Anche se il rover Perseverance si avvicina a Marte, la tecnologia a bordo sta dando i suoi frutti sulla Terra.

Un sensore di luce laser in grado di identificare i batteri in una ferita può sembrare inverosimile, ma sta già diventando realtà, grazie in parte al programma di esplorazione di Marte della NASA. La tecnologia andrà su Marte per la prima volta su Perseverance, che atterrerà sul Pianeta Rosso questo mese, ma sta già rilevando tracce di contaminanti nella produzione farmaceutica, trattamento delle acque reflue, e altre importanti operazioni sulla Terra.

Questa non è l'unica tecnologia diretta su Marte che sta già dando i suoi frutti sul campo. Qui sulla Terra, queste innovazioni stanno anche migliorando la produzione di circuiti stampati e hanno persino portato a un design speciale della punta per i geologi.

Dare una pausa ai geologi

Honeybee Robotics ha lavorato su missioni robotiche su Marte e altri corpi planetari dagli anni '90, tra cui una serie di progetti finanziati da contratti di Small Business Innovation Research (SBIR) dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California. Uno dei contributi chiave derivanti da quel lavoro è stata la tecnologia di raccolta dei campioni, inclusa una punta da trapano per l'estrazione di carote di roccia. Una mezza dozzina di pezzi di carotaggio sviluppati da una ricerca iniziata più di 20 anni fa sono ora nello spazio per la prima volta, pronto per l'uso nella torretta del rover, o "mano, " alla fine del suo braccio robotico.

Sulla terra, dopo aver forato un'anima con una punta cava, un geologo di solito usa un cacciavite o un altro strumento per rompere il campione ed estrarlo. Ciò può causare un campione frammentato o addirittura contaminato. Un robot richiedeva qualcosa di diverso.

Honeybee, con sede a New York, ha inventato un tubo di rottura annidato all'interno di un pezzo di carotaggio. Dopo che il nucleo è stato perforato, il tubo di rottura ruota rispetto alla punta, spostando il suo asse centrale e staccando il nucleo. A differenza di altri metodi di interruzione, come pizzicare la base del nocciolo, il tubo di rottura applica pressione lungo la lunghezza del campione, riducendo il rischio di frammentazione.

Honeybee ha fornito smerigliatrici, scoop, e altri sistemi di campionamento che hanno volato nelle precedenti missioni su Marte. Questa è la prima volta che la tecnologia di carotaggio dell'azienda va su Marte, perché è la prima volta che la NASA pianifica una missione futura per riportare sulla Terra campioni della superficie marziana. La perseveranza raccoglierà e impacchetterà quei campioni.

"È la parte fondamentale della missione di restituzione del campione, "ha detto Keith Rosette, che ha gestito il sistema di campionamento e memorizzazione nella cache del rover per JPL. "Non puoi davvero raccogliere un campione su Marte se non hai una punta da trapano in grado di recuperarlo".

Mentre portare a casa un campione del veicolo di ritorno da Marte porrà una serie di sfide, consentirà ai ricercatori di eseguire test praticamente illimitati con una vasta gamma di strumenti, disse Rosetta. "Piuttosto che cercare di portare tutti quegli strumenti su Marte, è meno impegnativo e ancora più prezioso riportare indietro dei campioni."

Nel frattempo, Honeybee ha commercializzato le sue punte di rottura brevettate nei kit di strumenti di carotaggio per i geologi sulla Terra. Le punte possono essere utilizzate con un trapano standard, rendere la tecnologia facile e conveniente, disse Kris Zacny, Vicepresidente di Honeybee e direttore della tecnologia di esplorazione.

Honeybee è anche in trattative con aziende interessate a utilizzare i bit per la riparazione di disastri nucleari dove è troppo pericoloso inviare investigatori umani, ha detto Zacny. "Se ci sono serbatoi di cemento che perdono, Per esempio, quindi i robot possono entrare e prelevare campioni per controllare i livelli di radiazioni".

La tecnologia è stata inventata dal defunto ingegnere capo di Honeybee, Tom Myrick. "Tom sarebbe stato estremamente orgoglioso che la sua invenzione abbia fatto la differenza per le missioni planetarie, " disse Zacny.

Home Video da Marte

La raccolta di campioni per il ritorno sulla Terra non è l'unica prima cosa che gli ingegneri hanno pianificato per Perseverance. Per la prima volta, La NASA ha costruito un sistema in grado di restituire video di alta qualità della drammatica sequenza di ingresso e atterraggio di un rover.

Mentre il rover Curiosity ha inviato una serie di immagini compresse che mostrano la superficie marziana durante la discesa, ingresso di perseveranza, discesa, e il pacchetto di atterraggio include sei telecamere ad alta definizione e un microfono che mira a catturare tutto il dramma dei "sette minuti di terrore" tra colpire l'atmosfera esterna e atterrare. Oltre a guardare la superficie del pianeta, le telecamere sono posizionate per guardare i paracadute che si aprono e anche per guardare indietro alla fase di discesa e giù al rover mentre i due si separano.

