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INVERITAS: robótica para limpiar el espacio

La eliminación de basura espacial

Una de las competencias esenciales para nuestro futuro es el conocimiento en robótica espacial. El ejemplo de INVERITAS muestra cómo Airbus Defence and Space impulsa el desarrollo en este campo en el seno de una asociación para la investigación.

INVERITAS (siglas en inglés de tecnologías innovadoras para navegación relativa y captura de sistemas móviles autónomos) es un proyecto conjunto entre Airbus Defence and Space Bremen, Jena Optronik y el Centro de Innovación en Robótica del Centro Alemán de Investigación en Inteligencia Artificial (RIC DFKI) de Bremen. Esta asociación se encarga de desarrollar los prototipos de un sistema de cita espacial y captura para múltiples usos, además de las tecnologías fundamentales al respecto, hasta el Nivel Tecnológico de Disponibilidad 4 (TRL-4), es decir, hasta su demostración en tierra.

Modelo de un satélite descontrolado para su captura en el demostrador de sistema de INVERITAS.

Modelo de un satélite descontrolado para su captura en el demostrador de sistema de INVERITAS.

El proyecto consiste en el desarrollo de tecnologías con las cuales se puedan construir los denominados “robots de mantenimiento”. Tales vehículos espaciales poseerían la facultad de capturar satélites fuera de servicio o bien grandes fragmentos de basura espacial. Una vez capturados, se podrían reparar o llevar de forma controlada a su reentrada en la atmósfera. Airbus Defence and Space está invirtiendo sus propios fondos de investigación para ampliar su conocimiento tecnológico en este sector. El organismo oficial alemán de investigación aeroespacial (DLR) apoya este programa, financiándolo al cincuenta por ciento.

“Durante las décadas pasadas, la humanidad ha colocado una gran cantidad de artilugios en el espacio”, explica Bernd Mädiger, Director de Proyecto de Airbus Defence and Space Transportation. “En ese período de tiempo se ha acumulado un peligroso montón de basura espacial. Ahora, cada vez que se produce una colisión, la cantidad de restos aumenta enormemente la probabilidad de que los próximos satélites se vean afectados, lo que se ha dado en llamar ‘síndrome Kessler’”.

A partir de una densidad de residuos determinada, se vuelve cada vez más arriesgado colocar satélites en esa órbita contaminada. Ciertas órbitas están acercándose bastante a este nivel de peligro, y se precisan estrategias eficaces para contrarrestar esta amenaza. “Se puede reducir el riesgo de generación de residuos retirando los objetos más grandes, puesto que, fundamentalmente, son estos los que generan a su vez más deshechos”, dice Bernd Mädiger. Traducido en cifras se trata de entre cinco y diez objetos anuales, y los más grandes poseen una masa de entre 200 y 800 kilogramos.

Una solución basada en tecnología probada

El desarrollo de tecnologías astronáuticas de robótica precisa competencias punta en ingeniería, en un entorno multidisciplinar que va desde la inteligencia artificial y los sistemas autónomos, pasando por la realidad virtual, la miniaturización, la tecnología de materiales y la mecatrónica, hasta las tecnologías de la información y las telecomunicaciones. Para una gran parte de lo que se necesita, las tecnologías empleadas en el Vehículo Automatizado de Transferencia (ATV) suponen, de entrada, un excelente punto de partida. No debe olvidarse que el ATV ejecuta una cita espacial y atraque con un blanco ‘cooperativo’, es decir, la Estación Espacial Internacional (ISS). “Perfeccionar el atraque con blancos no cooperativos es el siguiente paso lógico a partir de estas experiencias”, dice Bernd Mädiger.

Los blancos cooperativos como la citada ISS responden a las señales emitidas por otro ingenio espacial, poseen un control de actitud y marcadores, y por regla general es posible entablar una conexión vía radio. Por el contrario, los objetos no cooperativos –como, por ejemplo, un satélite fuera de servicio– son aparatos pasivos. No está previsto que alguien tenga que localizarlos. No tienen marcadores, habitualmente dan bandazos sin ton ni son y en su mayoría carecen de una actitud estabilizada

Bernd Mädiger, Director de Proyecto de INVERITAS, en el laboratorio de robótica de Airbus Defence and Space Bremen.

Bernd Mädiger, Director de Proyecto de INVERITAS, en el laboratorio de robótica de Airbus Defence and Space Bremen.

“Sin embargo, aunque conocemos y tenemos datos sobre los diferentes modelos, a estos objetos no les podemos controlar ni enviar órdenes remotas. Efectivamente, sabemos cuál es su órbita, pero no su comportamiento mientras está dando tumbos. Es algo que se debe analizar a lo largo de la misión”, explica Bernd Mädiger.

Aventurarse en nuevos territorios

Los componentes tecnológicos que Airbus Defence and Space evalúa en el marco de INVERITAS presentan considerables retos a los diseñadores y técnicos involucrados. Especialmente difícil es el área de procesado multimodo de datos de sensores, la cual se refiere a la recogida, procesado y combinación de datos complejos, procedentes de diversos sistemas: es decir, combinarlos unos con otros en una relación funcional. Entre ellos se encuentran también los datos de imágenes tomadas en tres dimensiones. "No existe sensor alguno con el que por sí solo se puedan solventar todas las tareas que se presentan, como la localización de un satélite y el subsiguiente acercamiento”, explica Bernd Mädiger. Se necesitarán, por tanto, varios sistemas de cámaras, y entre ellos, un LIDAR (escáner radar), sobre el que está investigando Jena-Optronik dentro de INVERITAS, y puede que hasta un radar.

Una vez disponibles los datos de los sensores, se deben activar los sistemas de guiado, navegación y control (GNC). Es imperativo calcular trayectorias, como por ejemplo, para acercarse a un satélite, y en cuanto el robot de servicio se encuentre cerca, hay que controlar la distancia. "Lo que tenemos es un objetivo que, de hecho, se mueve dando tumbos, lo que significa que cambia constantemente su actitud, y sin embargo, tenemos que llegar a una distancia muy reducida, de aproximadamente uno y medio o dos metros, sin arriesgarnos a una colisión”.

Otra de las investigaciones en el marco de INVERITAS desarrolla un sistema de detección y evitación de peligros para aterrizaje lunar basado en cámaras y en tecnología LIDAR. El hecho de que el satélite terrestre de nombre a este método de procesado de imagen se explica porque, en el futuro, el sistema también se podrá utilizar para aterrizar sobre la Luna, como explica Bernd Mädiger. “En la última fase, cuando en el futuro queramos aterrizar en la Luna de forma totalmente automática –que es, por así decirlo, un objetivo secundario de este proyecto– no queremos que el vehículo de aterrizaje acabe topándose con una roca. En este caso aplicamos los mismos algoritmos de identificación de estructuras para detectar dónde se encuentran los obstáculos, de forma que se puedan activar maniobras de desvío”.

Los diversos sistemas de un robot de servicio deben poder comunicarse entre sí para poder llevar a cabo tareas definidas. Procesado de imágenes, GNC, brazo robótico para asir objetos, la plataforma satélite propiamente dicha... cada uno de estos sistemas ya constituye, en principio, una unidad inteligente. Ahora habrá de encontrarse un concepto que ‘funda’ los subsistemas unos con otros y efectúe la coordinación.

Nave de exploración del DFKI, con el demostrador de sistema de INVERITAS.

Nave de exploración del DFKI, con el demostrador de sistema de INVERITAS.

Ensayo práctico

Mientras, el DFKI, en su calidad de socio de proyecto, ha preparado una nave de 15 por 20 metros en la que están instalados dos robots. Uno es un pequeño robot industrial, que puede portar 60 kilogramos, y que, en la configuración del ensayo, actúa como el objetivo que se mueve erráticamente. Además, hay un sistema de poleas de grandes dimensiones al cual está fijada la unidad de servicio, es decir, el satélite motorizado. A los lados se encuentran diversos dispositivos de iluminación. Con este aparataje se puede representar la totalidad del proceso de cita espacial.

¿Hasta qué punto es difícil el proyecto INVERITAS? “Pienso que en esta investigación nos movemos en los límites de lo que es viable en la actualidad. Lo que interesa particularmente es el procesado de datos de sensores, que es extremadamente difícil debido a las condiciones de iluminación”, dice Bernd Mädiger. “En el espacio tenemos sombras muy contrastadas: donde hay sombra está totalmente oscuro, y donde luce el sol, es extremadamente claro. No existe transición entre un estado y otro. Si queremos reconocer contornos o piezas separadas, la tarea de procesado de datos de la cámara se vuelve extraordinariamente difícil. