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    NASAs Perseverance vale a pena voltar para casa

    A NASA explora Marte desde 1960, empurrando a fronteira da inovação para chegar ao planeta vermelho e descobrir seus segredos. Esta nova tecnologia também encontrou frequentemente outros usos aqui na Terra. Crédito:NASA

    Mesmo quando o rover Perseverance se aproxima de Marte, a tecnologia a bordo está valendo a pena na Terra.

    Um sensor de luz laser que pode identificar bactérias em uma ferida pode parecer rebuscado, mas já está se tornando uma realidade, graças em parte ao Programa de Exploração de Marte da NASA. A tecnologia está indo para Marte pela primeira vez no Perseverance, que pousará no Planeta Vermelho este mês, mas já está detectando traços de contaminantes na fabricação de produtos farmacêuticos, tratamento de água poluída, e outras operações importantes na Terra.

    Essa não é a única tecnologia dirigida a Marte que já está rendendo dividendos. Aqui na Terra, essas inovações também estão melhorando a fabricação de placas de circuito e até mesmo levaram a um projeto de broca especial para geólogos.

    Dando uma pausa aos geólogos

    A Honeybee Robotics tem trabalhado em missões robóticas a Marte e outros corpos planetários desde a década de 1990, incluindo uma série de projetos financiados por contratos de Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas (SBIR) do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia. Uma das principais contribuições desse trabalho foi a tecnologia de coleta de amostras, incluindo uma broca para extrair núcleos de rocha. Meia dúzia de brocas de testemunhagem desenvolvidas a partir de pesquisas que começaram há mais de 20 anos estão agora no espaço pela primeira vez, pronto para uso na torre do rover, ou "mão, "no final de seu braço robótico.

    Na terra, depois de perfurar um núcleo com uma broca oca, um geólogo geralmente usa uma chave de fenda ou outra ferramenta para quebrar a amostra e retirá-la. Isso pode resultar em uma amostra fragmentada ou mesmo contaminada. Um robô precisava de algo diferente.

    A Honeybee, sediada em Nova York, criou um tubo de ruptura aninhado dentro de uma broca de núcleo. Depois que o núcleo foi perfurado, o tubo de interrupção gira em relação à broca, deslocando seu eixo central e removendo o núcleo. Ao contrário de outros métodos de interrupção, como beliscar a base do núcleo, o tubo de ruptura aplica pressão ao longo do comprimento da amostra, reduzindo o risco de fragmentação.

    Honeybee forneceu moedores, colheres, e outros sistemas de amostragem que voaram em missões anteriores a Marte. Esta é a primeira vez que a tecnologia de broca de núcleo da empresa vai para Marte, porque é a primeira vez que a NASA planeja uma missão futura para trazer amostras da superfície marciana de volta à Terra. A Perseverance coletará e embalará essas amostras.

    "É a parte principal da missão de devolução de amostra, "disse Keith Rosette, que gerenciou o sistema de amostragem e armazenamento em cache do rover para o JPL. "Você realmente não pode coletar uma amostra em Marte se não tiver uma broca que possa recuperá-la."

    A Honeybee Robotics projetou sua perfuratriz percussiva rotativa para coletar amostras de rochas em Marte. A versão que está voando no rover Perseverance tem diferenças importantes, mas eles compartilham uma nova tecnologia para separar amostras de núcleo, que Honeybee agora disponibilizou para geólogos na Terra. Crédito:Honeybee Robotics

    Embora obter uma amostra de veículo de retorno de Marte para casa representará uma série de desafios, permitirá que os pesquisadores façam testes virtualmente ilimitados com uma ampla gama de instrumentos, Rosette disse. "Em vez de tentar trazer todos esses instrumentos para Marte, é menos desafiador e ainda mais valioso trazer amostras de volta. "

    Enquanto isso, A Honeybee comercializou suas brocas de ruptura patenteadas em kits de ferramentas de testemunhagem para geólogos na Terra. As brocas podem ser usadas com uma broca padrão, tornando a tecnologia fácil e acessível, disse Kris Zacny, Honeybee vice-presidente e diretor de tecnologia de exploração.

