Incluso cuando el rover Perseverance se acerca a Marte, la tecnología a bordo está dando sus frutos en la Tierra.

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

Esa no es la única tecnología que se dirige a Marte que ya está pagando dividendos sobre el terreno. Aquí en la tierra, Estas innovaciones también están mejorando la fabricación de placas de circuito e incluso han dado lugar a un diseño especial de brocas para geólogos.

Dando un descanso a los geólogos

Honeybee Robotics ha estado trabajando en misiones robóticas a Marte y otros cuerpos planetarios desde la década de 1990. incluyendo una serie de proyectos financiados por contratos de Investigación en Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. Una de las contribuciones clave que se derivan de ese trabajo ha sido la tecnología de recolección de muestras, incluyendo una broca para extracción de núcleos de roca. Media docena de bits de extracción de núcleos desarrollados a partir de investigaciones que comenzaron hace más de 20 años están ahora en el espacio por primera vez. listo para usar en la torreta del rover, o "mano, "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 perforado el núcleo, el tubo de ruptura gira con respecto a la broca, cambiando su eje central y rompiendo 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, reducir el riesgo de fragmentación.

Honeybee ha suministrado molinillos, primicias 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.

"Es la parte clave de la misión de devolución de muestras, "dijo Keith Rosette, que gestionó el sistema de almacenamiento en caché y muestreo del rover para JPL. "Realmente no puede recolectar una muestra en Marte si no tiene una broca que pueda recuperarla".

Si bien obtener una muestra de un vehículo de regreso a casa desde Marte planteará una serie de desafíos, 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 de la Tierra. Las brocas se pueden utilizar con un taladro estándar, hacer 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 empresas interesadas en usar los bits para la remediación de desastres nucleares donde es demasiado peligroso enviar investigadores humanos. Dijo Zacny. "Si hay tanques de concreto con fugas, por ejemplo, luego, 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 habría estado extremadamente orgulloso de que su invento marcó la diferencia en las misiones planetarias, "dijo Zacny.

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La recolección de muestras para regresar a la Tierra no es la primera vez que los ingenieros han planeado para Perseverance. Por primera vez, La NASA ha construido un sistema que podría enviar videos de alta calidad de la dramática secuencia de entrada y aterrizaje de un rover.

Mientras que el rover Curiosity envió una serie de imágenes comprimidas que mostraban la superficie marciana durante el descenso, La entrada de la perseverancia, descendencia, y el paquete de aterrizaje incluye seis cámaras de alta definición y un micrófono que tiene como objetivo capturar todo el drama de los "siete minutos de terror" entre el impacto en la atmósfera exterior y el aterrizaje. Además de observar la superficie del planeta, las cámaras están colocadas para ver cómo se despliegan los paracaídas y también para mirar hacia atrás en la etapa de descenso y hacia abajo en el rover mientras los dos se separan.

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 rápido, producción automatizada de placas de circuito impreso, incluso en pequeños lotes. 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 de qué lote de componentes proviene la pieza. Esta información hace que sea más fácil concentrarse en la causa de un problema y ver qué otros tableros podrían haberse visto afectados. 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 forma parte del procedimiento estándar de la empresa.

Una herramienta exclusiva de Tempo es lo que llama simulación de fabricación:software que traduce un modelo de diseño asistido por computadora (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. Debutó al año siguiente.

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

Si bien fue concebido para ayudar a los clientes a finalizar sus diseños, la empresa descubrió que también era útil internamente. El proceso de fabricación puede dar lugar a discrepancias entre el modelo CAD original y el producto final. Samala explicó. La simulación "sirve como fuente de verdad en la 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 la compañía a ingresar a varios 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 sean transmitidas desde Marte después del aterrizaje de Perseverance el 18 de febrero. 2021. "Esto está tan lejos de lo que solemos hacer que es muy emocionante, ", dijo." No puedo esperar a 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 mostró 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, pesado, y sensible a la interferencia ambiental, y tuvo muchos otros problemas.

William Hug y Ray Reid se propusieron desarrollar una miniatura, ligero, Fuente de láser de UV profundo resistente para espectroscopia en el 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 toda la vida conocida. Desde entonces, la Covina, La empresa con sede en California ha recibido varios SBIR de la NASA, principalmente con JPL, así como fondos de programas de la NASA destinados a desarrollar instrumentos para la ciencia planetaria y astrobiológica.

Ahora, la agencia espacial obtendrá los primeros grandes rendimientos de su larga inversión en la tecnología:Perseverance está equipada con el instrumento Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC), que utiliza un láser de Photon Systems para detectar pistas previamente invisibles en su búsqueda de signos de vida pasada en Marte.

Si bien el equipo no espera encontrar bacterias en Marte, Los orgánicos que existen en la superficie cercana se pueden identificar usando SHERLOC. En la tierra, la misma tecnología se puede usar para identificar orgánicos para una variedad de otros propósitos.

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 de láser infrarrojo o incluso de luz visible.

La espectroscopia ultravioleta profunda se ha realizado en laboratorios de investigación, pero Hug y Reid idearon una construcción mucho más pequeña, más simple y más barato de construir que cualquier alternativa existente. "Los láseres ultravioleta profundos comienzan en $ 100, 000. Por eso no se utilizan en la industria, "Hug dijo, observando 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 a los pequeños, Las longitudes de onda de alta energía para detectar incluso un virus los hacen vulnerables a los más mínimos defectos. Una imperfección microscópica en una lente u otra superficie puede alterarlos 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 de UV profundo brindan grandes ventajas sobre la tecnología de espectrómetro de larga data. y SHERLOC utilizará ambos. 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. como un detergente que brilla bajo una luz negra. Cada uno emite una "huella digital" espectral distinta.

Espectroscopía Raman, por otra parte, observa la luz que dispersa una molécula, algunos de los cuales cambiarán 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 en una muestra. Los fotones de mayor energía de la luz ultravioleta provocan una señal de dispersión Raman mucho más fuerte de las moléculas orgánicas que 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 años recientes, la empresa ha comenzado a desarrollar la tecnología en productos, incluyendo sensores y dispositivos portátiles que monitorean la exposición personal a contaminantes, así como equipo de laboratorio. Sus mayores mercados ahora son el farmacéutico, procesamiento de alimentos, e industrias de tratamiento de aguas residuales, dijo Hug. Deep UV 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, permitiendo que el operador adapte el proceso de tratamiento y ahorre 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 el ejército ha invertido es la identificación de bacterias y virus. Averiguar qué bacterias están presentes en una herida, por ejemplo, ayudaría a identificar el antibiótico adecuado para tratarlo, en lugar de usar antibióticos de amplio espectro que corren el riesgo de causar resistencia a los medicamentos.

Y rapido La espectroscopia ultravioleta profunda asequible es prometedora para la investigación médica, desde el diagnóstico hasta la identificación de proteínas, péptidos y otro material biológico.

"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, aguas residuales, y calidad del agua en general, y ahora 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 regresar 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 ".