Beneficios para todos como consecuencia de Perseverance.

Un sensor de luz láser que pueda identificar bacterias en una herida puede parecer descabellado, pero ya se está convirtiendo en una realidad, gracias en parte, al Programa de Exploración de Marte de la NASA. La tecnología que viaja a Marte por primera vez en Perseverance, que aterrizará en el Planeta Rojo en febrero, ya está detectando rastros de contaminantes en la fabricación de productos farmacéuticos, el tratamiento de aguas residuales y otras operaciones importantes en la Tierra.

Esa no es la única tecnología que se dirige a Marte que está beneficiando aspectos de la vida en nuestro planeta. Aquí en la Tierra, estas innovaciones también están mejorando la fabricación de placas de circuitos e incluso han conducido a un diseño especial de brocas para geólogos.

Créditos: NASA.
Dando un descanso a los geólogos

Honeybee Robotics ha estado trabajando en misiones robóticas a Marte y a otros cuerpos planetarios desde la década de 1990, incluidos varios proyectos financiados por contratos de Small Business Innovation Research (SBIR) del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en el sur de California. Una de las contribuciones clave de ese trabajo ha sido la tecnología de recolección de muestras, incluida una broca para extraer núcleos de roca. Media docena brocas para la extracción de núcleos se desarrollaron a partir de una investigación que comenzó hace más de 20 años y ahora están en el espacio por primera vez, listos para su uso en la torreta, o “mano” del rover, al final de su brazo robótico.

En la Tierra, después de perforar un núcleo con una broca hueca, un geólogo generalmente usa un destornillador u otra herramienta para romper la muestra y sacarla. Esto puede resultar en una muestra fragmentada o incluso contaminada. Un robot requería algo diferente.

Honeybee, con sede en Nueva York, ideó un tubo de ruptura anidado dentro de una broca. Una vez que se ha perforado el núcleo, el tubo de ruptura gira en relación con la broca, desplazando su eje central y arrancando el núcleo. A diferencia de otros métodos de ruptura, como pellizcar la base del núcleo, el tubo de ruptura aplica presión a lo largo de la muestra, lo que reduce el riesgo de fragmentación.

Honeybee ha suministrado molinillos, palas y otros sistemas de muestreo que volaron en misiones anteriores a Marte. Esta es la primera vez que la tecnología de brocas de la compañía va a Marte, porque es la primera vez que la NASA ha planeado una misión futura para traer muestras de la superficie marciana de regreso a la Tierra. Perseverance recogerá y empaquetará esas muestras.

Honeybee Robotics diseñó su perforadora de percusión rotatoria para recolectar muestras de rocas en Marte. La versión que está volando en el rover Perseverance tiene diferencias clave, pero comparten una tecnología novedosa para romper muestras de núcleos, que Honeybee ahora ha puesto a disposición de los geólogos en la Tierra.
Créditos: Honeybee Robotics.

“Es la parte clave de la misión de devolución de muestras”, dijo Keith Rosette, quien administró el sistema de muestreo y almacenamiento en caché del rover para JPL. “Realmente no puedes recolectar una muestra en Marte si no tienes una broca que pueda recuperarla”.

Traer un vehículo de regreso a casa con la muestra desde Marte planteará una serie de desafíos, pero permitirá a los investigadores realizar pruebas prácticamente ilimitadas con una amplia gama de instrumentos, dijo Rosette. “En lugar de intentar llevar todos esos instrumentos a Marte, es menos desafiante y aún más valioso traer muestras de regreso”.

Mientras tanto, Honeybee ha comercializado sus brocas de ruptura patentadas, en kits de herramientas de extracción de muestras para geólogos en la Tierra. Las brocas se pueden usar con un taladro estándar, lo que hace que la tecnología sea fácil y asequible, dijo Kris Zacny, vicepresidente y director de tecnología de exploración de Honeybee.

