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Creazione di ossigeno dall’atmosfera di Marte
Un esperimento su un rover marziano apre la strada alle visite dell’uomo
Per il rover Perseverance della NASA, l'atterraggio su Marte dopo una discesa spettacolare ha richiesto l'uso di uno scudo termico, un paracadute e una “gru volante” a razzo che ha calato il rover sulla superficie tramite cavi. Una delle missioni principali del rover è la ricerca di tracce di vita passata sul pianeta rosso. Ha anche una missione meno nota: testare macchinari che potrebbero supportare la vita umana.
Un viaggio su Marte richiederebbe molto ossigeno, in parte per essere respirato dagli astronauti, ma la maggior parte sotto forma di liquido per bruciare il carburante durante il viaggio di ritorno. Per un equipaggio di quattro persone sarebbero necessarie 25 tonnellate (55.000 libbre). Inviare quella massa dalla Terra costerebbe miliardi di dollari e comporterebbe una logistica complicata, quindi la NASA prevede l’utilizzo delle risorse in situ, utilizzando ciò che trovano in loco. Estrarre il ghiaccio dai poli per ricavarne ossigeno sarebbe un processo arduo. Sperano invece di estrarlo dall'atmosfera separando gli atomi di ossigeno dall'anidride carbonica, che costituisce il 95% dell'atmosfera.
“Se rompiamo qualcosa su Marte, non possiamo mandare nessuno ad aggiustarlo e siamo spacciati. Quindi, abbiamo una serie di passaggi che ci danno molta fiducia e il modello computerizzato, il gemello digitale, è uno di quei passaggi chiave."
Nel ventre di Perseverance si trova una scatola rivestita d'oro grande quanto una batteria per auto: il Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, o MOXIE. Oltre all'acronimo, questo dispositivo, progettato al MIT, prende il nome da moxie, che significa spirito coraggioso, parola derivata dalla bevanda gassata Moxie, inventata nel Massachusetts. Si tratta di una versione in miniatura di ciò che attende una missione umana: verrà lanciato almeno 10 volte, mettendo alla prova i limiti delle sue capacità. “Stiamo cercando di accelerare il percorso che porterà gli esseri umani su Marte”, afferma Dott. Michael Hecht, che dirige il progetto a MIT. “Vogliamo che ciò accada prima, con meno rischi e con meno costi”.
Il dispositivo è composto da due parti principali: un compressore di gas e l'elettrolizzatore di ossido solido (SOXE), che divide CO2 utilizzando calore ed elettricità. Attorno a questi componenti si trovano tubi, valvole, filtri, sensori, un alimentatore e un piccolo computer. Un modello ingegneristico “gemello” del MOXIE presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) in California viene utilizzato per i test prima che il controllo missione invii comandi al lontano MOXIE. Un altro gemello esiste esclusivamente nel software, che il team del MIT di Hecht esegue prima di provare i comandi sul modello ingegneristico.
Un modello quasi identico a MOXIE viene utilizzato per i test nel laboratorio del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California. (Immagine per gentile concessione di NASA/JPL-Caltech)
Interno di MOXIE con assemblaggio SOXE. (Immagine per gentile concessione di NASA/JPL-Caltech)
“Se rompiamo qualcosa su Marte, non possiamo mandare nessuno ad aggiustarlo ed hai finito”, afferma Eric Hinterman, uno studente di dottorato nel dipartimento AeroAstro, il laboratorio di Jeffrey Hoffman, vicedirettore del progetto ed ex astronauta. Hinterman ha progettato la simulazione software. “Quindi, abbiamo una serie di passaggi per essere abbastanza sicuri, e il modello informatico, il gemello digitale, è uno di quei passaggi chiave”.
Doppio controllo
“MATLAB ha cambiato la mia vita professionale quando è diventato disponibile”, afferma Hecht. “Era come una calcolatrice tascabile, che ti permetteva di preoccuparti di altre cose invece di calcolare le cose e rappresentarle graficamente a mano.” Negli anni '80, se trovava un problema, si recava presso l'ufficio MathWorks di Natick, nel Massachusetts. Intorno al 1990 ha iniziato a scrivere componenti MATLAB®. MATLAB si è rivelato una scelta naturale per il progetto MOXIE.
“Ho maturato parecchia esperienza nella costruzione di oggetti, ma raramente risultano esattamente come li hai progettati. Mi ha sorpreso quanto il modello sia arrivato vicino a prevedere cosa accadrà.”
