La tecnología desarrollada para aterrizajes lunares hace que los vehículos autónomos sean más seguros en la Tierra.

La NASA está desarrollando una tecnología basada en láser diseñada para ayudar a las naves espaciales a aterrizar misiones en la Luna y Marte. La tecnología se someterá a pruebas en los próximos lanzamientos de cohetes suborbitales con Blue Origin en su cohete New Shepard y viajará a la Luna en varios módulos de aterrizaje comerciales como parte del programa Artemis. Al mismo tiempo, las empresas están utilizando la tecnología para ayudar a los vehículos autónomos a navegar por el tráfico de las horas punta en este planeta.

Los ingenieros de la NASA están diseñando un enfoque para gestionar de forma segura varios viajes a la Luna y Marte que podría incluir la entrega de toneladas de equipos científicos y de soporte vital antes de que se ejecuten las misiones tripuladas.

Ayuda a comparar el desafío propuesto con aterrizajes anteriores: el rover Curiosity, el aterrizaje en Marte más preciso de la NASA hasta la fecha, tenía un área de aterrizaje objetivo de 20 kilómetros de largo y 6,5 kilómetros de ancho. Las misiones futuras requerirán múltiples entregas de suministros, así como que los astronautas aterricen a unos pocos cientos de metros entre sí. Solo un aterrizaje de precisión y un sistema para evitar peligros pueden hacerlo posible.

Los futuros aterrizadores podrán utilizar un conjunto completo de tecnología, incluidos sensores, cámaras, algoritmos especializados de próxima generación y un ordenador de vuelo espacial de alto rendimiento que funcione en conjunto. La NASA organizó el desarrollo de estas capacidades bajo el proyecto de Aterrizaje Seguro y Preciso – Evolución de Capacidades Integradas, o SPLICE. El esfuerzo del desarrollo de esta tecnología está bajo el programa de Desarrollo de Cambio de Juego de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial. E incluso mientras SPLICE se prepara para su primer vuelo de prueba suborbital de asociación con Blue Origin, algunas de las tecnologías utilizadas en él y fomentadas en el camino se están expandiendo hacia el sector comercial.

Lidar es un sistema de detección similar al radar que utiliza ondas de luz en lugar de ondas de radio para detectar objetos, caracterizar su forma y calcular su distancia. SPLICE utiliza una nueva variación llamada navegación Doppler lidar, o NDL, que va aún más allá: detecta el movimiento y la velocidad de objetos distantes, así como el propio movimiento de la nave espacial en relación con el suelo (como velocidad, cabeceo, balanceo y altitud). .

El co-inventor del NDL Farzin Amzajerdian, quien es el investigador principal de la tecnología en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia, explicó que la frecuencia del láser del sistema es al menos tres órdenes de magnitud más alta que los radares.

El líder de electro-óptica, Aram Gragossian (izquierda) y el líder de integración, Jake Follman, configuran la electrónica dentro de una unidad de prueba de ingeniería NDL para pruebas de software remotas mientras se encuentran en un laboratorio en el centro del Centro de Investigación Langley de la NASA.
Créditos: NASA / David C. Bowman.

“Una frecuencia más alta se traduce en datos de mayor precisión y sensores potencialmente más eficientes y compactos”, dijo, y “la velocidad se obtiene utilizando el efecto Doppler”. Es decir, la frecuencia de la luz láser devuelta cambiará cuando rebote en el suelo a medida que se acerque la nave espacial. Entonces, una nave espacial tendrá datos precisos para verificar exactamente como de rápido se está moviendo hacia el suelo y en qué ángulo.

“Se espera que la navegación Doppler Lidar se convierta en un sensor estándar para la mayoría de los vehículos de aterrizaje de la NASA”, según Glenn Hines, ingeniero jefe de NDL. “Las unidades de demostración NDL se probarán en un vehículo suborbital a finales de este mes y en dos misiones de aterrizaje lunar el próximo año”.

Aplicaciones terrestres

Steve Sandford, ex director de ingeniería de Langley, también creía que la tecnología tenía valiosas aplicaciones terrestres. Apoyó el desarrollo del lidar Doppler durante su mandato en la NASA, viendo los resultados iniciales de primera mano. Después de jubilarse, formó Psionic LLC, con sede en Hampton, Virginia.

