L’antenna flessibile del radar SkyFall a penetrazione del suolo, sviluppato per la futura missione NASA basata su tre elicotteri marziani, ha superato al Jet Propulsion Laboratory (JPL) una campagna di test equivalente a 200 atterraggi su Marte senza perdita di prestazioni. Lo strumento è progettato per cercare depositi di ghiaccio nei primi metri del sottosuolo marziano, portando l’eredità tecnologica di Ingenuity dalla dimostrazione del volo alla prospezione scientifica a bassa quota.
Il risultato affronta uno dei problemi tecnici più complessi della missione: far operare un radar sufficientemente vicino al terreno senza compromettere la capacità dell’elicottero di atterrare e ripartire. L’antenna deve infatti estendersi sotto il velivolo durante il volo, deformarsi quando entra in contatto con il terreno e recuperare successivamente la geometria necessaria per acquisire i dati.
La tecnologia è funzionale a un obiettivo che va oltre la caratterizzazione geologica. Il ghiaccio accessibile in prossimità della superficie rappresenta una potenziale risorsa per la futura esplorazione umana di Marte: potrebbe fornire acqua ed essere utilizzato per ottenere ossigeno e propellenti. Sapere dove si trova e quanto è esteso significa quindi acquisire informazioni utili anche alla pianificazione di future attività sulla superficie.
Il radar SkyFall per osservare dove gli orbiter non arrivano
Le osservazioni dall’orbita consentono di mappare importanti depositi di ghiaccio a profondità dell’ordine delle decine di metri, ma presentano limiti nella caratterizzazione dei primi metri di regolite. È proprio questa fascia superficiale ad avere particolare interesse operativo, perché un eventuale deposito dovrebbe essere sufficientemente accessibile per poter essere sfruttato da equipaggi e sistemi robotici.
«L’unico modo per rilevare a distanza il ghiaccio superficiale è volare vicino al suolo», ha spiegato Adrian Tang, responsabile scientifico dello strumento radar a penetrazione del suolo SkyFall presso il JPL. «Volando a bassa quota e a bassa velocità, un elicottero SkyFall potrebbe acquisire immagini radar in grado di distinguere i sottili strati dove il terreno asciutto lascia il posto al ghiaccio, rilevandone la presenza e mappandone l’estensione».
Il radar lavorerà su una gamma ultra-ampia compresa tra 500 e 2.500 megahertz, corrispondente a lunghezze d’onda di circa 60-12 centimetri. Le frequenze sono state scelte per combinare due esigenze: le lunghezze d’onda maggiori possono penetrare per diversi metri, mentre quelle inferiori permettono di ottenere informazioni più dettagliate sugli strati prossimi alla superficie.
La missione impone però vincoli dimensionali particolarmente severi. Un’antenna tradizionale adatta a questa porzione dello spettro dovrebbe raggiungere circa 48,3 centimetri, mentre tra la superficie marziana e la parte inferiore della fusoliera dell’elicottero sono disponibili soltanto 15,2 centimetri circa.
La soluzione sviluppata dal team parte dall’antenna Vivaldi, una configurazione adatta a trasmettere e ricevere segnali su un ampio intervallo continuo di radiofrequenze e caratterizzata da una geometria piatta che può essere integrata in materiali flessibili metallizzati. Il sistema è stato ulteriormente miniaturizzato sfruttando le caratteristiche specifiche della missione: SkyFall deve investigare la regolite marziana a profondità inferiori a 5 metri, e questo ha consentito agli ingegneri di ridurre le dimensioni mantenendo la sensibilità richiesta.
Rimaneva, tuttavia, il problema meccanico. Anche dopo la miniaturizzazione, l’antenna risulta circa una volta e mezza più lunga delle gambe dell’elicottero. Deve quindi piegarsi durante l’atterraggio, sopportare eventuali contatti con rocce e tornare alla configurazione originaria dopo il decollo.
«Questo significa che durante l’atterraggio, il Vivaldi deve piegarsi per lasciare spazio all’impatto, e se atterra su una roccia, si piega ulteriormente», ha spiegato Christine Gebara, responsabile meccanica del radar a penetrazione del suolo di SkyFall presso il JPL. «Ma quando l’elicottero decolla di nuovo, l’antenna deve tornare nella sua posizione originale per la raccolta dei dati».
Per ottenere questa combinazione di flessibilità e resistenza, il prototipo è stato rivestito con tessuto di poliestere e strati di Vectran, materiale già impiegato nei sistemi di airbag utilizzati per l’atterraggio dei rover Spirit e Opportunity. Molle in nastro di fibra di vetro e una struttura leggera in magnesio contribuiscono a mantenere la forma durante il volo. L’intero sistema ha una massa di circa 150 grammi, un parametro significativo per una piattaforma aerea che deve operare nella rarefatta atmosfera marziana.