Piyush Khopkar, un ingegnere informatico presso MathWorks che fa parte dello staff tecnico e del team operativo di MOXIE, ha affermato che la decisione di utilizzare Simulink®, l'ambiente grafico per la modellazione e la simulazione, era semplice. Simulink si collega a MATLAB, che include una libreria di funzioni matematiche e specifiche per le applicazioni, così “non è necessario ripartire da zero.”
Modello Simulink per MOXIE.
Il modello MOXIE Simulink è stato tramandato a Hinterman da ex studenti, ma lui lo ha modificato e riscritto. Modella loop elettrici, chimica, dinamica dei fluidi, controlli e sensori. “Sono stato costretto a imparare molto sull'elettrochimica,” dice, “ed è stato anche divertente.”
Modella tre loop di controllo. Il primo mantiene una temperatura impostata nel SOXE, tenendo conto della quantità di calore generata dal dispositivo (l'elettrolisi avviene a circa 800 gradi Celsius (1.470 gradi Fahrenheit)) e di quella che fuoriesce. Il secondo controlla la tensione elettrica per mantenere costante la corrente. Il terzo determina la pressione interna regolando la velocità di rotazione delle pale del compressore. I loop devono anche modellare il rilevamento degli errori e interrompere un'esecuzione quando qualcosa non va.
Il modello è “piuttosto complesso”, afferma Hinterman. Individuare gli errori non è facile, anche se il software può aiutare. “A volte si tratta di un problema annidato che richiede parecchio tempo per essere risolto.” Inoltre, a volte il JPL sostituiva i componenti e lui era costretto ad adattare il suo modello. “Quindi, tenere il passo con i progressi del MOXIE fisico è stata probabilmente una delle sfide più grandi.”
Quando la simulazione non coincide con il modello ingegneristico, “ogni volta si verifica qualcosa di diverso,” afferma Hinterman. “Come se la temperatura non fosse perfettamente allineata. E poi potrei scoprire che c'era una crepa nell'isolamento.”
Durante lo sviluppo, quando il modello non corrispondeva alla realtà, Hinterman parlava con il JPL o analizzava attentamente i dati e modificava le formule o le costanti. Ora che il modello ha dato prova di sé sulla Terra, bisogna preoccuparsi di come il viaggio su Marte possa aver cambiato il vero MOXIE. Il lancio e il rientro potrebbero aver scosso le cose, oppure la differenza di gravità, la polvere e il freddo potrebbero aver causato cambiamenti inaspettati. Afferma di essere pronto ad aggiungere al modello i “fattori di Marte” per imitare la realtà sul pianeta rosso.
Vista esplosa di MOXIE. (Immagine per gentile concessione di NASA/JPL-Caltech)
“Ho maturato parecchia esperienza nella costruzione di oggetti, ma raramente risultano esattamente come li hai progettati,” afferma Hinterman. Confrontando la simulazione con il modello ingegneristico, “sono rimasto sorpreso da quanto il modello sia riuscito a prevedere cosa accadrà.”
MATLAB fornisce a Simulink dati quali le dimensioni dei componenti hardware, le condizioni atmosferiche, le costanti chimiche, i punti di regolazione del sistema di controllo, come la temperatura SOXE desiderata, e i limiti di sicurezza. Simulink invia quindi gli output della simulazione (letture dei sensori) a MATLAB per l'analisi. MATLAB riceve anche dati dal vero MOXIE su Marte. Ma i MOXIE reali e virtuali non forniscono informazioni semplici come la quantità di ossigeno prodotta o il rapporto tra anidride carbonica e monossido di carbonio. MATLAB invece calcola tali valori a partire dai dati dei sensori di temperatura, pressione e tensione. Hecht afferma che stima anche valori più teorici, come i limiti e i punti di pericolo di MOXIE. “Ci sono mille piccole cose diverse che devono essere calcolate.”
L'applicazione MOXIE Simulink Model, che automatizza l'esecuzione di simulazioni di modelli.
Per aiutare gli operatori MOXIE a eseguire la simulazione e interpretare i dati, Khopkar ha progettato le interfacce utente (UI). Uno è dotato di cursori virtuali che controllano i parametri marziani, come le condizioni atmosferiche, e i parametri MOXIE, come la corrente e la temperatura. Un'altra interfaccia utente mostra i dati della simulazione o dell'esperimento vero e proprio su Marte. Khopkar li ha realizzati con un ambiente MATLAB chiamato App Designer. In quanto membro del team operativo, ha anche la possibilità di utilizzare queste interfacce utente.