I componenti della fotocamera sono modelli standard, ma il circuito che gestisce la loro interfaccia e potenza è stato progettato da JPL. È stato poi costruito da Tempo Automation con sede a San Francisco. Fondata nel 2013, subito dopo che la NASA ha annunciato la missione Mars 2020, Tempo ha utilizzato il lavoro per migliorare i propri processi produttivi.

Come suggerisce il nome, L'attenzione di Tempo Automation è rapida, produzione automatizzata di circuiti stampati, anche in piccoli lotti. Un insieme di strumenti che l'azienda offre a tal fine è il processo per rendere ogni componente "tracciabile, " per tenere traccia di chi l'ha toccato e cosa gli è stato fatto in ogni fase del processo di produzione della scheda, così come il lotto di componenti da cui proviene il pezzo. Queste informazioni rendono più facile individuare la causa di un problema e vedere quali altre schede potrebbero essere state interessate, ha detto il cofondatore di Tempo Shashank Samala.

Per soddisfare i severi requisiti di documentazione di JPL, Tempo ha aggiunto immagini a raggi X, dati sulla pulizia ionica, e dati da un'ispezione ottica automatizzata per ogni componente, tutto ciò fa ora parte della procedura standard dell'azienda.

Uno strumento unico di Tempo è ciò che chiama simulazione di fabbricazione, un software che traduce un modello CAD (computer-aided design) in una rappresentazione fotorealistica di come sarà la scheda finale. Un team stava prototipando lo strumento quando sono iniziati i lavori di JPL all'inizio del 2018, e quel lavoro li ha aiutati a completarlo, disse Samala. Ha debuttato l'anno successivo.

La simulazione consente ai clienti di controllare i loro progetti per eventuali problemi o difetti prima dell'inizio della produzione, Egli ha detto. "Un semplice errore può costare molto tempo e denaro."

Sebbene sia stato concepito per aiutare i clienti a finalizzare i loro progetti, l'azienda ha scoperto che era utile anche internamente. Il processo di produzione può comportare discrepanze tra il modello CAD originale e il prodotto finale, ha spiegato Samala. La simulazione "serve come fonte di verità in fabbrica, per comunicare l'intento del progettista. La prima cosa che guardiamo è la simulazione".

Ha detto che la fornitura di un prodotto che soddisfa gli standard della NASA ha aiutato l'azienda a entrare in molti altri sistemi spaziali, compresi satelliti e razzi.

Nel frattempo, Chris Basset, che ha progettato il circuito al JPL, attende con impazienza il momento in cui le riprese della telecamera verranno trasmesse da Marte dopo l'atterraggio di Perseverance il 18 febbraio, 2021. "Questo è così lontano da ciò che facciamo di solito che è super eccitante, " ha detto. "Non vedo l'ora di vedere quelle immagini."

Scansione laser ultravioletta per indizi chimici

Un'altra tecnologia le cui radici affondano nel Mars Exploration Program della NASA sta volando per la prima volta su Perseverance e ha molte potenziali applicazioni qui sulla Terra.

Quando due colleghi di lunga data fondarono Photon Systems nel 1997, la ricerca ha mostrato incredibili promesse per gli spettrometri, dispositivi che utilizzano la luce per determinare la composizione di un campione, operanti a lunghezze d'onda ultraviolette profonde (UV). Questi avevano il potenziale per identificare un batterio o rilevare anche le più piccole tracce chimiche. Ma le fonti di luce nell'intervallo da 220 a 250 nanometri erano troppo grandi, pesante, e sensibile alle interferenze ambientali, e aveva molti altri problemi.

William Hug e Ray Reid hanno deciso di sviluppare una miniatura, leggero, robusta sorgente laser UV profonda per spettroscopia sul campo. Il loro primo investimento esterno è venuto nel 1998 da un paio di contratti SBIR con JPL, che era interessato a uno spettrometro in grado di rilevare nucleici e amminoacidi, materiali organici che sono fondamentali per tutta la vita conosciuta. Da allora, la Covina, La società con sede in California ha ricevuto una serie di SBIR della NASA, principalmente con JPL, così come i finanziamenti dei programmi della NASA volti a sviluppare strumenti per la scienza planetaria e astrobiologica.

Ora l'agenzia spaziale otterrà i primi grandi ritorni dal suo lungo investimento nella tecnologia:Perseverance è dotata dello strumento Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), che utilizza un laser Photon Systems per individuare indizi precedentemente invisibili nella sua ricerca di segni di vita passata su Marte.

Anche se il team non si aspetta di trovare batteri su Marte, le sostanze organiche che esistono nella superficie vicina possono essere identificate utilizzando SHERLOC. Sulla terra, la stessa tecnologia può essere utilizzata per identificare i prodotti organici per una varietà di altri scopi.

I fotoni Deep-UV interagiscono fortemente con molti materiali, soprattutto quelli contenenti molecole organiche. Ciò si traduce in una maggiore sensibilità di rilevamento e una maggiore precisione rispetto alle sorgenti laser a infrarossi o addirittura a luce visibile.

