How Do You Land a Robot on Mars?

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Theme song by Destin Heilman

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ANNOUNCER: 8, 7, 6, 5, 4, engine ignition 2, 1, 0. Release and liftoff. As the countdown to Mars continues the perseverance of humanity launching the next generation of robotic explorers to the red planet.

ERIC: On July 30, 2020, the newest Mars rover named Perseverance, blasted off on a six month journey to the red planet.

Next week, we'll talk about what the mission hopes to accomplish and how it will move around on Mars. Today on Pulsar we will discuss one of the most significant hurdles left before Perseverance and starts its mission: landing safely on the surface of Mars.

Thanks to Facebook Boston for supporting this episode of Pulsar.

I'm your host, Eric O'Dea, an educator at the Museum of Science, Boston. And my guest today is David Way, a NASA Aerospace Engineer who has lots of experience getting robots down to the surface of the red planet. David, thank you so much for joining me today.

DAVID: Glad to be here, thanks for having me.

ERIC: So we get asked all the time, how do I get to work for NASA? So tell us about your background and how you got started as an engineer.

DAVID: Sure, so I've been at NASA now for almost 20 years but that's really actually my second career oddly enough, my first career was as a submarine officer in the navy.

So I did that for a while and then went back to graduate school and started working at NASA and it's been really exciting ever since. When I was young, just graduating from high school. I don't think you could actually have a job where your description was I help land things on Mars.

So, it's pretty cool that I kinda wound up being a part of this and that's what's really exciting.

ERIC: Now nothing in spaceflight is easy, but landing a spacecraft on Mars is notoriously difficult. So a lot of people asked us what is it about Mars that makes getting to the surface so hard?

DAVID: Yeah, it is really hard and it's scary, it's one of the most dangerous parts of the whole mission. I guess it really starts with the fact that you have almost a three ton spacecraft traveling incredibly fast when it gets to Mars. We're doing almost 23,000 miles an hour well over 24 times the speed of sound.

So we're literally acting like a meteor and you've got to survive that. And what makes Mars even more especially challenging is this kind of perfect storm of the atmosphere being incredibly thin. It's about 100 times thinner than Earth's atmosphere and so you'd really like to have some of the atmosphere help you slow down.

It does but it doesn't help us as much as maybe Earth's atmosphere would. You can't ignore it, and then it's not helping you as much. That makes it a real challenging game of how can we slow down before we run out of altitude.

ERIC: So the first step to landing a robot on Mars is use the atmosphere to slow way, way down.

DAVID: Yeah, absolutely, and we'll actually lose about 99% of our kinetic energy just through that interaction with the atmosphere. So it's very efficient, which engineers love, right? But it comes at a cost, and that cost is the incredible amount of heat that's generated. We're traveling at hypersonic speeds, and it just envelops the whole spacecraft in plasma.

And they can heat the heat shield up to about 1100 watts per square inch. That's the first step that you have to do is you have this beautiful rover that we've built that's very complex. And then we want to take care of it and we've got to protect it in this air shell and hopefully survive that very extreme environment.

ERIC: So assuming you've survived the superheated plasma, where do you go from there?

DAVID: So we start with that air shell when we slow down as much as we can, we're still doing almost 1,000 miles an hour, we're still at about 36,000 feet. And we've got to do something because we're still going supersonic and the answer is a parachute.

Parachutes are great for helping you slow down they don't weigh a whole lot. But we've got that added complexity of trying to do that in a supersonic flow field. These parachutes are pretty risky, but they do a great job and then they'll slow us down to about 200 miles an hour.

On Earth a parachute will slow you down enough for a nice gentle splashdown in the ocean. Or you see these guys that parachute into the stadiums and they land up right on their feet. But at Mars again because the atmosphere is so thin we're still doing faster than a race car on the parachute and so that's just not enough.

ERIC: Still too fast for a nice soft landing. So, how will Perseverance finish the journey down to the surface?