Honeybee también ha estado en conversaciones con compañías interesadas para solventar desastres nucleares donde es demasiado peligroso enviar investigadores humanos, dijo Zacny. “Si hay tanques que tienen fugas, por ejemplo, los robots pueden entrar y tomar muestras para verificar los niveles de radiación”.

La tecnología fue inventada por el difunto ingeniero jefe de Honeybee, Tom Myrick. “Tom se habría sentido extremadamente orgulloso de que su invento marque la diferencia en las misiones planetarias”, dijo Zacny.

Videos caseros desde Marte

Recolectar muestras para traer de vuelta a la Tierra no es la única novedad que han planificado los ingenieros para Perseverance. Por primera vez la NASA ha construido un sistema que puede enviar videos de alta calidad de la espectacular secuencia de entrada, descenso y aterrizaje de un rover.

Mientras que el rover Curiosity envió una serie de imágenes comprimidas que muestran la superficie marciana durante el descenso, entrada y aterrizaje, esta secuencia en Perseverance, incluye seis cámaras de alta definición y un micrófono que capturará todo el drama de los “siete minutos de terror”, desde golpear la atmósfera exterior hasta el aterrizaje. Además de observar la superficie del planeta, las cámaras están colocadas para ver cómo se despliegan los paracaídas, para mirar hacia atrás en la etapa de descenso y también hacia el rover mientras los dos se separan.

Lo que parece una foto de una placa de circuito es en realidad una simulación generada por ordenador basada en archivos de diseño asistidos por ordenador para una futura placa. Tempo Automation desarrolló esta capacidad de “simulación de fabricación” mientras trabajaba en una placa de circuito para el sistema de cámaras y un micrófono diseñado para registrar la entrada, el descenso y el aterrizaje atmosférico de Marte del rover Perseverance.
Créditos: Tempo Automation.

Los componentes de la cámara son modelos listos para usar, pero la placa de circuito que administra su interfaz y alimentación fue diseñada por JPL. Luego fue construido por Tempo Automation, con sede en San Francisco. Fundada en 2013, justo después de que la NASA anunciara la misión Mars 2020, Tempo utilizó el trabajo para mejorar sus procesos de fabricación.

Como sugiere su nombre, el enfoque de Tempo Automation es la producción rápida y automatizada de placas de circuito impreso, incluso en lotes pequeños. Un conjunto de herramientas que la empresa ofrece con ese fin es el proceso para hacer que cada componente sea “rastreable”, para realizar un seguimiento de quién lo tocó y qué se le hizo en cada punto del proceso de producción de la placa, así como qué pieza vino de qué lote de componentes. Esta información hace que sea más fácil concentrarse en la causa de un problema y ver qué otras juntas podrían haberse visto afectadas, dijo el cofundador de Tempo, Shashank Samala.

Para cumplir con los estrictos requisitos de documentación de JPL, Tempo agregó imágenes de rayos X, datos de limpieza iónica y datos de una inspección óptica automatizada para cada componente, todo lo cual ahora es parte del procedimiento estándar de la compañía.

Una herramienta exclusiva de Tempo es lo que llama simulación de fabricación: un software que traduce un modelo de diseño asistido por ordenador (CAD) en una representación fotorrealista de cómo se verá la placa final. Un equipo estaba creando el prototipo de la herramienta cuando comenzó el trabajo de JPL a principios de 2018, y ese trabajo les ayudó a completarlo, dijo Samala. Se debutó al año siguiente.

La simulación permite a los clientes verificar sus diseños en busca de problemas o fallos antes de que comience la producción, dijo. “Un simple error puede costar mucho dinero y tiempo”.

Si bien se concibió para ayudar a los clientes a finalizar sus diseños, la empresa descubrió que también era útil internamente. El proceso de fabricación puede chocar entre el modelo CAD original y el producto final, explicó Samala. La simulación “sirve como una fuente de realidad en la propia fábrica, para comunicar la intención del diseñador. Lo primero que miramos es la simulación “.

Dijo que entregar un producto que cumpliera con los estándares de la NASA ha ayudado a introducir a la compañía en otros sistemas espaciales, incluidos satélites y cohetes.