La spettroscopia UV profonda è stata eseguita in laboratori di ricerca, ma Hug e Reid hanno inventato una costruzione molto più piccola, più semplice, e più economico da costruire rispetto a qualsiasi alternativa esistente. "I laser Deep-UV partono da $ 100, 000. Ecco perché non vengono utilizzati nell'industria, "Abbraccio ha detto, notando che gli strumenti di laboratorio che utilizzano la tecnologia potrebbero richiedere tre tavoli di laboratorio e richiedere un mese per l'installazione.

Una delle principali sfide è stata il livello di perfezione richiesto dalla tecnologia. Le stesse sensibilità che consentono a piccoli, lunghezze d'onda ad alta energia per rilevare anche un virus li rendono vulnerabili ai minimi difetti. Un'imperfezione microscopica in una lente o in un'altra superficie può disturbarli o disperderli, e Hug ha affermato che sono stati necessari progressi in più settori per soddisfare gli standard necessari.

Photon Systems si concentra su due tipi di spettroscopia in cui le sorgenti laser UV profonde offrono importanti vantaggi rispetto alla tecnologia spettrometrica di lunga data, e SHERLOC utilizzerà entrambi. La spettroscopia a fluorescenza osserva la luce che la maggior parte dei materiali organici e molti inorganici emettono quando eccitati da determinate lunghezze d'onda ultraviolette, proprio come un detersivo che brilla sotto una luce nera. Ognuno emette una distinta "impronta digitale" spettrale.

spettroscopia Raman, d'altra parte, osserva la luce che una molecola disperde, alcuni dei quali si sposteranno a lunghezze d'onda diverse a causa dell'interazione con le vibrazioni dei legami molecolari all'interno del campione. Questi cambiamenti nella lunghezza d'onda possono essere usati per identificare i materiali in un campione. I fotoni a più alta energia della luce UV suscitano un segnale di diffusione Raman molto più forte dalle molecole organiche rispetto alla luce a bassa frequenza. E poiché la luce UV profonda non è presente nella fluorescenza naturale o alla luce del sole, l'utilizzo di queste lunghezze d'onda molto corte elimina le fonti di interferenza.

Negli ultimi anni, l'azienda ha iniziato a sviluppare la tecnologia in prodotti, compresi sensori palmari e dispositivi che monitorano l'esposizione personale a contaminanti, così come le attrezzature di laboratorio. I loro mercati più grandi ora sono nel settore farmaceutico, trasformazione dei prodotti alimentari, e industrie di trattamento delle acque reflue, disse Abbraccio. Deep UV può identificare e misurare determinati composti a concentrazioni molto più basse rispetto a qualsiasi altro metodo, offrendo una precisione senza precedenti nel controllo della qualità, se misurare i principi attivi nei prodotti farmaceutici o garantire la pulizia di macchinari e strutture.

Nel trattamento delle acque reflue, la tecnologia può identificare e misurare i contaminanti, consentendo all'operatore di personalizzare il processo di trattamento e di risparmiare energia per l'infusione e l'aerazione dell'ozono. "Per un piccolo impianto di trattamento delle acque reflue, l'intero sistema si ripaga da solo in meno di un mese, "ha detto l'abbraccio.

Un'applicazione in cui i militari hanno investito sta identificando batteri e virus. Capire quali batteri sono presenti in una ferita, Per esempio, aiuterebbe a individuare l'antibiotico giusto per curarlo, piuttosto che usare antibiotici ad ampio spettro che rischiano di causare resistenza ai farmaci.

e rapido, la spettroscopia UV profonda a prezzi accessibili è promettente per la ricerca medica, dalla diagnostica all'identificazione delle proteine, peptidi, e altro materiale biologico.

"La NASA è stata una compagna costante nel nostro viaggio fino ad oggi, e il laser è solo una parte della storia, "ha detto Hug. "Sono anche gli strumenti Raman UV profondi e a fluorescenza che abbiamo costruito per la NASA e il Dipartimento della Difesa nel corso degli anni che ora stanno fornendo scoperte per l'industria farmaceutica, acque reflue, e la qualità dell'acqua in generale, e ora test clinici per i virus".

Su Marte, SHERLOC cercherà materiali organici e analizzerà i minerali che circondano ogni possibile segno di vita in modo che i ricercatori possano capire il loro contesto, disse Lutero Beegle, investigatore principale per SHERLOC al JPL. Ciò fornirà maggiori dettagli sulla storia di Marte e aiuterà anche a identificare i campioni per il ritorno sulla Terra. Lo strumento, che include anche una fotocamera in grado di eseguire immagini microscopiche, sarà in grado di mappare la composizione minerale e organica di una roccia in modo molto dettagliato, fornendo molti dati importanti.

"Faremo una misurazione nuovissima su Marte, " Beegle ha detto. "Questo è qualcosa che non è mai stato nemmeno tentato prima. Pensiamo che sposteremo davvero l'ago della scienza su Marte e troveremo ottimi campioni da riportare indietro".