    Honeybee também está em negociações com empresas interessadas em usar os bits para remediação de desastres nucleares, onde é muito perigoso enviar investigadores humanos, Zacny disse. “Se houver tanques de concreto vazando, por exemplo, então, os robôs podem entrar e coletar amostras para verificar os níveis de radiação. "

    A tecnologia foi inventada pelo falecido engenheiro-chefe da abelha, Tom Myrick. "Tom ficaria extremamente orgulhoso de que sua invenção fez a diferença nas missões planetárias, "disse Zacny.

    Vídeos caseiros de Marte

    Coletar amostras para retornar à Terra não é a única coisa que os engenheiros planejaram para o Perseverance. Pela primeira vez, A NASA construiu um sistema que pode enviar vídeo de alta qualidade da dramática sequência de entrada e aterrissagem de um rover.

    Enquanto o rover Curiosity enviava de volta uma série de imagens compactadas mostrando a superfície marciana durante a descida, Entrada do Perseverance, descida, e o pacote de pouso inclui seis câmeras de alta definição e um microfone que visa capturar todo o drama dos "sete minutos de terror" entre atingir a atmosfera externa e tocar o solo. Além de observar a superfície do planeta, as câmeras são posicionadas para observar o desdobramento dos pára-quedas e também para olhar para trás, para o estágio de descida e para baixo, para o rover como os dois separados.

    Os componentes da câmera são modelos de prateleira, mas a placa de circuito que gerencia sua interface e alimentação foi projetada pelo JPL. Foi então construído pela Tempo Automation, sediada em São Francisco. Fundada em 2013, logo após a NASA anunciar a missão Marte 2020, A Tempo usou o trabalho para melhorar seus processos de fabricação.

    Como o nome sugere, O foco da Tempo Automation é rápido, produção automatizada de placas de circuito impresso, mesmo em pequenos lotes. Um conjunto de ferramentas que a empresa oferece para esse fim é o processo de tornar cada componente "rastreável, "para manter o controle de quem tocou e o que foi feito em cada ponto do processo de produção da placa, bem como de qual lote de componentes a peça veio. Esta informação torna mais fácil localizar a causa de um problema e ver quais outras placas podem ter sido afetadas, disse o cofundador da Tempo, Shashank Samala.

    Mesmo quando o rover Perseverance da NASA se aproxima de Marte, a tecnologia a bordo está valendo a pena na Terra. Crédito:Spinoff da NASA

    Para atender aos rigorosos requisitos de documentação do JPL, Tempo adicionou imagens de raios-X, dados de limpeza iônica, e dados de uma inspeção óptica automatizada para cada componente, tudo isso agora faz parte do procedimento padrão da empresa.

    Uma ferramenta exclusiva da Tempo é o que ela chama de simulação de fabricação - um software que traduz um modelo de projeto auxiliado por computador (CAD) em uma representação fotorrealística de como será a aparência da placa final. Uma equipe estava fazendo o protótipo da ferramenta quando o trabalho do JPL começou no início de 2018, e esse trabalho os ajudou a concluí-lo, disse Samala. Ele estreou no ano seguinte.

    A simulação permite que os clientes verifiquem seus projetos em busca de quaisquer problemas ou falhas antes do início da produção, ele disse. "Um simples erro pode custar muito tempo e dinheiro."

    Embora tenha sido concebido para ajudar os clientes a finalizar seus projetos, a empresa descobriu que também era útil internamente. O processo de fabricação pode resultar em discrepâncias entre o modelo CAD original e o produto final, Samala explicou. A simulação "serve como uma fonte de verdade no chão de fábrica, para comunicar a intenção do designer. A primeira coisa que olhamos é a simulação. "

    Ele disse que entregar um produto que atendeu aos padrões da NASA ajudou a empresa a entrar em vários outros sistemas espaciais, incluindo satélites e foguetes.

