Ingenieurs testen een robotprototype voor een ambitieus missieconcept in een wedstrijdzwembad: een team van onderwateronderzoekers die op zoek zijn naar tekenen van leven in een buitenaardse oceaanwereld. NASA's aanstaande missie naar Europa zal geavanceerde robots inzetten om leven in de ijskoude oceaan te detecteren. De robots, onderdeel van het SWIM-project, zijn uitvoerig getest op aarde en door middel van simulaties om met buitenaardse omstandigheden om te gaan.

In het Sensing Independent Microbot (SWIM)-concept (foto) zouden tientallen kleine robots door de ijskoude schil van de verre maan reizen om via een cryobot (foto links) de oceaan beneden te bereiken. Het project ontving financiering van NASA's Innovative Advanced Concepts Program. Bron: NASA/JPL-Caltech

Europa verkennen: de ambitieuze missie van NASA

Wanneer NASA's Europa Clipper in 2030 aankomt bij Jupiters maan Europa, zal het een krachtige reeks wetenschappelijke instrumenten gebruiken om 49 flyby's uit te voeren op zoek naar bewijs dat de oceaan onder de ijzige korst van Europa leven zou kunnen herbergen. Het ruimtevaartuig werd op 14 oktober gelanceerd en is uitgerust met de meest geavanceerde wetenschap en technologie die ooit naar het buitenste zonnestelsel is gestuurd. Maar zelfs nu het aan zijn missie begint, ontwerpen NASA-teams al de volgende generatie robotsondes om dieper in de verborgen oceanen van Europa en daarbuiten te verkennen om wetenschappelijke ontdekkingen te bevorderen.

Eén van de innovatieve concepten heet SWIM, wat staat voor ‘Swimmer Independent Microwave Sensing’. Het project voorziet in de inzet van een zwerm kleine, zelfrijdende robots, elk ongeveer zo groot als een mobiele telefoon. De robots worden door een ijssmeltende cryobot onder het oppervlak van de oceaan gestuurd. Eenmaal vrijgelaten, verspreidden ze zich om te verkennen, op zoek naar chemische en temperatuursignalen die zouden kunnen wijzen op de aanwezigheid van leven.

In deze illustratie wordt een NASA-ruimteverkenningsconcept met de naam Exploration of the Ice Moon Using Radioisotopes (PRIME) afgebeeld, dat vanuit een lander op het bevroren oppervlak van een oceaanwereld wordt ingezet. De nucleair aangedreven sonde, ook bekend als een cryobot, gloeit rood in de ondergrondse oceaan terwijl hij via een communicatiekabel is verbonden met een lander, kilometers hoog op de ijskorst. Wigvormige robots ter grootte van een mobiele telefoon - een ander concept genaamd Sensing With Independent Micro-Swimmers, of SWIM - reizen onder water en voeren wetenschappelijk onderzoek uit buiten de hitte van de detector. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

"Mensen vragen zich misschien af: waarom ontwikkelt NASA onderwaterrobots voor ruimteverkenning? Dat is omdat we naar leven willen zoeken in bepaalde delen van het zonnestelsel, en we denken dat leven water nodig heeft", zegt Ethan Schaler, SWIM-hoofdonderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "We hebben dus robots nodig die deze omgevingen honderden miljoenen kilometers van huis autonoom kunnen verkennen."

In ontwikkeling bij het Jet Propulsion Laboratory werd onlangs een reeks prototypen van het SWIM-concept getest in een wedstrijdzwembad van 23 meter bij Caltech in Pasadena. De testresultaten zijn bemoedigend.

Een prototyperobot die is ontworpen om de ondergrondse oceaan van een ijskoude maan te verkennen, wordt weerspiegeld in het water tijdens een zwembadtest bij Caltech in september. De test, uitgevoerd door het Jet Propulsion Laboratory van NASA, demonstreerde de haalbaarheid van het micro-zwemmende robotzwermmissieconcept. Bron afbeelding: NASA/JPL-CaltechSWIM-praktijk

De nieuwste versie van het SWIM-team is een 3D-geprint plastic prototype dat vertrouwt op goedkope commerciële motoren en elektronica. Aangedreven door twee propellers en vier kleppen, demonstreerde het prototype bestuurbare manoeuvreerbaarheid, het vermogen om koers te houden en te corrigeren, en een heen en weer gaande "grasmaaier" -verkenningsmodus. Dit alles gebeurt autonoom, zonder directe tussenkomst van het team. De robot kan zelfs 'J-P-L' spellen.

De robot werd voor de zekerheid aan een vislijn vastgemaakt en tijdens elke test draafde een ingenieur met een hengel langs het zwembad. In de buurt gebruikte een collega een laptop om de bewegingen van de robot en sensorgegevens te bekijken. Het team voltooide meer dan twintig ronden van verschillende prototypetests in een zwembad en twee watertanks bij JPL.