Mientras tanto, Chris Basset, quien diseñó la placa de circuito en JPL, espera el momento en que las imágenes de la cámara se transmitan desde Marte después del aterrizaje de Perseverance el 18 de febrero de 2021. “Esto está tan lejos de lo que solemos hacer que es super- emocionante ”, dijo. “Estoy deseando ver esas imágenes”.

Los láseres ultravioleta escanean en busca de pistas químicas

Otra tecnología cuyas raíces se remontan al Programa de Exploración de Marte de la NASA también está volando por primera vez en Perseverance y tiene muchas aplicaciones potenciales aquí en la Tierra.

Cuando dos colegas de toda la vida fundaron Photon Systems en 1997, la investigación sugirió una promesa increíble para los espectrómetros, dispositivos que usan luz para determinar la composición de una muestra, que operan en longitudes de onda ultravioleta profunda (UV). Estos tenían el potencial de identificar una bacteria o detectar incluso el más mínimo rastro químico. Pero las fuentes de luz en el rango de 220 a 250 nanómetros eran demasiado grandes, pesadas y sensibles a la interferencia ambiental, y tenían muchos otros problemas.

William Hug y Ray Reid se propusieron desarrollar una fuente láser ultravioleta profunda en miniatura, liviana y resistente para espectroscopía en este campo. Su primera inversión externa provino en 1998 de un par de contratos SBIR con JPL, que estaba interesado en un espectrómetro que pudiera detectar ácidos nucleicos y aminoácidos (materiales orgánicos que son fundamentales para la vida que conocemos). Desde entonces, la compañía con sede en Covina, California, ha recibido varios SBIR de la NASA, principalmente con JPL, así como fondos de los programas de la NASA destinados a desarrollar instrumentos para la ciencia planetaria y astrobiológica.

Ahora la agencia espacial obtendrá los primeros grandes beneficios de su larga inversión en esta tecnología: Perseverance está equipado con el instrumento de escaneo de entornos habitables con Raman, y luminiscencia para sustancias orgánicas y químicas (SHERLOC), que utiliza un láser de Photon Systems para detectar pistas (anteriormente indetectables) en su búsqueda de signos de vida pasada en Marte.

Los fotones de UV profundo interactúan fuertemente con muchos materiales, especialmente los que contienen moléculas orgánicas. Esto da como resultado una mayor sensibilidad de detección y una mayor precisión en comparación con fuentes láser infrarrojas o incluso de luz visible.

Más de 20 años de financiación de la NASA han ayudado a Photon Systems a reducir el costo de la espectroscopia ultravioleta profunda (UV) y reducirlo al tamaño de un ordenador portatil. Uno de los láseres ultravioleta de la compañía está volando a Marte por primera vez a bordo de Perseverance.
Créditos: Photon Systems.

La espectroscopia ultravioleta profunda se ha realizado en laboratorios de investigación, pero a Hug y Reid se les ocurrió una construcción que era mucho más pequeña, más simple y más barata de construir que cualquier alternativa existente. “Los láseres UV profundos cuestan a partir de 100.000 $. Por eso no se utilizan en la industria “, dijo Hug, y señaló que los instrumentos de laboratorio que utilizan la tecnología pueden ocupar tres mesas de laboratorio y tardar un mes en instalarse.

Un desafío importante ha sido el nivel de perfección que requiere la tecnología. Las mismas sensibilidades que permiten que las longitudes de onda diminutas de alta energía detecten incluso un virus, las hacen vulnerables a los más mínimos defectos. Una imperfección microscópica en una lente u otra superficie puede interrumpirlos o dispersarlos, y Hug dijo que se han realizado avances en múltiples industrias para cumplir con los estándares necesarios.

Photon Systems se enfoca en dos tipos de espectroscopía donde las fuentes de láser UV profundo brindan grandes ventajas sobre la tecnología de espectrómetro de larga data, y SHERLOC usará ambas. La espectroscopia de fluorescencia observa la luz que emiten la mayoría de los materiales orgánicos e inorgánicos cuando son excitados por ciertas longitudes de onda ultravioleta, al igual que un detergente que brilla bajo una luz negra. Cada uno emite una “huella digital” espectral distinta.