Atterraggio perfetto
Subito dopo l'atterraggio di Perseverance su Marte, MOXIE ha effettuato un controllo sanitario. Saranno effettuate almeno 10 corse della durata di circa un'ora ciascuna, una volta ogni due mesi. Diventeranno progressivamente più impegnativi, operando in diverse condizioni atmosferiche, stagioni e orari della giornata, per poi provare diverse modalità e condizioni operative.
“[I risultati] ci hanno sorpreso solo nel senso di quanto siano perfetti… Uno strumento è stato prodotto sulla Terra con un comportamento che soddisfaceva tutti i requisiti ad esso applicati, ed è arrivato fino a Marte, e ha prodotto ossigeno.”
Il 20 aprile 2021, MOXIE ha fatto il suo primo giro. MOXIE è riuscito a generare 6 grammi di ossigeno all'ora, avvicinandosi di gran lunga all'obiettivo di 10 grammi all'ora. “È stato un viaggio davvero movimentato. Siamo tutti euforici. Poi è il momento di dedicarsi al duro lavoro di rispondere alle e-mail e parlare con i media, ma voglio analizzare i dati,” affermò Hecht all'epoca. MOXIE sfrutta alcune tecnologie note, ma molte di esse sono inedite. “Non è iniziato con un'eredità lontanamente paragonabile a quella della maggior parte delle cose destinate a Marte.”
“I risultati ci hanno sorpreso solo per la loro perfezione,” afferma Hecht. “Le cose non dovrebbero funzionare così perfettamente. Sulla Terra è stato prodotto uno strumento con un comportamento che soddisfaceva tutti i requisiti ad esso applicati, che è arrivato fino a Marte e ha prodotto ossigeno. Ed è lì che devi trattenere il respiro.”
La posizione di MOXIE sul rover Perseverance. (Immagine per gentile concessione di NASA/JPL-Caltech)
Ha continuato: “Quando l'abbiamo eseguito martedì, erano passati due anni dall'ultima volta che l'avevamo eseguito e prodotto ossigeno. Quando dopo due anni tiri fuori la bicicletta dall'armadio, ti aspetti di dover oliare la catena, smontare un paio di cuscinetti e sostituire le gomme, perché probabilmente sono vecchie e screpolate. Abbiamo inserito MOXIE nel rover, lo abbiamo capovolto, lo abbiamo sottoposto a cicli termici e lo abbiamo lanciato. Rimase nel vuoto e navigò per mesi. L'abbiamo lanciato su Marte, con violente esplosioni durante il dispiegamento. Poi abbiamo aspettato. Quando lo abbiamo eseguito in queste circostanze così difficili, era come se nulla di tutto ciò fosse accaduto.”
Più grande e migliore
Il lavoro è ben lungi dall'essere concluso. “In generale, la mancanza di intelligenza del sistema di controllo è la sfida più grande,” afferma Hecht. Vorrebbe renderlo più autonomo, magari caricando un nuovo software dalla Terra. Per farlo sarà necessario prima effettuare dei test tramite simulazione.
Hinterman sta lavorando al successore di MOXIE, che la NASA implementerà prima di inviare gli esseri umani su Marte. Trascorrerà 14 mesi generando tonnellate di ossigeno. Per certi versi, quella macchina dovrà affrontare sfide più grandi, per altri più piccole. Dovrà funzionare più a lungo e produrre più ossigeno, ma funzionerà a quote più basse, con un computer più intelligente, un filtraggio migliore, sensori più performanti e capacità autopulenti.
“Il vero valore è che [MATLAB] può vedere come tutte queste diverse variabili interagiscono tra loro. ... Riesce a vedere tutte queste interazioni, mentre gli umani hanno difficoltà a farlo.”
Si tratta di nuovi elementi che Hinterman dovrà simulare. Una grande differenza: la macchina del futuro liquefarà, immagazzinerà e trasferirà l'ossigeno che produce, anziché rilasciarlo nell'atmosfera marziana. “Ho trascorso gli ultimi due mesi modellando specificamente il sistema di liquefazione,” afferma.
Hinterman utilizza algoritmi di ottimizzazione MATLAB per progettare il layout hardware. Può dire al software di ridurre al minimo la massa e questo proverà diverse pompe o compressori, oppure una serie di condizioni operative. “Il vero valore è che si può vedere come tutte queste diverse variabili interagiscono tra loro,” afferma. “Quindi, se si sceglie una pompa criogenica invece di una pompa meccanica, forse è meglio una temperatura più bassa. Forse una temperatura più alta è migliore per qualche motivo e riesce a vedere tutte quelle interazioni, mentre gli umani hanno difficoltà a farlo.”
Per il momento Hecht non sta pensando molto al prossimo progetto. “Al momento sono concentrato sulla gestione di questa gara.”
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