De Ingenuity Mars-helikopter zou nooit zo lang meegaan. NASA-ingenieurs bouwden en testten het eerste zelfaangedreven vliegtuig dat op een andere planeet vloog om een eenvoudige vraag te beantwoorden: zou de helikopter überhaupt kunnen vliegen? Het doel was om vijf vluchten te maken in 30 Marsdagen of het vliegtuig te breken.
Maar meer dan 120 Marsdagen voorbij dat experimentvenster vliegt Ingenuity nog steeds en doet dingen die niemand ooit had verwacht. De helikopter, die op 19 april zijn eerste vlucht maakte, breekt zijn eigen records voor afstand en snelheid (SN: 19-04-21). Het helpt de Perseverance-rover bij het verkennen van de Jezero-krater, in de buurt van een oude rivierdelta die tekenen kan bevatten van vroeger leven op Mars (SN: 17-2-21). En Ingenuity kan omgaan met veranderende seizoenen en navigeren over ruw terrein, twee dingen waar de vlieger niet voor is ontworpen.
“Het is in een goede groef gekomen”, zegt Ingenuity’s oorspronkelijke hoofdingenieur Bob Balaram NASA’s Jet Propulsion Lab in Pasadena, Californië. “Het is in zijn element en heeft plezier.”
Dit is wat Ingenuity heeft gedaan op Mars.
De limieten testen
Vindingrijkheid vliegt verder, sneller en hoger dan tijdens de eerste paar vluchten. De helikopter heeft zichzelf maximaal 12 meter boven het oppervlak van Mars opgetild, met een snelheid van vijf meter per seconde (ongeveer half zo snel als de record-sprinter Florence Griffith-Joyner) en 625 meter (ongeveer een derde van de lengte van de Kentucky Derby) in een enkele vlucht. Deze uitersten geven ingenieurs waardevolle informatie over de grenzen van het vliegen op Mars.
“We proberen nog steeds lessen te trekken”, zegt JPL-robotica-ingenieur Teddy Tzanetos, een teamleider voor de Ingenuity-missie. “Vlucht na vlucht leren we de grenzen van prestaties.”
Al vroeg testte Ingenuity zijn limieten op een manier die het vliegteam niet echt had gepland. Tijdens zijn zesde vlucht op 22 mei kreeg het navigatiesysteem van de helikopter een storing waardoor het alarmerend rolde en slingerde.
De navigatiesoftware van de helikopter houdt de positie van het vaartuig bij door een afbeelding te maken, de tijdstempel op die afbeelding te lezen en te voorspellen wat de camera vervolgens zou moeten zien op basis van oriëntatiepunten van eerdere foto’s die Ingenuity nam. Als het volgende beeld niet overeenkomt met die voorspelling, corrigeert de software de positie en snelheid van de helikopter om beter overeen te komen.
Minder dan een minuut na de vlucht van 22 mei ging een enkel beeld verloren op weg van de camera’s van Ingenuity naar de boordcomputer. Dat betekende dat de tijdstempels op alle volgende afbeeldingen een beetje verkeerd waren. Bij het corrigeren van wat het als fouten beschouwde, ging Ingenuity ‘op een wilde joyride’, zegt Balaram.
Gelukkig landde de helikopter veilig binnen vijf meter van de beoogde landingsplaats. De anomalie was een verhulde zegen, zegt Balaram. Het bracht de helikopter door extreme bewegingen – “hoe agressief je de joystick kunt bewegen, als je wilt” – die de ingenieurs hem niet expres zouden hebben gevraagd, en het is prima gelukt, zegt hij.
“Het is een toevalstreffer dat we die vliegervaring onder onze riem hebben gekregen”, zegt Balaram. “We hebben veel meer vertrouwen in het voertuig.”
Wetenschap doen
Oorspronkelijk wilde het helikopterteam het voertuig duwen tot het kapot ging. Maar nu vliegen de onderzoekers voorzichtiger en minder vaak. Dat komt omdat de helikopter momenteel de Perseverance rover ondersteunt bij het doen van wetenschap (SN: 4/30/21).
“We zijn niet langer in de maand van vindingrijkheid”, zegt Tzanetos. “We zijn een klein onderdeel van een veel groter team.”
De helikopter heeft zijn waarde al bewezen door de rover te vertellen waar hij niet heen moet. Ingenuity’s negende vlucht, op 5 juli, nam de helikopter over een duingebied genaamd South Séítah, waar de rover moeilijk veilig doorheen zou kunnen rijden. Vervolgens fotografeerde Ingenuity enkele rotspartijen en verhoogde richels in Zuid-Séítah die er interessant uitzagen op foto’s genomen vanuit een in een baan om de aarde draaiend ruimtevaartuig. Wetenschappers dachten dat die richels enkele van de diepste wateromgevingen in het meer konden registreren dat lang geleden de krater vulde.
Op 3D-beelden vanuit de helikopter bleek dat die richels niet de lagen vertoonden die zouden hebben aangegeven dat de rotsen zich in diep water hebben gevormd. Het rover-team besloot verder te gaan, waardoor Perseverance een lange, zware en potentieel gevaarlijke rit werd bespaard.
“Ze hoefden de rover niet helemaal naar dit specifieke doelwit te sturen, en dan te beseffen dat dit misschien niet de hoogste prioriteit heeft”, zegt Balaram.