    Enquanto isso, Chris Basset, que projetou a placa de circuito no JPL, aguarda ansiosamente o momento em que a filmagem da câmera será transmitida de Marte após a aterrissagem do Perseverance em 18 de fevereiro, 2021. "Isso está tão fora do que costumamos fazer que é superestimulante, "disse ele." Mal posso esperar para ver essas imagens. "

    Lasers ultravioleta procuram pistas químicas

    Outra tecnologia cujas raízes remontam ao Programa de Exploração de Marte da NASA também está voando pela primeira vez no Perseverance e tem muitas aplicações potenciais aqui na Terra.

    Quando dois colegas de longa data fundaram a Photon Systems em 1997, a pesquisa mostrou uma promessa incrível para espectrômetros - dispositivos que usam luz para determinar a composição de uma amostra - operando em comprimentos de onda ultravioleta profundo (UV). Eles tinham o potencial de identificar uma bactéria ou detectar até mesmo os menores traços químicos. Mas as fontes de luz na faixa de 220 a 250 nanômetros eram muito grandes, pesado, e sensível a interferências ambientais, e teve muitos outros problemas.

    Mais de 20 anos de financiamento da NASA ajudaram a Photon Systems a reduzir o custo da espectroscopia ultravioleta profunda (UV) e reduzi-la a um tamanho de mão. Um dos lasers ultravioleta da empresa está voando para Marte pela primeira vez a bordo do Perseverance. Crédito:Photon Systems

    William Hug e Ray Reid começaram a desenvolver uma miniatura, leve, fonte robusta de laser UV profundo para espectroscopia em campo. Seu primeiro investimento externo veio em 1998 de um par de contratos SBIR com JPL, que estava interessado em um espectrômetro que pudesse detectar aminoácidos e nucleicos, materiais orgânicos que são fundamentais para todas as formas de vida conhecidas. Desde então, o Covina, A empresa sediada na Califórnia recebeu uma série de SBIRs da NASA, principalmente com JPL, bem como financiamento de programas da NASA voltados para o desenvolvimento de instrumentos para a ciência planetária e astrobiologia.

    Agora a agência espacial obterá o primeiro grande retorno de seu longo investimento em tecnologia:o Perseverance está equipado com o instrumento Scanning Habitable Environments with Raman e Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), que usa um laser de Sistemas de fótons para localizar pistas anteriormente invisíveis em sua busca por sinais de vida passada em Marte.

    Embora a equipe não espere encontrar bactérias em Marte, orgânicos que existem na superfície próxima podem ser identificados usando SHERLOC. Na terra, a mesma tecnologia pode ser usada para identificar produtos orgânicos para uma variedade de outros fins.

    Fótons UV profundos interagem fortemente com muitos materiais, especialmente aqueles que contêm moléculas orgânicas. Isso resulta em maior sensibilidade de detecção e maior precisão em comparação com fontes de laser infravermelho ou mesmo de luz visível.

    A espectroscopia de UV profundo foi feita em laboratórios de pesquisa, mas Hug e Reid criaram uma construção muito menor, mais simples, e mais barato de construir do que qualquer alternativa existente. "Os lasers ultravioleta começam em US $ 100, 000. É por isso que eles não são usados ​​na indústria, "Abraço disse, observando que os instrumentos de laboratório que usam a tecnologia podem ocupar três mesas de laboratório e levar um mês para configurar.

    Um grande desafio é o nível de perfeição que a tecnologia exige. As mesmas sensibilidades que permitem aos minúsculos, comprimentos de onda de alta energia para detectar até mesmo um vírus os tornam vulneráveis ​​aos menores defeitos. Uma imperfeição microscópica em uma lente ou outra superfície pode perturbá-los ou espalhá-los, e Hug disse que foram necessários avanços em vários setores para atender aos padrões necessários.

