maxon Story
Personalização de motores padrão para o espaço
Através de uma combinação de motores industriais padrão e de uma colaboração criativa, as personalizações tecnológicas são realizadas para permitir que motores de alta precisão e longa vida útil cheguem a Marte e mais além.
É inegável que o ambiente marciano pode ser agressivo e incompatível com os sistemas feitos para uma operação em Terra. Marte tem uma atmosfera aproximadamente 100 vezes mais fina do que a atmosfera da Terra, apesar de ser suficientemente espessa para suportar nuvens e ventos. Os demónios gigantes do pó muitas vezes de ferro oxidado que cobre a superfície de Marte — que é também uma parte permanente da atmosfera marciana — podem cobrir o planeta durante meses, durante estações específicas. As oscilações de temperatura em Marte variam entre -125 ºC (-195 ºF) perto dos polos no inverno e 20 ºC (70 ºF) perto do equador ao meio-dia. Tudo isto pode parecer um ambiente de difícil adaptação, mas os designers de sistemas recorrem sempre aos designs industriais para iniciar a sua pesquisa pelos componentes adequados.
A importância da história
Desde os anos 1600 aquando da invenção do telescópio, Marte era uma curiosidade. Mesmo quando as capacidades telescópicas aumentaram o tamanho da imagem, era evidente que, para compreender o planeta vermelho, seria eventualmente necessário ir até lá. Em 1964, a NASA concluiu a sua primeira passagem aérea onde o Mariner 4 tirou fotografias das superfícies crateradas do planeta, que fizeram lembrar mais a Lua do que outro planeta. A superfície também mostrou sinais de ação vulcânica verificada num momento da sua história e que deixaram para trás enormes desfiladeiros.
Mesmo com o espelho de 4,5 metros do telescópio do Observatório do Monte Palomar, é difícil ver detalhes na superfície marciana. (Fotografias cedidas pela NASA)
Esta informação apenas tornou Marte mais interessante e incentivou os cientistas a avançarem com esforços para aterrarem no planeta vermelho, com o intuito de estudarem mais detalhadamente a sua superfície e ambiente. Nos anos 1970, o Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA enviou a sua primeira nave espacial que aterrou com sucesso em Marte. A Viking 1 Lander foi utilizada para realizar análises da superfície simples à procura de vida. A Viking 1 capturou imagens de alta resolução durante mais de seis anos. Também recolheu amostras do solo utilizando um braço robótico e um laboratório biológico especialmente concebido — descobrindo que o planeta frio tinha solo vulcânico, uma atmosfera seca de dióxido de carbono e evidência de leitos de rio antigos e vastas inundações.
Após uma pausa de duas décadas, em meados dos anos 1990, a NASA já estava pronta para avançar para o próximo passo na exploração de Marte e regressar com rovers. Para estas viagens, a NASA procurou por motores industriais padrão que fossem suficientemente robustos para chegarem a Marte. É aqui que começa oficialmente a história marciana da maxon. Quando a NASA/JPL começou a sua pesquisa, sabiam que precisavam de algumas especificações fundamentais que tornassem o motor mais compatível com a missão. Por exemplo, os maiores problemas seriam que os motores tinham de resistir ao ambiente de baixa pressão, bem como a choques e vibração, não só pela atividade de lançamento, mas também pela dura aterragem que teriam que resistir. Outra preocupação eram os extremos ciclos de variação da temperatura nos quais os motores teriam de funcionar.
Foi apenas em 1997 que o primeiro rover aterrou com sucesso em Marte. O Sojourner Pathfinder incorporou dez motores DC RE 16 como um teste para verificar como funcionava a engenharia por detrás dos motores parcialmente personalizados. A maxon forneceu motores industriais de alta qualidade e longa vida útil muito pouco personalizados para a viagem. Depois, em janeiro de 2004, dois geologistas robóticos chamados Spirit e Opportunity aterraram em locais opostos de Marte. Estes estavam equipados com uma mobilidade muito superior à do rover Pathfinder e tinham a exploração científica como principal objetivo. Cada um destes rovers estava equipado com 35 motores DC maxon — motores RE 20 e RE 25 e codificadores MR.
Os motores foram utilizados para uma variedade de aplicações em cada rover, incluindo o acionamento das rodas, a abertura dos painéis de fotografia, o posicionamento dos mastros e muito mais. Após 15 anos e 45 km percorridos, a missão do Opportunity chegara ao fim. O foco estava na ciência. O objetivo do rover era descobrir se Marte já havia tido água superficial na história do planeta. Uma fotografia reveladora de camadas sedimentares provou o ponto. No final de novembro de 2018, o InSight aterrou em Marte e foi o primeiro a utilizar a nova geração de motores DCX da maxon com escovas e a primeira caixa de redutores da maxon em Marte.
Colaboração e avanços tecnológicos
Trabalhar com outros parceiros industriais, bem como com centros espaciais tais como a NASA/JPL permite a partilha de experiências e conhecimentos entre todas as partes, o que resulta em avanços nas capacidades tecnológicas a todos os níveis. O conhecimento adquirido não só facilita os avanços tecnológicos para componentes parcialmente personalizados para aplicações únicas, tais como as missões de exploração espacial, como também permite aos fabricantes a utilização de dados para continuar a avançar nas tecnologias usadas nos produtos industriais padrão. Uma vez que cada missão do rover a Marte exige cada vez mais flexibilidade e mais capacidades, a colaboração é essencial.
O primeiro motor DCX e caixa de redutores planetária maxon foram utilizados num mecanismo que usava um método semelhante a um bate-estacas de estaleiro para inserir um sensor de temperatura profundamente no solo. (Fotografia cedida pela NASA)
As parcerias eficazes permitem aos participantes verificarem o que funcionou e o que não funcionou, o que pode ser ligeiramente modificado para um melhor desempenho e como encontrar novas oportunidades para uma investigação alargada. Por exemplo, a MDA é especializada no design de atuadores personalizados. A empresa integra caixas de redutores, travões e codificadores da maxon no seu atuador ExoMars. Uma vez que era exigida uma precisão extremamente elevada ao longo de todo o processo de fabrico, a MDA e a maxon associaram-se para criar técnicas especiais de montagem que incluíam um registo para cada parafuso (4000 deles) e o seu valor de binário dentro da unidade. Das 70 unidades construídas, 12 irão voar quando a missão ExoMars for lançada em 2022.
Uma outra parceria eficaz que ajudou no avanço das capacidades e oportunidades de novos sistemas foi com a Flight Works, uma empresa que revolucionou a propulsão das naves espaciais recorrendo a motores elétricos industriais ligeiramente modificados — permitindo assim novas missões à Lua, Marte e mais além. A Flight Works é líder em microbombas de alta densidade de potência para os mercados comercial e aeroespacial (VANT e outras propulsões espaciais). As unidades são microbombas eletricamente acionadas que produzem densidades muito altas, possíveis graças aos motores industriais sem escovas da maxon modificados para as vibrações e choques de lançamento, bem como para os ambientes espaciais. Os produtos da empresa são o que nos permitiu o aumento drástico na última década de lançamentos CubeSat, tais como a missão NASA/JPL Lunar Flashlight.
A propulsão alimentada por bomba permite novas operações espaciais. Incorporando motores EC Flat maxon e motores industriais EC 4-pole, a Flight Works é capaz de conceber e fabricar as suas bombas propulsoras de 32 mm, bombas de hidrazina de 22 mm e bombas criogénicas de LOX/metano. Estas microbombas permitem que os sistemas de propulsão alimentada por bomba funcionem numa grande variedade de missões, incluindo pequenas naves espaciais que utilizam as bombas para uma variedade de operações, incluindo propulsão, gestão de fluidos, arrefecimento da nave espacial, bem como reabastecimento e assistência técnica em órbita — tudo planeado para futuras utilizações em operações de retorno a Marte.
Outra aplicação onde os motores industriais parcialmente personalizados encontraram o seu caminho para o espaço inclui o Mecanismo Internacional de Atracagem (IBDM) utilizado para atracar duas naves espaciais tripuladas, como por exemplo o Dream Chaser que se conecta à Estação Espacial Internacional. As empresas comerciais estão também a integrar motores maxon nas suas naves espaciais, tais como o SpaceX Cargo Dragon que utiliza dez motores DC sem escovas EC 40 para rodar os painéis solares, abrir a porta do compartimento de navegação e encaixar o mecanismo de atracagem.
Atuador eletromecânico de bogie que incorpora um DCX 22L maxon com uma caixa de redutores GP 32HD e codificador integrado para a roda motriz do ExoMars
Tecnologia para as missões atuais
A tecnologia é importante quando os designs têm de ultrapassar os seus limites para oferecer maior precisão ao mesmo tempo que operam em ambientes hostis — com o requisito de não poder existir qualquer falha. Os designs personalizados e parcialmente personalizados podem oferecer pequenas alterações para fazer grandes diferenças em termos de capacidades.
Agora, a caminho de Marte, a missão Mars 2020 da NASA/JPL (Sistema de Tratamento e Recolha de Amostras), irá utilizar um rover semelhante ao Curiosity, mas com um conjunto de instrumentos maior e mais robusto. O seu objetivo é recolher e analisar amostras, selecionar as melhores e deixá-las na superfície marciana. Um outro rover será então enviado para recolher as amostras e trazê-las de volta à Terra numa data posterior. Os motores DC sem escovas maxon foram personalizados e estão a ser utilizados para manusear as preciosas amostras de Marte, incluindo o mandril da cabeça de perfuração que retira a amostra do solo. A amostra é depois deslocada para um carrossel no rover, onde a amostra será recebida. Um motor maxon também é utilizado no pequeno braço robótico que desloca a amostra para estações, para uma inspeção visual, vedação e depósito.
Tal como as missões experimentais antes destas, a carga útil da missão Mars 2020 inclui algo nunca antes tentado — o primeiro helicóptero, Ingenuity. Sendo uma prática de baixo custo para verificar se o helicóptero pode operar na atmosfera marciana, esta é uma das missões mais revolucionárias até agora. O Ingenuity inclui seis motores DC com escovas (DCX 10S como atuadores do swashplate para ajustar o passo dos rotores), que é a forma como o Ingenuity é direcionado. Uma vez que no helicóptero são incorporados dois rotores, três motores são utilizados para cada rotor — um total de seis motores. Os motores são muito semelhantes aos motores industriais padrão, mas possuem modificações internas para lidar com os choques e as vibrações da viagem, bem como com a operação na atmosfera marciana de baixa pressão.
Ao explorarmos o nosso sistema solar durante anos, é um benefício saber que os componentes industrializados padrão podem ser incorporados nas naves espaciais, nos rovers e no equipamento analítico que nos levará até lá. Com pequenas modificações, componentes essenciais tais como motores e caixas de redutores estão a ajudar os cientistas a progredir no futuro para explorar outras luas e planetas. Aproveitar as experiências adquiridas de cada missão e aplicar conceitos semelhantes à indústria em geral tem ajudado a progredir na conceção de motores durante as últimas décadas. A tecnologia de vanguarda é um processo de pensamento pelo qual os designers perguntam continuamente: “Que mais se pode conseguir?” Ao adaptarem-se a novos ambientes que requerem níveis de capacidades mais elevados, as empresas podem ter a certeza de que não só se manterão à frente da concorrência, como também os seus produtos padrão evoluirão.