"Het is geweldig om een ​​robot helemaal opnieuw te bouwen en deze succesvol te zien werken in een omgeving", aldus Schaller. "Onderwaterrobots zijn over het algemeen erg moeilijk, en dit is pas de eerste in een reeks ontwerpen waaraan we werken ter voorbereiding op onze reizen naar de oceaanwereld. Maar dit bewijst dat we deze robots met de nodige capaciteiten kunnen bouwen en kunnen beginnen te begrijpen met welke uitdagingen ze worden geconfronteerd bij het uitvoeren van onderwatertaken."

Rechts staat een model van de uiteindelijke SWIM-robot, naast een capsule met daarin sensoren voor de samenstelling van de oceaan. De sensor werd in juli 2023 getest op een gletsjer in Alaska via een door JPL geleid project genaamd ORCAA (Ocean World Reconnaissance and Astrobiological Signature Simulation). Bron: NASA

Op weg naar autonome oceaanverkenning

Het wigvormige prototyperobot dat bij de meeste zwembadtests wordt gebruikt, is ongeveer 42 centimeter lang en weegt 2,3 kilogram. Zoals voorzien voor ruimtevluchten zou de robot ongeveer drie keer kleiner van formaat zijn - minuscuul vergeleken met bestaande op afstand bestuurbare en autonome onderwaterwetenschapsvoertuigen. Deze zwemrobots ter grootte van een handpalm zullen gebruik maken van geminiaturiseerde gespecialiseerde componenten en een nieuw draadloos akoestisch onderwatercommunicatiesysteem om gegevens te verzenden en de positionering te trianguleren.

Digitale versies van deze kleine robotjes zijn ook zelf op de proef gesteld, niet in zwembaden maar in computersimulaties. Een zwerm virtuele robots van 12 centimeter lang zocht herhaaldelijk naar potentiële tekenen van leven in een omgeving met dezelfde druk en zwaartekracht die je in Europa zou kunnen tegenkomen. Computersimulaties helpen bij het bepalen van de grenzen van het vermogen van een robot om wetenschappelijke gegevens te verzamelen in onbekende omgevingen en helpen bij het ontwikkelen van algoritmen waarmee zwermen robots efficiënter kunnen verkennen.

Een prototyperobot die is ontworpen om de ondergrondse oceaan van een ijskoude maan te verkennen, wordt weerspiegeld in het water tijdens een zwembadtest bij Caltech in september. De test, uitgevoerd door het Jet Propulsion Laboratory van NASA, demonstreerde de haalbaarheid van het micro-zwemmende robotzwermmissieconcept. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

De simulaties hebben het team ook geholpen beter te begrijpen hoe het wetenschappelijke rendement kan worden gemaximaliseerd, terwijl rekening wordt gehouden met de wisselwerking tussen de levensduur van de batterij (tot twee uur), het watervolume dat een zwemmer kan verkennen (ongeveer 3 miljoen kubieke voet of 86.000 kubieke meter) en het aantal robots in een enkele zwerm (een dozijn, verzonden in vier tot vijf golven).

Daarnaast heeft een team van Georgia Tech in Atlanta een oceaansamenstellingssensor gebouwd en getest waarmee elke robot tegelijkertijd temperatuur, druk, pH, geleidbaarheid en chemische samenstelling kan meten. Met een afmeting van slechts enkele vierkante millimeters is de chip de eerste die al deze sensoren in een klein pakketje integreert.

Natuurlijk zal zo’n geavanceerd concept nog enkele jaren werk vergen voordat het klaar is voor mogelijke toekomstige missies naar de IJsmaan. Schaler voorziet ondertussen de mogelijkheid dat SWIM-robots verder kunnen worden ontwikkeld voor wetenschappelijk werk thuis: het ondersteunen van oceanografisch onderzoek of het uitvoeren van kritische metingen onder poolijs.Illustratie van SWIM-detectie met behulp van een stand-alone micro-zwemrobot. Bron: Ethan Schaler

Meer informatie over SWIM

SWIM is een NASA-innovatieproject beheerd door Caltech's Jet Propulsion Laboratory (JPL) en gefinancierd door NASA's Innovative Advanced Concepts (NIAC) -programma. Het project voorziet een zwerm kleine autonome zwemrobots die de ondergrondse oceanen van ijzige manen zoals Europa verkennen, op zoek naar tekenen van leven. De robots ter grootte van een mobiele telefoon worden vervoerd door ijssmeltende cryobots en verspreiden zich om chemische en temperatuursignalen te detecteren die kunnen duiden op bewoonbaarheid of leven.

Ondersteund door Fase I en II-financiering van NASA's Space Technology Mission Directorate NIAC, maakt SWIM deel uit van een initiatief om geavanceerde technologieën te evalueren die toekomstige missies zouden kunnen transformeren. Onderzoekers van de Amerikaanse overheid, de industrie en de academische wereld worden aangemoedigd om voorstellen in te dienen voor het programma om de lucht- en ruimtevaart te bevorderen.

Samengesteld uit /ScitechDaily