    A Photon Systems se concentra em dois tipos de espectroscopia, onde as fontes de laser de UV profundo oferecem grandes vantagens sobre a tecnologia de espectrômetro de longa data, e SHERLOC usará ambos. A espectroscopia de fluorescência observa a luz que a maioria dos materiais orgânicos e inorgânicos emitem quando excitados por certos comprimentos de onda ultravioleta, assim como o detergente brilhando sob uma luz negra. Cada um emite uma "impressão digital" espectral distinta.

    Espectroscopia Raman, por outro lado, observa a luz que uma molécula espalha, alguns dos quais mudarão para diferentes comprimentos de onda devido à interação com vibrações de ligação molecular dentro da amostra. Essas mudanças no comprimento de onda podem ser usadas para identificar os materiais em uma amostra. Os fótons de alta energia da luz ultravioleta eliciam um sinal de espalhamento Raman muito mais forte das moléculas orgânicas do que a luz de baixa frequência. E porque a luz ultravioleta profunda não está presente na fluorescência natural ou na luz solar, o uso desses comprimentos de onda muito curtos elimina as fontes de interferência.

    Nos últimos anos, a empresa começou a desenvolver a tecnologia em produtos, incluindo sensores portáteis e dispositivos que monitoram a exposição pessoal a contaminantes, bem como equipamentos de laboratório. Seus maiores mercados agora são farmacêuticos, processamento de comida, e indústrias de tratamento de águas residuais, disse o Abraço. Deep UV pode identificar e medir certos compostos em concentrações muito mais baixas do que qualquer outro método, oferecendo precisão sem precedentes no controle de qualidade, seja medindo os ingredientes ativos em produtos farmacêuticos ou garantindo a limpeza de máquinas e instalações.

    O que parece uma foto de uma placa de circuito impresso é, na verdade, uma simulação gerada por computador baseada em arquivos de design auxiliados por computador para uma futura placa. Tempo Automation desenvolveu esta capacidade de "simulação de fabricação" enquanto trabalhava em uma placa de circuito para o sistema de câmeras e um microfone projetado para registrar a entrada atmosférica de Marte do rover Perseverance, descida e aterrissagem. Crédito:Tempo Automation

    No tratamento de águas residuais, a tecnologia pode identificar e medir contaminantes, permitindo que o operador adapte o processo de tratamento e economize energia para infusão e aeração de ozônio. “Para uma pequena estação de tratamento de águas residuais, todo o sistema se paga em menos de um mês, "Disse Hug.

    Uma aplicação em que os militares investiram é a identificação de bactérias e vírus. Descobrir quais bactérias estão presentes em uma ferida, por exemplo, ajudaria a identificar o antibiótico certo para tratá-lo, em vez de usar antibióticos de amplo espectro que podem causar resistência aos medicamentos.

    E rapido, a espectroscopia ultravioleta acessível é uma promessa para a pesquisa médica, desde o diagnóstico até a identificação de proteínas, peptídeos, e outro material biológico.

    "A NASA tem sido uma companhia constante em nossa jornada até hoje, e o laser é apenas parte da história, "disse Hug." São também os instrumentos ultravioleta Raman e fluorescência que construímos para a NASA e o Departamento de Defesa ao longo dos anos que agora estão proporcionando avanços para a indústria farmacêutica, águas residuais, e qualidade da água em geral, e agora testes clínicos para vírus. "

    Em Marte, SHERLOC irá procurar por materiais orgânicos e analisar os minerais que cercam quaisquer possíveis sinais de vida para que os pesquisadores possam entender seu contexto, disse Luther Beegle, investigador principal do SHERLOC no JPL. Isso fornecerá mais detalhes sobre a história de Marte e também ajudará a identificar amostras para retorno à Terra. O instrumento, que também inclui uma câmera capaz de imagens microscópicas, será capaz de mapear a composição mineral e orgânica de uma rocha em detalhes, fornecendo muitos dados importantes.

    "Faremos uma medição totalmente nova em Marte, - disse Beegle. - Isso é algo que nunca foi tentado antes. Achamos que realmente vamos mexer com a ciência de Marte e encontrar algumas ótimas amostras para trazer de volta. "


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