La espectroscopia Raman, por otro lado, observa la luz que dispersa una molécula, parte de la cual cambiará a diferentes longitudes de onda debido a la interacción con las vibraciones de los enlaces moleculares dentro de la muestra. Estos cambios en la longitud de onda se pueden utilizar para identificar los materiales de una muestra. Los fotones de mayor energía de la luz ultravioleta provocan una señal de dispersión Raman mucho más fuerte en las moléculas orgánicas, que en la luz de menor frecuencia. Y debido a que la luz ultravioleta profunda no está presente en la fluorescencia natural o en la luz solar, el uso de estas longitudes de onda muy cortas elimina las fuentes de interferencia.

En los últimos años, la compañía ha comenzado a desarrollar la tecnología en productos, incluidos sensores y dispositivos portátiles que monitorean la exposición personal a contaminantes, así como equipos de laboratorio. Sus mercados más grandes ahora son las industrias farmacéuticas, los de procesamiento de alimentos y los de tratamiento de aguas residuales, dijo Hug. La espectrometría violeta profunda puede identificar y medir ciertos compuestos en concentraciones mucho más bajas que cualquier otro método, ofreciendo una precisión sin precedentes en el control de calidad, ya sea midiendo los ingredientes activos en productos farmacéuticos o asegurando la limpieza de maquinaria e instalaciones.

En el tratamiento de aguas residuales, la tecnología puede identificar y medir contaminantes, lo que permite al operador adaptar el proceso de tratamiento y ahorrar energía para la infusión y aireación de ozono. “Para una pequeña planta de tratamiento de aguas residuales, todo el sistema se amortiza en menos de un mes”, dijo Hug.

Una aplicación en la que han invertido los militares es la identificación de bacterias y virus. Averiguar qué bacterias están presentes en una herida, por ejemplo, ayuda a identificar el antibiótico correcto para tratarla, en lugar de usar antibióticos de amplio espectro que corren el riesgo de causar resistencia a los medicamentos.

Y la espectroscopia ultravioleta profunda rápida y asequible es prometedora para la investigación médica, desde el diagnóstico hasta la identificación de proteínas, péptidos y otros materiales biológicos.

“La NASA ha sido un compañero constante en nuestro viaje hasta la fecha, y el láser es solo una parte de la historia”, dijo Hug. “También son los instrumentos de fluorescencia y Raman de UV profundo que construimos para la NASA y el Departamento de Defensa a lo largo de los años los que ahora están proporcionando avances para la industria farmacéutica, las aguas residuales y la calidad del agua en general, y ahora las pruebas clínicas de virus”.

En Marte, SHERLOC buscará materiales orgánicos y analizará los minerales que rodean cualquier posible signo de vida para que los investigadores puedan comprender su contexto, dijo Luther Beegle, investigador principal de SHERLOC en JPL. Esto proporcionará más detalles sobre la historia de Marte y también ayudará a identificar muestras para traer de vuelta a la Tierra. El instrumento, que también incluye una cámara capaz de obtener imágenes microscópicas, podrá mapear la composición mineral y orgánica de una roca con gran detalle, proporcionando una gran cantidad de datos importantes.

“Vamos a hacer una medición completamente nueva en Marte”, dijo Beegle. “Esto es algo que nunca antes se había intentado. Creemos que realmente vamos a mover la aguja en la ciencia de Marte y encontrar algunas muestras geniales para traer de vuelta “.

La NASA tiene una larga trayectoria en la transferencia de tecnología al sector privado. La publicación Spinoff de la agencia describe las tecnologías de la NASA que se han transformado en productos y servicios comerciales, lo que demuestra los beneficios más amplios de la inversión estadounidense en su programa espacial. Spinoff es una publicación del programa de Transferencia de Tecnología de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA.