Ir a la luna con científicos a tiempo parcial

En esta charla, un grupo de "científicos a tiempo parcial" (en realidad son 33 personas de varios tipos de profesiones, que incluyen también ingenieros, economistas y tres personas del programa Apolo original -- y aún así vienen al CCC por si pueden conseguir cooperación de más) nos han contado cómo van a enviar una sonda a la Luna (parecida a las Opportunity y Spirit que están en Marte) para ganar el premio X lunar de Google.

Éste es uno de esos premios que se otorga para desafiar a la humanidad para superarse a sí misma, como el premio que se dio por atravesar el atlántico a Charles Lindberg. El premio de 20 M€ establece un objetivo a conseguir antes de llegar al final de 2012, con varios premios adicionales de bonificación (aunque hay algo más de tiempo con menos dinero de premio si se consigue antes del final de 2014): Llegar a la luna, moverse 500m y transmitir video HD hacia la tierra (lo llaman mooncast)

Bonuses:

• Tomar una foto de un artefacto humano en la Luna (de otras visitas anteriores a la luna)
• Detectar agua en la Luna (éste ya tiene menos sentido)
  
• Moverse en la Luna una distancia de 5 kilómetros
• Sobrevivir el la luna una noche lunar (que implica pasar 14 días a -160 grados centígrados, después de haber estado en el día lunar a 160).
  

La cantidad del premio ha tenido un impacto directo en el presupuesto del proyecto: el grupo ha estimado que pueden hacerlo por 15 M€, y se quedarían con 5M€ de margen... Como comparación, el presupuesto de la NASA para llegar a la Luna fue de 91 millardos de euros, la India ha conseguido orbitar la Luna recientemente por 64 M€, LCROSS ha llegado por 53M€, ambos con tecnología corriente. Así que actualmente lo que van a hacer es un desafío a la tecnología actual, pero ya se ha progresado bastante desde los años 60 y 70.

El plan para llegar a la luna tiene las siguientes partes:

• Lanzar el cohete hasta una órbita terrestre baja (LEO)
• Lanzar desde ahí a la Luna una nave más pequeña (el "Lander")
  
• Hacer un aterrizaje suave
• Comunicarse con la tierra
• Y sobrevivir a la noche lunar

¿Cómo lo van a conseguir? Bueno, los puntos cruciales de su estrategia tecnológica son:

• Sin cohete: van a usar a un proveedor barato de lanzamientos orbitales llamado Space X
• Tecnología existente (no van a desarrollar nuevas tecnologías para ellos)
• Bajo presupuesto (hay que ahorrar dinero)
• Innovación
  
• Sin tiempo (tienen que haber llegado a la lluna antes del final de 2012), la presión agudiza el ingenio.
  
• No reinventando las vacas (aunque sí la rueda)

Después de establecer la estrategia, han entrado en más detalles sobre las diferentes partes del proyecto:

Cohete

Como decíamos, para el lanzamiento van a usar el cohete Falcon 1e de SpaceX con el que llegarán a una órbita baja, y tienen el objetivo de reducir el coste de lanzamiento por debajo de $10.000/kg. La carga que tienen que llevar por ahora la calculan en 1.010 kg, un 80% de combustible, y de eso, sólo 5kg es el Rover que se va a mover por la Luna.

Lander

Va a pesar unos 300kg, y van a intentar hacerlo despegar otra vez para volver a la tierra con una muestra (y tienen que hacerlo rápidamente, para que el motor no se enfríe). Han conseguido que otros les recuperen la muestra gratis, lo cual aparentemente tiene que ser costoso... supongo porque el aterrizaje será no controlado y con paracaídas.

CPU

Para simplificar componentes, piensan basarlo todo en FPGAs que van a hacer todo el control digital y analógico, certificadas de componentes de alta fiabilidad (lo cual implica que estará todavía un poco fuera de especificación, porque esto significa un rango de temperaturas de -55 a +125, que se queda un poco corto). Las comunicaciones estarán basadas en Ethernet como bus de control. Sí que tienen una implementación especial del almacenamiento en memoria Flash, para sobrevivir a fallos individuales y la radiación acumulada.

Lander

Éste ha sido la estrella de la noche, ya que hasta el CCC se han traído un prototipo, aunque aún no está hecho del material definitivo.



Como decía antes, recuerda mucho a los que se enviaron a Marte.

Para conseguir adaptarse a sus objetivos (llegar a recorrer 5km y sobrevivir a una noche lunar), y al entorno de la luna (con los cambios de temperatura y un suelo hecho de regolito, que es un material muy hostil), sus componentes fundamentales son:

1. Cuatro ruedas independientes con dos motores: uno de propulsión y otro de dirección. Entre las cuatro suman 1kg
2. Una torre para la óptica que permita tomar imágenes HD y encima estéreo, otro kg
3. Un ordenador principal algo más ligero, sólo 0,5 kg
4. Energía: con paneles solares y una antena de array 1kg
5. Además de eso hay hasta 0,5 kg adicionales reservados para los socios y el resto es la estructura que lo sujeta todo, hasta llegar a los 5kg del presupuesto
   

Siendo el CCC, había que entrar a describir la capacidad del ordenador de a bordo, implementado sobre una FPGA Virtex4 fx20, incluyendo una CPU PowerPC 405, un controlador sata, 512 MB de RAM, dos interfaces gigabit ethernet, 5 canales de flash nand y muchas cosas más que no tuve tiempo de anotar.

Otro componente bastante avanzado es el panel solar, ya que integra las antenas de comunicaciones en array, en concreto una de gran ancho de banda para emitir y otra de menor ancho de banda para recibir comandos (al revés que todos nuestros ADSL, como corresponde a un generador de contenidos -- una cosa que no me ha quedado clara es quién se queda con los derechos de TV... que pueden valer más que el premio).

Otra de las intervenciones estelares de la presentación ha sido una llamada en directo a Jack Crenshaw, contribuidor habitual de la columna Programmer's Toolbox en la revista de sistemas empotrados "Embedded Systems Design" que trabajó calculando las órbitas en el antiguo progama de Apolo (empezó en 1959, nada menos), que contó su trayectoria desde el trabajo en la NASA hasta GE y su participación en este proyecto para ir a la Luna.



Una de las cosas que comentó y decía que sorprendía a muchos (incluyéndome) es que el cálculo de las trayectorias es relativamente sencillo, sólo se tarda minutos en hacerlo. Pero claro, es que si no, no se habría podido hacer en los '60, ya que los ordenadores de la época tenían poca memoria y poca CPU.

En este proyecto como no tienen que preocuparse de los humanos dentro de la nave, pueden utilizar trayectorias más directas (que no tienen posibilidad de segundas oportunidades o de abortar) y que tienen mayores fuerzas de gravedad, así como simplificaciones respecto al cálculo de la órbita.

La última parte de la charla ha descrito la estrategia de comunicaciones, que es bastante innovadora.

Para la comunicación con un dispositivo orbital, el principal problema es la atenuación de la señal con la distancia, que sigue una ley cuadrática, lo cual implica que por ejemplo, la potencia necesaria para llegar a la luna, que está 10 veces más lejos que los satélites de televisión, se requiere 100 veces la potencia.

En general, las comunicaciones con dispositivos distantes ya se pueden hacer, ya que no sólo hemos llegado a comunicarnos a los 400 Mm que nos separan de la luna, sino que hemos llegado a los 164 Gm a Marte, y los 16 Tm de la sonda Voyager 1 (con la que aún seguimos en contacto, parece).

Lo que pasa es que su objetivo es no tener que usar las soluciones habituales, que pasan por tener que usar una antena parabólica de decenas de metros y potencias industriales de emisión para conseguir anchos de banda moderados. Adicionalmente, tienen que tratar el tema de la visibilidad desde la tierra, que va a requerir tener varias de esas antenas, de modo que la conexión no se interrumpa al dar vueltas la tierra.

¿La solución?: desplegar múltiples antenas a lo largo de la tierra, todos conectadas a Internet, de modo que cada antena únicamente tenga que recibir y procesar una parte pequeña del espectro, de modo que la combinación posterior de las señales de todas, se consiga la capacidad necesaria, de la misma manera que si se se tuviese una antena de 30m de diámetro. Además, al estar distribuidas por todo el mundo, se soluciona a la vez el problema de la disponibilidad. Para hacer esto a un coste moderado, cada sitio estará dotado con una FPGA (que permite cambiar la frecuencia que se procesa en cada sitio, reprogramarla con los núcleos necesarios para la CPU y ejecutará GNU/Linux) y una antena parabólica, que van a intentar que sea una estándar de 90 cm.