Si Curiosity tuviera luces, ¿podría conducir o trabajar por la noche?

Si el rover Curiosity de Marte hubiera estado equipado con luces, ¿podría conducir o hacer otro trabajo por la noche? Esto podría ser una combinación de faros LED, luces de ruedas y/o un foco en el brazo robótico móvil,

Dado que las posibilidades de que un ciervo cruce frente al rover son bastante remotas y, en general, las rocas se quedan quietas (¡aunque hay excepciones notables , vea más abajo), solo tendrían que parpadear tal vez una vez por segundo o incluso menos la mayor parte del tiempo! tiempo. Las luces LED más eficientes están moduladas por ancho de pulso de todos modos, y existen unidades de flash LED para cámaras, por lo que esto no representaría necesariamente un gran consumo de energía.

Ya hay dos fuentes de calor disponibles a bordo del Curiosity para mantener potencialmente las cosas dentro de las temperaturas operativas: los fluidos circulantes calentados indirectamente por la radiación infrarroja térmica del MMRTG y los calentadores eléctricos alimentados directamente por la salida eléctrica del MMRTG. Y, por supuesto, la presencia del MMRTG significa que Curiosity (a diferencia de los diseños anteriores del rover de Marte) no depende de la luz del día para obtener energía eléctrica. Aunque no sé si estos son suficientes para habilitar las operaciones nocturnas. Estoy pensando que hay calor residual en la nave espacial y la superficie marciana por la noche (a diferencia de la mañana)

No estoy sugiriendo que esta sea una buena idea para la misión Curiosity, esto agregaría complejidad, peso y riesgo con beneficios marginales. Sin embargo, me parece que esto podría hacerse, aunque puede haber factores que no he considerado. Habrá futuras misiones de rover en Marte y otros cuerpos, por lo que estoy preguntando sobre un Curiosity con luces como punto de referencia.

