Cuando un vehículo extraterrestre multimillonario queda atascado en arena blanda o grava (como le ocurrió al explorador marciano Spirit en 2009), los ingenieros terrestres toman el control como una grúa virtual, emitiendo una serie de comandos que mueven sus ruedas o invierten su curso en un esfuerzo delicado y que requiere mucho tiempo para liberarlo y continuar su misión exploratoria.
Aunque Spirit permaneció estancado permanentemente, en el futuro, una mejor prueba del terreno aquí en tierra firme podría ayudar a evitar estas crisis celestiales.
Mediante simulaciones por computadora, ingenieros mecánicos de la Universidad de Wisconsin-Madison descubrieron una falla en el proceso de prueba de los róvers en la Tierra. Este error lleva a conclusiones demasiado optimistas sobre su comportamiento una vez desplegados en misiones extraterrestres.
Un elemento importante en la preparación para estas misiones es una comprensión precisa de cómo un rover atravesará superficies extraterrestres en baja gravedad para evitar que se atasque en terreno blando o áreas rocosas.
En la Luna, la fuerza gravitacional es seis veces menor que en la Tierra. Durante décadas, los investigadores que prueban róveres han tenido en cuenta esta diferencia de gravedad creando un prototipo con una sexta parte de la masa del róver real. Prueban estos ligeros róveres en desiertos, observando cómo se desplazan sobre la arena para comprender mejor su rendimiento en la Luna.
Resulta, sin embargo, que este enfoque de prueba estándar pasó por alto un detalle aparentemente intrascendente: la atracción de la gravedad de la Tierra sobre la arena del desierto.
Mediante simulación, Dan Negrut, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Wisconsin-Madison, y sus colaboradores determinaron que la gravedad terrestre ejerce una atracción sobre la arena mucho mayor que la de Marte o la Luna. En la Tierra, la arena es más rígida y ofrece mayor soporte, lo que reduce la probabilidad de que se desplace bajo las ruedas de un vehículo. Sin embargo, la superficie lunar es más esponjosa y, por lo tanto, se desplaza con mayor facilidad, lo que implica que los rovers tienen menos tracción, lo que puede dificultar su movilidad.
En retrospectiva, la idea es simple: debemos considerar no solo la fuerza gravitacional sobre el róver, sino también el efecto de la gravedad sobre la arena para comprender mejor su rendimiento en la Luna —afirma Negrut—. Nuestros hallazgos subrayan la importancia de usar simulación basada en la física para analizar la movilidad del róver en suelo granular.
El equipo detalló recientemente sus hallazgos en el Journal of Field Robotics .
El descubrimiento de los investigadores fue resultado de su trabajo en un proyecto financiado por la NASA para simular el rover VIPER, planificado para una misión lunar. El equipo aprovechó el Proyecto Chrono, un motor de simulación de física de código abierto desarrollado en la Universidad de Wisconsin-Madison en colaboración con científicos italianos. Este software permite a los investigadores modelar con rapidez y precisión sistemas mecánicos complejos, como rovers de tamaño real que operan sobre superficies de arena o tierra blandas.
Durante la simulación del róver VIPER, observaron discrepancias entre los resultados de las pruebas terrestres y sus simulaciones de la movilidad del róver en la Luna. Un análisis más profundo con las simulaciones de Chrono reveló la falla de las pruebas.
Los beneficios de esta investigación van mucho más allá de la NASA y los viajes espaciales. Para aplicaciones terrestres, Chrono ha sido utilizado por cientos de organizaciones para comprender mejor los sistemas mecánicos complejos, desde relojes mecánicos de precisión hasta camiones y tanques del Ejército de EE. UU. que operan en condiciones todoterreno.
“Es gratificante que nuestra investigación sea tan relevante para ayudar a resolver muchos desafíos de ingeniería del mundo real”, afirma Negrut. “Estoy orgulloso de lo que hemos logrado. Es muy difícil, como laboratorio universitario, crear un software de calidad industrial que la NASA utiliza”.
Chrono es gratuito y está disponible públicamente para su uso sin restricciones en todo el mundo, pero el equipo de UW-Madison realiza un importante trabajo continuo para desarrollar y mantener el software y brindar soporte a los usuarios.
“Es muy inusual en el ámbito académico producir un producto de software de este nivel”, afirma Negrut. “Hay ciertos tipos de aplicaciones relevantes para la NASA y la exploración planetaria donde nuestro simulador puede resolver problemas que ninguna otra herramienta puede resolver, incluyendo simuladores de grandes empresas tecnológicas, y eso es emocionante”.
Como Chrono es de código abierto, Negrut y su equipo se centran en innovar y mejorar continuamente el software para seguir siendo relevantes.
“Todas nuestras ideas son de dominio público y la competencia puede adoptarlas rápidamente, lo que nos impulsa a seguir avanzando”, afirma. “Hemos tenido la suerte de recibir apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y la NASA durante la última década. Esta financiación ha marcado una gran diferencia, ya que no cobramos a nadie por el uso de nuestro software”.
Los coautores del artículo incluyen a Wei Hu de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, Pei Li de la Universidad de Wisconsin-Madison, Arno Rogg y Alexander Schepelmann de la NASA, Samuel Chandler de ProtoInnovations, LLC y Ken Kamrin del MIT.