DAVID: The final step then is we've got to do something else and we use rocket engines to do the final propulsive descent down to the surface.

ERIC: So the journey starts with a rocket blasting the rover away from the earth and ends with a rocket gently lowering the rover onto Mars.

DAVID: It does, it starts with a rocket and it ends, that's a good way to put it.

ERIC: A lot of people asked us where the rover will land on Mars. So what's the target area and how accurate will the landing be?

DAVID: The landing site that we're aiming for is named Jezero crater.

And the scientists are extremely excited about exploring Jezero because it has this beautiful delta formation which is like the Mississippi River delta or the Nile delta. These features form when you have a river flowing into a lake and so we're trying to land right at the edge of this delta.

Our footprint that we expect to land in is about four and a half miles across, which is very small for I haven't traveled that far.

ERIC: Four and a half miles...I'd call that a bullseye.

DAVID: That's a bull's eye, we're trying to land within about two miles of the target point.

Jezero Crater though it's a very dangerous place to land, it's the most dangerous place on Mars that we've ever attempted before. In fact, it was on the list last time around for the Curiosity Rover as a potential landing site and it was completely thrown off the table just because it was too dangerous.

And so this time we're gonna try it.

ERIC: So what is it about Jezero that makes it so dangerous to land there?

DAVID: What makes it more dangerous is the terrain, the edge of that delta is an 80 meter cliff. So we have large slopes that are in our landing zone, we have large rocks, it's very rocky place, we can see a lot of rocks in the area.

And there are some sand traps for lack of a better word. There's some areas that we see some sand ripples that we could land safely in, but the rover would have a hard time driving out of it. And Likewise, there's a big crater we call it Kilometer crater that's a very distinctive feature in this delta.

If we landed in the middle of that crater, we could land safe but we couldn't drive out the sides are too steep.

ERIC: That's a lot of things to avoid. If it was too dangerous for curiosity to try and land there in 2012, what makes it possible for Perseverance to try this time?

DAVID: What's allowing us to do this, this time around is a technology that we call terrain relative navigation. And really, what that means is for the first time at Mars, we're going to land with our eyes open. We're taking a camera and that camera is gonna be taking images as we descend on the parachute.

And we have computer onboard the rover that's going to be processing those images to figure out where we are. And once we know exactly where we are, we'll know where this big crater is and we'll know where those inescapable hazards are. And we can choose a spot that's nearby that we can reach with our rocket engines to target.

ERIC: So instead of landing wherever, Perseverance has an active system that lets it aim for a safe spot as it gets close to the surface.

DAVID: Absolutely, that's exactly how it works. It has a map on board where we've colored each of the pixels and say how safe or how dangerous this particular spot is.

And so it'll figure out where it is, it'll look on its map and it'll say, okay, this one's the best spot nearby.

ERIC: And you have to program the rover to do this on its own because Mars is too far away for humans to help during any part of this process.

DAVID:That is what makes it really challenging and makes the vehicle very complex is the one way lifetime Mars is just so far away. It takes about 20 minutes for the radio signals to get to Earth. The entire landing sequence from the top of the atmosphere to placing the rover on its wheels on Mars takes seven minutes.

And so the whole thing's over before we even know about it, the vehicle has to operate completely autonomously for the entire sequence. This terrain relative navigation is gonna help us do that.

ERIC: So to wrap up, while we were having our virtual launch viewing party for Perseverance, we got a lot of questions, but also just a lot of excitement that we were watching something as cool as a robot being launched to another planet.

Do you still get that feeling?

DAVID: I do, I get that feeling all the time, I mean, it's kind of funny, particularly in these days we're all working from home. So here we are in our houses preparing to land a robot on another planet. I take almost like a virtual trip to Mars just about every day.

And every once in a while I do I sit back and I think, wow, I think I know more about Mars than I do Earth, that's kind of strange.

ERIC:Well David, thanks so much for answering all our questions about landing a robot on Mars and from everybody at the Museum of Science, good luck with Perseverance landing next year.