abajo: Las cosas se mueven ocasionalmente en Marte. Desde la roca alta rueda por la colina marciana, aterriza en posición vertical , "La cámara del Experimento científico de imágenes de alta resolución (HiRISE) en el Orbitador de reconocimiento de Marte de la NASA registró esta vista el 3 de julio de 2014". Haga clic para una vista más grande.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Necesitarían reprogramar el sistema de visión para que pueda traducir entre vistas diurnas y nocturnas: el mismo terreno se vería bastante diferente.
@Hobbes ese es un muy buen punto. Es posible que solo haya estado pensando en unos pocos, tal vez a lo sumo 10 metros más adelante, donde todavía había suficientes imágenes con luz diurna disponibles para comprender principalmente el terreno que se avecinaba, y la iluminación nocturna era principalmente para evitar cosas que ya se sabía que estaban ahí. De repente, la navegación nocturna de larga distancia suena realmente difícil con los sistemas de imágenes existentes de Curiosity.
Entonces, ¿esta pregunta es sobre si Curiosity podría hacer esto o si el concepto sería viable en un futuro diseño de rover de Marte?
@MichaelKjörling He ajustado la redacción para centrarme específicamente en el rover Curiosity con solo la adición de luces LED estratégicamente ubicadas. Una pregunta sobre la mejor tecnología para un rover diseñado para funcionar sin luz solar sería la siguiente pregunta lógica, y si nadie más la hace primero y no se ha hecho ya, podría hacerlo yo.
@Hobbes Un "faro" en el brazo robótico móvil al menos permitiría la comparación del próximo terreno iluminado desde ángulos ligeramente diferentes. Eso es al menos un poco como las imágenes iluminadas por el sol tomadas en diferentes momentos del día para el análisis de sombras, pero ciertamente no es lo mismo.
Es más fácil tener varias luces, alternar entre ellas y realizar análisis en las sombras.
@Innovine Arm le permite colocar y apuntar una luz en una gama mucho más amplia de configuraciones (tanto vertical como horizontalmente) que un conjunto de luces estáticas montadas en el chasis. Solo lo usaría cuando sea necesario, tal vez para resolver una característica de terreno ambigua o para iluminar un área de trabajo. " ...alguna combinación de faros LED, luces de rueda y/o un foco en el brazo robótico móvil "
Sin embargo, es mucho más eficiente desde el punto de vista energético instalar bombillas adicionales, y si está moviendo el brazo todo el tiempo, es un desgaste adicional en los motores. Las luces LED no pesan ni cuestan mucho, por lo que colocarlas en diferentes lugares es razonable, económico y es poco probable que afecte las operaciones del rover de alguna manera. Sin embargo, gracias por la idea del análisis de sombras.
@Innovine nuevamente, " Solo lo usaría cuando sea necesario, tal vez para resolver una característica de terreno ambigua o para iluminar un área de trabajo". Debe agregar la masa del cable de cobre necesario para alimentar cada luz, y los relés lógicos y de estado sólido adicionales necesarios para encender y apagar cada uno.
Si vas a conducir de noche será muy necesario. Lo que sea.
Un punto a considerar: comunicaciones. Debido a que Marte orbita más lejos, entonces (en términos generales) la Tierra está en el cielo durante el día, pero no durante la noche, o al menos no por mucho tiempo. Dependiendo de cómo se manejen las comunicaciones, esto podría limitar la utilidad de las operaciones que no son de día.
@Andrew Tenía la impresión de que en estos días Curiosity ejecuta una cantidad significativa de movimiento autónomo que no necesariamente requiere comunicaciones. ¿Me equivoco? ¡ Ok, tal vez responda aquí en su lugar !
@Hobbes Curiosity ha tomado imágenes al atardecer y al amanecer, y creo que también durante la noche, de Fobos y la Tierra. Obtener imágenes del mismo terreno día y noche podría ser útil para futuros rovers autónomos las 25 horas del día con mucho más que el pobre efecto eléctrico de 1/6 de un caballo de fuerza de Curiosity.
Eso habría implicado baterías más grandes entre otras cosas si sus luces van a durar mucho tiempo, hay consideraciones de carga útil involucradas en esto para los costos de lanzamiento originales, la decisión de no incluir luces nocturnas puede haber sido tan simple como eso.
@Pelinore, como ya mencioné en el segundo párrafo de la pregunta, las luces LED pueden estar "encendidas" durante milisegundos a la vez, y solo "parpadean" cuando se requiere que las cámaras graben una imagen. No sería la forma en que la gente usa linternas o faros.
No tengo tiempo para una respuesta en este momento, pero este documento aborda algunos de los problemas de navegación: digital.library.ryerson.ca/islandora/object/RULA%3A4596/…
¿No lo pilotan los humanos? ¿Otra limitación sería la dotación de personal?
@MagicOctopusUrn ni siquiera cerca. Para empezar, vea ¿Cuánto puede hacer el rover Curiosity en Marte de forma autónoma, después de cuatro años de funcionamiento? pero tendrás que leer más para entender cómo funciona.
Un problema importante que veo es que el rover no puede enviar ni recibir señales de la tierra durante el período nocturno.
@LonelyFox No estoy seguro de que eso sea cierto por dos razones: 1) Pregunté "... ¿podría conducir o trabajar por la noche? " en lugar de en medio de la noche por razones térmicas, puede ser demasiado frío para algunas cosas funcionen a las 2 a. m., hora local, pero durante un breve período de tiempo después de la puesta del sol, es posible que todas las partes aún estén lo suficientemente calientes. Su núcleo se calienta con el fluido circulante de su RTG, por lo que la computadora estará bien. 2) El rover generalmente conduce y toma muestras por sí mismo sin un control constante. Almacena datos e imágenes y los envía a la Tierra periódicamente, por lo que no es necesario enviar ni recibir señales en estos momentos.
@LonelyFox Curiosity generalmente espera un pase satelital favorable para enviar sus datos e imágenes almacenados a la Tierra, u ocasionalmente, cuando hay oportunidades programadas, envía directamente a la Tierra: ¿Alguna vez el rover Curiosity se comunicó directamente con la Tierra a través de su antena de alta ganancia? ¿Fuerza de la señal y tasa de datos?
@uhoh 1) mi cerebro no registró la parte de "noche" gracias por la aclaración 2) No sabía que el rover usaba principalmente satélites para su transferencia de datos. Pensé que siempre usaba su alta ganancia para eso. Gracias por corregir eso.
@LonelyFox ¡Bienvenido al espacio! Estoy asombrado con esta misión y Stack Exchange es un excelente lugar para compartir información al respecto. :-)

Respuestas (3)

TLDR: el rover tiene limitación de energía, no de luz diurna

Las luces no son suficientes para permitir la conducción nocturna.

  1. El móvil está limitado por la potencia disponible. El RTG produjo ~114 W al comienzo de la misión, cayendo a 54 W en 2025. Requiere de 45 a 70 W durante el sueño, al menos 150 W cuando está despierto y 500 W durante la conducción.
    Esto significa que el rover solo puede conducir durante unas pocas horas al día. Entonces tiene que parar, dormir y recargar sus baterías. La mayoría de los días, el móvil está activo durante 6 horas, con hasta 3 horas de conducción.