Scouting voor de rover heeft Ingenuity ook over terreinen gebracht waarvoor de helikopter niet was ontworpen om te begrijpen. De navigatiesoftware van Ingenuity was geprogrammeerd om aan te nemen dat de grond eronder altijd vlak is, omdat dat het type terrein was dat werd geselecteerd voor die experimentele eerste maand van vliegdemonstraties.
“Het was een volkomen redelijke vereenvoudiging voor een technologiedemonstratie”, zegt Balaram. “Maar het was ingebakken. En nu zit je met een systeem met een aanname van vlakke grond.”
Wanneer de helikopter over een hellend oppervlak vliegt, lijken sommige kenmerken sneller te bewegen dan wanneer de grond vlak zou zijn, waardoor de helikopter een verkeerd beeld krijgt van zijn beweging. “De navigatie aan boord heeft geen manier om het uit te leggen, behalve dat ik denk dat ik misschien een beetje draai of draai”, zegt Balaram. De helikopter belandt opzij.
Het team heeft een aantal work-arounds bedacht, zoals het kiezen van landingszones die groot genoeg zijn zodat een nauwkeurige landing niet nodig is en het vertragen bij het vliegen over ruw terrein.
Omgaan met seizoenen
De lucht op Mars is notoir dun (SN: 7/14/20). Maar sinds half september wordt de atmosfeer in de Jezero-krater nog dunner. Terwijl dat deel van Mars van de lente naar de zomer verschuift, is de luchtdichtheid gedaald van ongeveer 1,5 procent van de aarde op zeeniveau tot ongeveer 1 procent.
Dat klinkt niet als een groot verschil, maar het is genoeg dat Ingenuity zijn rotorbladen sneller heeft moeten laten draaien om in de lucht te blijven. In oktober verhoogde de helikopter zijn rotorsnelheid tot 2.700 omwentelingen per minuut, vergeleken met een eerder maximum van 2.537 tpm.
Met die hogere draaisnelheid kan de helikopter slechts 130 seconden per keer vliegen in plaats van de 170 seconden die het voorheen lukte, zonder het risico te lopen dat de motoren oververhit raken.
Dat zou prima zijn als de helikopter gewoon in één gebied rond de rover zou blijven hangen, zegt Tzanetos. Maar de volgende taak van het Mars-duo is een race naar de lang droge rivierdelta aan de monding van de Jezero-krater. Het Perseverance-team hoopt elke dag op Mars honderden meters af te leggen. De verste Ingenuity heeft in een dag afgelegd is 625 meter, en dat was met de lagere centrifugeersnelheid.
“Het zal een uitdaging zijn om bij te blijven”, zegt Tzanetos.
Er is echter geen technische reden waarom Ingenuity het niet haalt, zegt Balaram. “Het is zeker mogelijk dat het op een dag gewoon niet meer wakker wordt. Of een landing mislukt en we horen er nooit meer iets van omdat hij omvalt”, geeft hij toe. “Dat zijn dobbelstenen, daar is niets onvermijdelijks aan. Als dat niet het geval is, zou het maandenlang moeten blijven werken.”
Inspirerende toekomstige flyers
Ondertussen dromen ingenieurs al van het volgende Martiaanse vliegtuig.
“Vernuft is erg spannend, we zijn veel terrein aan het doorbreken”, zegt Tzanetos. “Het hele punt is om dat fundament te zijn. Het belangrijkste is wat er daarna komt.”
De huidige blauwdrukken omvatten een opgeschaalde versie van Ingenuity die meer apparatuur zou kunnen dragen en alleen of met een rover zou kunnen werken, en een grote hexacopter, met zes rotors rond een centrale ring. Zo’n vaartuig zou sneller meer terrein kunnen bestrijken dan een rover, en reisafstanden af die in slechts een paar maanden tijd meerdere jaren in beslag kunnen nemen.
EEN wit papier voorgelegd aan de 2023-2032 planetaire wetenschap en astrobiologie decadale enquête – een eens per decennium evaluatie van de doelen en prioriteiten van de velden – suggereert verschillende mogelijke missies voor een Mars Science Helicopter. In één daarvan kon het vaartuig monsters nemen van kleimineralen op een locatie als Mawrth Vallis, een kanaal waarvan wordt gedacht dat het is uitgesleten door een lang geleden overstroming.
Mawrth was een finalist voor de laatste twee landingsplaatsen van de Marsrover en is een kanshebber voor de Rosalind Franklin-rover van de European Space Agency, die in 2022 zal worden gelanceerd. Clays kan organisch materiaal op aarde behouden, dus een missie naar Mawrth zou kunnen zoeken naar tekenen van leven .
Een helikopter kan ook kraters verkennen met waterijsafzettingen met hellingen die te steil zijn voor roverwielen. En door metingen op verschillende hoogten te doen, zou de helikopter kunnen helpen erachter te komen hoe de atmosfeer gassen uitwisselt met de grond, wat zou kunnen helpen bij het oplossen van het mysterie van wanneer en hoe Mars zijn vloeibare water verloor (SN: 11/12/20). Of een helikopter kan het magnetische veld van grote delen van het oppervlak van Mars in kaart brengen en onthullen wanneer en hoe de Rode Planeet zijn gesmolten kern verloor (SN: 2/24/20).
En telkens wanneer astronauten in de buurt komen om Mars te bezoeken, “kan het handig zijn om vloten van drones door de lucht te laten vliegen, ladingen te dragen of vooruit te scouten”, zegt Tzanetos. “Dat is de opwindende toekomst waar ik naar uitkijk.”