DAVID: Thank you very much.

ERIC: Perseverance is scheduled to land on Mars on Thursday, February 18, 2021. Be sure to follow the Museum of Science on social media to find out how to watch along with us.

In the meantime, you can step outside on any clear night for the next few months and spot Mars shining bright in the southern sky.

Next week, we'll talk to another NASA engineer about what Perseverance will do after it lands on Mars, and how you drive a robot on the surface of another world.

If you have questions about Mars exploration, you can email them to us at sciencequestions@mos.org and we'll answer them on an upcoming episode.

Until next time, keep asking questions.

Español

ANNOUNCER: Ocho, siete, seis, cinco, cuatro, encendido de motor, dos, uno, cero, lanzamiento y despegue. Mientras continúa la cuenta regresiva a Marte, la perseverancia de la humanidad lanza la siguiente generación de robots exploradores al Planeta Rojo.

ERIC: El 30 de julio de 2020 el último explorador de Marte, llamado Perseverance, partió para el planeta rojo para realizar un viaje de seis meses.

La semana que viene hablaremos sobre los objetivos que la misión espera alcanzar y cómo recorrerá Marte. Hoy en Pulsar hablaremos de uno de los principales obstáculos que falta sortear antes de que el Perseverance comience su misión: el amartizaje seguro.

Gracias a Facebook Boston por auspiciar este episodio de Pulsar.

Soy su anfitrión, Eric O'Dea, educador del Museo de Ciencias de Boston, y mi invitado de hoy es David Way, un ingeniero aeroespacial de la NASA que cuenta con mucha experiencia en el amartizaje de robots. David, muchas gracias por acompañarnos hoy.

DAVID: Es un gusto estar aquí; gracias por invitarme.

ERIC: Todo el tiempo nos preguntan: ¿qué hago para trabajar en la NASA? Cuéntanos un poco sobre ti y cómo te hiciste ingeniero.

DAVID: Claro; he trabajado en la NASA durante casi 20 años, pero esa fue mi segunda profesión; aunque suene extraño, mi primera profesión fue la de oficial de submarino de la Armada.

Trabajé en eso por un tiempo y luego hice un posgrado y empecé a trabajar en la NASA, y desde entonces ha sido algo que me entusiasma mucho. Cuando era joven y recién había terminado la secundaria no creo que fuera posible tener un trabajo que pudieras describir como: "Ayudo a posar cosas en Marte".

Así que es muy bueno para mí haber terminado participando de esto y eso es lo que me entusiasma mucho.

ERIC: Nada relacionado con los vuelos espaciales es fácil, pero posar una nave espacial en Marte es notoriamente difícil. Muchos oyentes nos preguntaron: ¿por qué es tan difícil posar en Marte?

DAVID: Sí, es muy difícil, y da miedo, y es una de las partes más peligrosas de la misión. Supongo que el primer motivo es que se trata de una nave espacial de casi tres toneladas que viaja a una velocidad increíble cuando llega a Marte. La nave viaja a casi 23.000 millas por hora, lo que es más de 24 veces la velocidad del sonido.

Así que, literalmente, se comporta como un meteorito y debes resistirlo. Y lo que empeora aun más las cosas es que la atmósfera es tremendamente delgada. Es casi 100 veces más delgada que la atmósfera terrestre y, por lo tanto, nos gustaría que la atmósfera ayudara a que la nave desacelerara.

De hecho lo hace, pero no tanto como lo haría la atmósfera terrestre. No podemos ignorarlo y eso no nos ayuda mucho. Eso nos obliga a pensar en cómo desacelerar antes de que descendamos demasiado.

ERIC: Así que el primer paso para posar un robot en Marte es usar la atmósfera para desacelerar mucho.

DAVID: Sí, absolutamente, y de hecho la nave perderá alrededor del 99 % de la energía cinética por el solo hecho de entrar en la atmósfera. Así que es muy eficiente, y eso les encanta a los ingenieros, pero tiene un costo, y ese costo es la cantidad increíble de calor que se genera.

La nave viaja a velocidades hipersónicas y eso la envuelve en plasma, y puede calentar el escudo térmico hasta 1.100 vatios por pulgada cuadrada. Esto es lo primero que hay que hacer; tenemos este hermoso explorador que construimos y que es muy complejo, y debemos cuidarlo y protegerlo con este escudo térmico y con suerte resistirá ese ambiente tan extremo.

ERIC: Suponiendo que la nave logra resistir el plasma sobrecalentado: ¿cuál es el siguiente paso?

DAVID: Al comienzo usamos el escudo térmico y, cuando desaceleramos lo máximo posible, todavía viajamos a 1.000 millas por hora y nos encontramos a unos 36.000 pies de altitud. Y debemos hacer algo porque todavía viajamos a una velocidad supersónica.

Y la solución a esto es un paracaídas. Los paracaídas son excelentes para desacelerar y no pesan mucho. Pero tenemos la dificultad extra de intentar hacerlo en un campo de flujo supersónico. Estos paracaídas son bastante riesgosos, pero hacen un excelente trabajo y desaceleran la nave hasta unas 200 millas por hora.

En la Tierra un paracaídas desacelera una nave lo suficiente como para que se pose suavemente sobre el océano, o ves a estos paracaidistas en estadios que aterrizan allí de pie. Pero en Marte, repito, como la atmósfera es tan delgada, la nave sigue viajando a una velocidad mayor que un auto de carreras aun usando el paracaídas, y eso no es suficiente.

ERIC: Todavía muy veloz para posarse con suavidad. ¿Cómo acabará posando el Perseverance en la superficie de Marte?

DAVID: El último paso que debemos seguir es usar propulsores de cohete para realizar el descenso final sobre la superficie.

ERIC: O sea que el viaje comienza con un cohete haciendo despegar el explorador de la Tierra y termina con un cohete haciendo posar suavemente el explorador en Marte.

DAVID: Así es, comienza y termina con un cohete, es una buena descripción.

ERIC: Muchos oyentes nos preguntan en qué parte de Marte se posará el explorador. ¿En qué región amartizará y cuán preciso será el amartizaje?

DAVID: La región donde planeamos amartizar es un cráter llamado Jezero. Y los científicos están muy entusiasmados con la exploración de Jezero porque este presenta un delta hermoso que se parece al delta del Mississippi o al del Nilo.

Estas características se forman cuando existe un río que desemboca en un lago, así que nuestro objetivo es amartizar en la orilla de este delta. El área en la que esperamos amartizar tiene una extensión de unas cuatro millas y media, la cual es pequeña si tenemos en cuenta la distancia que hemos recorrido hasta allí.

ERIC: Cuatro millas y media; eso es lo que yo llamo el centro del blanco.

DAVID: Es el centro del blanco, pretendemos amartizar a unas dos millas de nuestro objetivo. Sin embargo, el cráter Jezero es un lugar muy peligroso donde amartizar; es el lugar más peligroso que hay en Marte en el que hayamos intentado amartizar.

De hecho, integraba la lista de los lugares donde pretendíamos amartizar el explorador Curiosity, pero fue completamente descartado porque era demasiado peligroso. Esta vez vamos a intentar amartizar allí.

ERIC: ¿Y por qué es tan peligroso amartizar en Jezero?

DAVID: Se debe al terreno; la orilla de ese delta es un acantilado de 80 metros.

En la zona donde pretendemos amartizar hay grandes laderas y grandes rocas; es un lugar donde hay muchas rocas. Y hay algunas trampas de arena, por describirlas de alguna manera. Hay algunas zonas donde vemos que hay dunas de arena en las que podríamos amartizar, pero el explorador tendría dificultades para salir de ellas.

Asimismo, hay un gran cráter al que llamamos el cráter de un kilómetro que caracteriza mucho a este delta. Si amartizáramos en el medio de ese cráter podríamos hacerlo con seguridad, pero no podríamos salir de allí porque sus bordes son muy escarpados.

ERIC: Son muchas cosas que evitar. Si era muy peligroso amartizar allí para el Curiosity en 2012, ¿qué hace que resulte posible que el Perseverance amartice allí esta vez?

DAVID: Lo que nos permite hacer esto esta vez es una tecnología que llamamos navegación relativa al terreno. Y lo que eso significa es que por primera vez amartizaremos con los ojos abiertos. El explorador lleva una cámara y esa cámara sacará fotos mientras este baja en paracaídas. Y a bordo lleva una computadora que procesará esas fotos para que podamos saber donde estamos.

Y una vez que sepamos con exactitud dónde estamos, sabremos dónde está este gran cráter y dónde están esos peligros ineludibles, y así podremos escoger un lugar cercano para amartizar al que podamos bajar usando los cohetes propulsores.

ERIC: Así que en vez de aterrizar en cualquier parte el Perseverance tiene un sistema activo que le permite identificar un lugar seguro a medida que se acerca a la superficie.

DAVID: Exactamente, así es como funciona. Lleva consigo un mapa en el que coloreamos cada uno de los píxeles e indica cuán seguro o peligroso es un determinado lugar. Así que el explorador sabrá donde está; mirará el mapa y dirá: "Muy bien, este es el mejor lugar para amartizar que hay por aquí".

ERIC: Y tienen que programar el explorador para que haga esto por su cuenta, porque Marte está muy lejos como para que los humanos podamos ayudarlo durante este proceso.

DAVID: Eso es lo que lo hace tan difícil y lo que hace que el vehículo sea muy complejo, es la enorme distancia que hay hasta Marte, les lleva unos 20 minutos a las señales de radio llegar hasta la Tierra.

La secuencia completa del amartizaje, partiendo desde la capa superior de la atmósfera hasta posar las ruedas del explorador en Marte, lleva siete minutos. Así que todo acaba en un abrir y cerrar de ojos; el vehículo debe operar de manera totalmente autónoma durante toda la secuencia. La navegación relativa al terreno nos ayudará a lograrlo.

ERIC: Para concluir, mientras festejábamos y veíamos por internet el lanzamiento del Perseverance teníamos muchos interrogantes, pero también estábamos muy entusiasmados por estar viendo algo tan genial como un robot que es enviado a otro planeta. ¿Todavía sientes esa emoción?

DAVID: Sí, siento eso todo el tiempo, es decir, es gracioso, sobre todo en estos días en los que todos trabajamos desde casa.

Estamos en nuestras casas listos para hacer aterrizar un robot en otro planeta. Hago un viaje virtual a Marte casi todos los días. Y una vez cada tanto me siento y pienso: "Vaya, creo que sé más sobre Marte que sobre la Tierra; eso es algo extraño".

ERIC: Bueno, David, muchas gracias por responder todas nuestras preguntas sobre el amartizaje de un robot; y de parte de todo el Museo de Ciencias te deseamos buena suerte con el amartizaje del Perseverance el año que viene.

DAVID: Muchas gracias.

ERIC: El amartizaje del Perseverance está programado para el jueves 18 de febrero de 2021. Asegúrense de seguir al Museo de Ciencias en las redes sociales para saber cómo ver ese evento junto a nosotros.

Mientras tanto pueden salir al jardín en una noche clara durante los próximos meses y localizar a Marte brillando mucho en el firmamento austral.

La semana que viene hablaremos con otro ingeniero de la NASA sobre lo que hará el Perseverance luego de amartizar y cómo se maneja un robot en la superficie de otro planeta.

Si tienen preguntas sobre la exploración de Marte pueden enviarlas por correo electrónico a sciencequestions@mos.org y las responderemos en un próximo episodio.

Hasta la próxima; no dejen de hacer preguntas.