  2. Los motores de conducción y dirección del móvil deben calentarse por encima de -55 ºC antes de conducir. Por la noche, cuando la temperatura ambiente es más baja, esto puede llevar 2 horas o más, además de mucha energía eléctrica, lo que reduce el presupuesto de energía para el resto del día. El RTG no puede calentar los motores directamente: el bucle de freón que conduce el calor desde el RTG no se extiende a los motores de accionamiento. Si es posible, la conducción está programada para la parte más calurosa del día (primera hora de la tarde) para minimizar la cantidad de calefacción eléctrica, pero a efectos de planificación es ventajoso empezar a conducir antes (a menudo alrededor de las 11:00) para tener más tiempo para las actividades posteriores a la conducción.

Si bien es posible técnicamente conducir de noche si tiene luces, estaría gastando más energía para cubrir la misma distancia, lo que comprometería las operaciones científicas al reducir su presupuesto de energía.

Fuente para 1 y 2: excelente ' El diseño e ingeniería de Curiosity ' de Emily Lakdawalla .

Esta es una excelente respuesta, ¡gracias por trabajar en esto tan a fondo!
El nivel de optimización que lograron, considerando la baja potencia proporcionada por el RTG, es absolutamente increíble. Es decir, con 100 watts mueven un vehículo, manejan una computadora y varias herramientas científicas. El rover usa un procesador BAE RAD75 de 200 MHz, con 256 MB de RAM, un Flash de 2 GB y corre el sistema operativo VxWorks.
"cayendo a 54 W para 2025". La vida media del plutonio 238 es de 87,7 años, por lo que después de tantos años la potencia debería ser de 57 W. Si cada 10 años la potencia bajara un 10 %, la vida media sería inferior a 87,7 años, por lo que sería ¡es seguro decir que dentro de 20 años la potencia caería a no más del 80% de los 114 W iniciales!
@Cornelisinspace además de la descomposición de Pu, los termopares se degradan, por lo que la potencia siempre es menor de lo que sugiere la descomposición de Pu por sí sola.
¿La oferta proporciona información sobre el presupuesto de energía eléctrica que pueda ayudar a abordar ¿En qué pendiente la curiosidad requeriría el doble de energía eléctrica para conducir en comparación con una pendiente plana? ?

La salida del generador termoeléctrico de radioisótopos del Curiosity está limitada para los elementos de calefacción. "El MMRTG produce menos energía con el tiempo a medida que su combustible de plutonio se descompone: en su vida útil mínima de 14 años cuando la potencia eléctrica se reduce a 100 vatios". https://en.wikipedia.org/wiki/Curiosity_(móvil)

El RTG carga continuamente 2 baterías. Cuando las baterías se agotan, el Curiosity tiene que sentarse mientras el RTG carga las baterías. Se puede realizar un acto de equilibrio de funciones para no agotar completamente las baterías llamado modo flotante. Las baterías sirven como un medio entre el RTG y la electrónica.

Las 2 baterías del Curiosity (utilizadas para demandas eléctricas más altas) se estresarán más al agregar luces y el extra ("calentadores eléctricos colocados estratégicamente en componentes clave" para operar [wiki]) requerirá más electricidad.

(Las temperaturas en el lugar de aterrizaje pueden variar de −127 a 40 °C (−197 a 104 °F); por lo tanto, el sistema térmico calentará el rover durante la mayor parte del año marciano. Wiki) No pude encontrar la temperatura óptima para la operación, pero sería seguro suponer que la eficiencia de la maquinaria eléctrica actual cae dramáticamente después de temperaturas bajo cero.

Después de tantos grados bajo cero, los aceites y lubricantes tienden a gelificarse, lo que genera resistencia mecánica en las piezas. El frío extremo es malo para cualquier vehículo.

El RTG está conectado directamente a los elementos calefactores para funcionar de noche, lo que requeriría más elementos calefactores para calentar más piezas, lo que equivale a un mayor consumo de las baterías actuales de Curiosity, lo que acorta la vida útil a corto y largo plazo. Las luces no son el problema, es mucho más eficiente funcionar durante el día usando menos electricidad para la calefacción.

La mayoría de las baterías de iones de litio tienen un número limitado de veces que pueden cargarse desde un estado agotado de aproximadamente 3000 veces o 3000 días, pero si se mantienen en modo flotante por encima del punto de congelación, podrían durar mucho más. También cargar por la noche mientras hace frío es mejor para las baterías.