Duecento atterraggi simulati per verificare la resistenza dell’antenna
La campagna condotta al JPL ha avuto l’obiettivo di verificare che questa architettura non funzionasse soltanto in condizioni ideali, ma potesse conservare le proprie prestazioni dopo le sollecitazioni previste durante una missione su Marte.
Gli ingegneri hanno inizialmente piegato l’antenna per riprodurre una possibile configurazione successiva all’atterraggio. Il prototipo è stato quindi sottoposto a forti escursioni termiche per simulare il ciclo marziano giorno-notte, nel quale la variazione della temperatura può raggiungere 94 °C, e successivamente a ripetute flessioni equivalenti alle sollecitazioni generate dagli atterraggi.
La verifica non ha riguardato soltanto l’integrità strutturale. In sei momenti della campagna l’hardware è stato trasferito in una camera per test elettromagnetici, così da controllare che deformazioni e cicli termici non riducessero la capacità dell’antenna di trasmettere e ricevere i segnali radar. Durante queste prove il componente è stato anche capovolto, sottoponendo la struttura a una condizione più gravosa rispetto a quella determinata dalla gravità marziana.
Al termine dei test, l’antenna aveva sopportato l’equivalente di 200 atterraggi su Marte, più del doppio di quelli richiesti per completare con successo la missione principale, senza perdita di prestazioni.
«Questo test ha soddisfatto tutti i requisiti previsti e ha risposto ai nostri principali interrogativi tecnici», ha dichiarato Tang. Il responsabile scientifico ha tuttavia precisato che l’antenna non è ancora completamente qualificata per il volo.
Il lavoro entra ora in una nuova fase. Il team del radar sta realizzando un modello ingegneristico destinato a ulteriori verifiche, che comprenderanno test di vibrazione, prove in un ambiente marziano simulato, misurazioni del segnale e attività all’aperto nel Mars Yard del JPL.
SkyFall si inserisce nel percorso tecnologico aperto da Ingenuity, l’elicottero della missione Mars 2020 che ha effettuato 72 voli. Ingenuity ha dimostrato che il volo controllato e motorizzato è possibile nell’atmosfera di Marte e che una piattaforma aerea può fornire informazioni utili anche alle operazioni di superficie, contribuendo alla pianificazione dei percorsi di Perseverance e alla selezione delle aree di interesse scientifico.
Con SkyFall il concetto compie un passo ulteriore. I tre elicotteri, ciascuno previsto con quattro strumenti, non avrebbero soltanto il compito di osservare il terreno dall’alto: il radar consentirebbe loro di investigare ciò che si trova immediatamente sotto la superficie. La combinazione tra mobilità aerea, volo a bassa quota e prospezione radar potrebbe così coprire una fascia del sottosuolo difficile da caratterizzare attraverso le osservazioni orbitali.
Il calendario della missione offre ora anche un riferimento temporale al percorso di sviluppo: SkyFall è prevista al lancio alla fine del 2028 a bordo di Space Reactor-1 (SR-1) Freedom. Dopo la fase di crociera e un primo sorvolo di Marte nel 2029, l’arrivo degli elicotteri sulla superficie è previsto nell’autunno 2030.
Nel frattempo è iniziata anche la preparazione delle operazioni su Marte. Il 14 settembre 2026 la NASA ha annunciato il primo SkyFall Landing Site Workshop, in programma in modalità virtuale il 9 e 10 febbraio 2027. Sarà il primo di due incontri scientifici destinati a individuare possibili siti di atterraggio e aree di esplorazione che combinino valore scientifico e compatibilità con i vincoli ingegneristici della missione.
È questo il significato tecnologico della campagna condotta al JPL. I test non equivalgono ancora alla qualificazione al volo, ma hanno verificato uno degli elementi necessari per rendere praticabile una nuova funzione degli elicotteri marziani: portare strumenti di prospezione direttamente sopra le aree da investigare e raccogliere dati sul ghiaccio superficiale senza richiedere, nella fase di ricognizione, un contatto diretto con il sottosuolo.
Fonte dati: NASA – Jet Propulsion Laboratory
Michelangelo Moles laureato magistrale in Corporate Communication e Media è specializzato nei temi della space economy e della blue economy, con particolare attenzione agli aspetti legati all’innovazione, alla comunicazione strategica e alla divulgazione dei nuovi modelli economici connessi al mare e allo spazio.
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