo le tecnologie di esplorazione autonoma di piccoli corpi come gli asteroidi, in cui atterraggio e spostamenti sulla superficie avvengono in condizioni di microgravità.
Le masse dei tre rover sono, rispettivamente, di 1,2, 1,1 e 0,9 kg. II-1A e II-1B hanno un diametro di 17 cm e un’altezza di 7 cm, II-2 ha un diametro di 15 cm e un’altezza di 16 cm.
Per evitare di ripetere l’errore che condusse alla perdita del MINERVA originale, i tre rover saranno sganciati stavolta da un comando automatico di Hayabusa2, che stabilirà autonomamente, usando le indicazioni del LIDAR, il raggiungimento della distanza ottimale, che in questo caso è di 55 metri dalla superficie di Ryugu. Il rilascio, operato per mezzo di un meccanismo a molla, dovrà avvenire sulla perpendicolare della linea di vista che congiunge la Terra a Ryugu.
Da un punto di vista strutturale, i tre MINERVA-II hanno un’architettura molto simile. L’armatura esterna è completamente ricoperta da pannelli solari, che dovrebbero essere in grado di erogare, alla distanza di Ryugu dal Sole, una potenza di circa 2 W. I rover non hanno ruote, ma si muoveranno sulla superficie dell’asteroide saltando. A tale scopo, al loro interno c’è un meccanismo rotante, mosso da un motore a corrente continua, basato sul principio del trasferimento di momento angolare. Nella microgravità di Ryugu, il contraccolpo dovuto alla resistenza opposta dal suolo al moto di rotazione del meccanismo interno sarà sufficiente a scagliare i rover a diversi metri di distanza, in direzione opposta a quella della rotazione.
I pannelli solari non sono comunque in grado di fornire l’energia istantanea necessaria affinché il motore imprima una velocità di rotazione sufficiente a operare i salti. I rover dispongono pertanto di un condensatore elettrico a doppio strato che funge da batteria, nel quale viene accumulata l’energia prodotta dai pannelli solari.
Come strumentazione, i MINERVA-II sono dotati di una fotocamera grandangolare da appena 15 grammi di massa, con un campo visivo di 125 gradi. Grazie a un sistema ottico formato da 8 piccole lenti, la distorsione delle immagini è minore del 3%: ciò consentirà a queste piccole fotocamere di fornire viste prospettiche particolarmente interessanti delle regioni riprese durante le fasi di salto. Per le riprese da fermo, invece, i rover dispongono di altre due fotocamere, montate in modo da produrre immagini stereo delle porzioni di suolo osservate. Per minimizzare lo spreco di risorse, un apposito software trasmetterà ad Hayabusa2 solo le immagini contenenti oggetti visibili, eliminando quelle che riprendono lo spazio vuoto.
A causa dei vincoli di massa e di memoria imposti dalle minuscole dimensioni dei MINERVA-II, le immagini prodotte saranno in formato piuttosto ridotto rispetto agli standard a cui siamo abituati: VGA (cioè 640×480 pixel) per i rover II-1A e II-1B e SXGA (1280×1024 pixel) per la Omni-Vision OV-9630 del rover II-2.
Dall’armatura su cui sono installati i pannelli solari fuoriescono numerose punte metalliche, che servono da base di appoggio con il suolo e, allo stesso tempo, per proteggere i pannelli solari dagli impatti contro la superficie dell’asteroide. Ma quelle punte sono anche termometri, che consentiranno ai MINERVA-II di svolgere osservazioni scientifiche su Ryugu: misurando, per esempio, le differenze di temperatura tra il terreno illuminato dal Sole e quello al riparo della loro ombra, i rover potranno misurare l’inerzia termica del suolo in punti diversi della superficie dell’asteroide.
I MINERVA-II dispongono inoltre di vari fotodiodi, che hanno lo scopo di registrare la radiazione solare incidente: analizzando le tensioni elettriche rimandate da ciascuno di essi, il computer di bordo è così in grado di rilevare la posizione del Sole rispetto all’assetto del rover.
Completano la strumentazione accelerometri, giroscopi e potenziometri, questi ultimi utilizzati per misurare le differenze di potenziale tra due punti di contatto.
La “navigazione” sulla superficie dell’asteroide è un altro elemento importante dell’esperimento MINERVA-II. Hayabusa2 tenterà di fotografare dall’alto i tre rover, per avere costantemente sotto controllo la loro posizione. Esistono degli algoritmi software che dovrebbero consentire di localizzare più o meno esattamente la loro posizione sulla superficie dell’asteroide, in base alle variazioni dei segnali radio che essi trasmetteranno verso la sonda. Sapere dove sono è importante, non solo per valutare il successo del meccanismo di mobilità senza ruote di cui sono dotati, ma anche per evitare che interferiscano con le previste discese di Hayabusa2 su Ryugu. Se, infatti, uno dei tre MINERVA-II finisse troppo vicino al luogo prescelto per la discesa della sonda, le sue parti metalliche potrebbero emettere riflessi in grado di confondere il sistema di rilevamento laser della posizione di Hayabusa2, che si basa sulla luce riflessa dai marcatori di bersaglio sganciati al suolo durante la discesa.
Un’altra incognita è quanto tempo i MINERVA-II rimarranno in esercizio, una volta giunti su Ryugu. La preoccupazione principale dei progettisti riguarda le escursioni termiche tra il giorno e la notte. Poiché si tratta di oggetti molto piccoli, si riscaldano molto velocemente e si raffreddano altrettanto velocemente. I vincoli di massa hanno impedito di inserire al loro interno sistemi per mantenere la temperatura entro limiti operativi accettabili, quindi il limite di durata della loro missione è dato soprattutto dalla resistenza dei componenti alle variazioni di temperatura. In particolare, i test di laboratorio hanno dimostrato che il condensatore elettrico a doppio strato che funge da batteria può resistere fino a 30 ore a 105 °C, quando è completamente carico. Poiché il periodo di rotazione di Ryugu è di 7 ore e 38 minuti, considerando una permanenza al Sole di 4 ore al giorno, è ragionevole sperare che il condensatore possa durare per almeno una settimana (locale).
Tuttavia, con un’attenta scelta dei punti di discesa sull’asteroide e calcolando opportunamente la direzione dei salti, sarà probabilmente possibile allungare la vita dei MINERVA-II, indirizzandoli verso i luoghi della superficie di Ryugu in cui le escursioni termiche sono meno violente.
Il piano della missione prevede che i tre rover siano sganciati verso l’asteroide più o meno tra settembre e novembre 2018. Uno degli elementi più interessanti di tutta la missione Hayabusa2 sarà proprio scoprire come se la caveranno i tre piccoli “saltatori”, una volta liberi di scorrazzare sull’antichissima e irregolare superficie di Ryugu.
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