En 2016, la empresa obtuvo la licencia de la tecnología lidar Doppler de Langley. También celebró un Acuerdo de Ley Espacial con el centro para aprovechar las instalaciones y la experiencia de la NASA mientras desarrollaba su versión comercial de la tecnología para usos en este planeta y la maduraba para aplicaciones espaciales como los aterrizajes lunares.

Psionic está rediseñando el hardware, un esfuerzo dirigido por Diego Pierrottet, un co-inventor de lidar cuando trabajaba en la NASA y ahora ingeniero jefe en Psionic. Sandford dijo que el trabajo invertido por la NASA durante décadas hace posible que Psionic desarrolle un proceso de fabricación viable para ingresar al mercado.

Psionic tiene clientes de defensa que utilizan la tecnología adaptada para reducir el impacto en el aterrizaje de aviones, mejorar la seguridad del reabastecimiento de combustible en el aire y detectar drones, según Sanford. Las empresas espaciales están explorando aplicaciones de la tecnología en operaciones de encuentro y proximidad y aterrizajes de precisión en la Luna y Marte.

Y en la industria del automóvil, los clientes están desarrollando sistemas de conducción autónoma para automóviles que utilizarán la tecnología tanto para la navegación como para evitar colisiones.

“La alta resolución de Doppler lidar puede distinguir entre objetos que están a solo varios centímetros de distancia e incluso a una distancia de varios cientos de metros”, explicó Sandford.

Esto es importante cuando un peatón cruza una calle o un camión pasa frente a un edificio. Los algoritmos necesitan datos precisos para determinar cuál es el objeto (persona, edificio o camión) y si está en el camino del automóvil, evitando el error potencialmente fatal de no reducir la velocidad o detenerse a tiempo.

Además, una característica revolucionaria de este lidar es que solo ve la luz láser que genera, ignorando la luz láser transmitida desde otros lidar.

Visión de precisión
El lidar Doppler de Psionic fue probado recientemente en vuelo a través del programa Flight Opportunities de la NASA para ayudar a madurar una capacidad de aterrizaje de precisión para futuras misiones a la Luna.
Créditos: Lauren Hughes.

SPLICE es el producto de muchos años de desarrollo. En etapas anteriores, la NASA probó un tipo diferente de LIDAR de generador de imágenes 3D llamado LIDAR de flash de obturador global que también está encontrando uso para vehículos sin conductor.

A diferencia del flujo único de pulsos láser en el lidar tradicional, el lidar del flash del obturador global adquiere datos a través de una matriz de píxeles, utilizando un solo pulso láser para generar el mapa completo, dijo Amzajerdian. Esto permite resultados mucho más rápidos. “Puede tener decenas de miles de píxeles en una sola toma de láser”, explicó.

También reduce significativamente la carga informática, porque todos los datos se reciben en el mismo momento y en la misma ubicación física; no son necesarios cálculos de velocidad.

En 2014, la NASA demostró un aterrizaje autónomo utilizando la tecnología en un proyecto precursor de SPLICE.

Lidar de flash de obturador global fue inventado por Advanced Scientific Concepts Inc. (ASC), con sede en Santa Bárbara, California. Aunque ya había comenzado, varios años de financiación del programa de Investigación en Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) de la NASA y otros fondos del proyecto fueron fundamentales para su finalización.

“Durante todo este proceso estuvimos trabajando con ellos”, dijo Amzajerdian. “Cuando veíamos problemas o áreas que necesitaban mejoras, tratamos de comprenderlos y comunicarle a la empresa lo que vimos, y en ocasiones también sugerimos soluciones”.

Hoy, el flash lidar de ASC es un pionero espacial. La misión de retorno de muestras de asteroides Origen, interpretación espectral, identificación de recursos, explorador de regolitos de seguridad (OSIRIS-REx) de la NASA tiene una de las cámaras para ayudar a guiar la aproximación final a Bennu, su asteroide objetivo.

La tecnología de la cámara, una versión energéticamente eficiente reducida de su versión limitada al espacio, también ha sido comprada por un importante fabricante de piezas de automóviles, con miras a utilizarla en automóviles cada vez más autónomos.