Podría haberse construido con una tecnología más grande, más pesada y de más alta tecnología para ver de noche, pero ¿qué hay de noche que no se puede ver de día?

"100 vatios por hora" es una tasa de cambio de generación de energía. La demanda de un RTG se mediría en vatios, pero la tasa a la que los RTG producen energía está totalmente controlada por su construcción afaik. ¿Tiene una fuente para el reclamo de limitación?
@ErinAnne Probablemente quiso decir 100 vatios-hora por hora;)
Algunas búsquedas superficiales en Google indican que la clasificación de 100 W es generación de energía EOL para el RTG... todo ese párrafo me huele mal.
Al comienzo de la misión, el RTG producía ~114 W (con pequeñas variaciones diarias debido a la temperatura ambiente).
@Hobbes Entendí eso, pero podría ajustarse hacia abajo y se dijo que 100 vatios eran ideales, incluso podría hacer 114. gracias por votar
@ErinAnne tienes razón, no vi más que el enlace wiki y tuve que completar algunos espacios en blanco.

Problemas con la itinerancia nocturna:

  1. Energía: no es realmente un problema con Curiosity, ya que funciona con energía nuclear. Sin embargo, una parte de esta energía se utilizará para gestionar problemas térmicos durante la noche.
  2. Capacidad para ver la tierra: este podría ser el mayor problema. Moverse de noche hará que las cosas sean mucho más difíciles de ver el terreno de la tierra, lo que hace que sea más probable cometer errores. La iluminación funciona mejor si está fuera del eje. Si bien puede hacer esto hasta cierto punto, sería muy difícil hacerlo bien y difícil de probar.
  3. Problemas térmicos: Marte es mucho más frío por la noche. Esta mayor frialdad hace que sea más probable que las cosas sean más frágiles. Moverse por la noche podría causar que las cosas se rompan.
  4. Comunicación: esto no es realmente un problema, ya que Curiosity usa repetidores móviles para comunicarse. De hecho, esta es una de las principales actividades que realiza Curiosity por la noche, transmitir sus datos, por lo que no tiene que detenerse y hablar durante el valioso día.

En pocas palabras, podría hacerse, pero agrega mucho riesgo. Se puede hacer, pero añade mucho riesgo. Estoy seguro de que sucederá algún día, cuando se pueda tener un rover a Marte por mucho menos de $ 2.5 mil millones, pero por ahora, es simplemente demasiado arriesgado.

El poder es, por supuesto, el problema principal y, como dijiste, no es realmente un problema para Curiosity. Los problemas térmicos son en realidad secundarios, pero encuentro que su viñeta no tiene ninguna información. Hay buena literatura gratuita por ahí que podría usarse para profundizar en ese punto. La capacidad de ver es definitivamente un gran problema (terciario), pero es un problema solucionable y hay literatura disponible al respecto. Me parece que falta esta respuesta. Su conclusión aborda esto como si fuera una cuestión de "se hará". No lo es. Es una cuestión de "¿podría hacerse?", y creo que su respuesta es corta.
Curiosity utiliza un sistema de fluido circulante bombeado mecánicamente (CFC-11) para llevar parte de los 2000 W de calor del RTG a otras áreas, por lo que en su mayor parte no compite por la energía eléctrica.
Parece que es posible que aún no hayas estado listo para publicar esta respuesta. Veo oraciones repetidas, y aunque dice "... agrega mucho riesgo", el único riesgo que ha declarado es la fragilidad.
Te veo decir: "[...] Curiosidad [...] en la noche, transmite sus datos, para que no tenga que detenerse y hablar durante el valioso día". ¿Por qué tiene que parar para hablar? ¿No hay suficiente energía para operar tanto la antena como otros equipos? Creo que el principal beneficio de conducir de noche sería utilizar eficientemente su tiempo. Sin embargo, si la noche ya está ocupada en "hablar" (u otras cosas) que no puede hacer durante el día, entonces este beneficio se desvanece.
La señal tiene que ser muy precisa para hablar, y como dijiste, se necesita una cantidad considerable de poder para hablar, lo que acentúa el presupuesto de poder.
Me parece recordar que aprovecha la noche para recargar las baterías que complementan el uso de energía durante el día.
Pensé que esto valía un +1 pero ya lo voté
Si Curiosity tuviera luces, ¿podría conducir o trabajar por la noche?
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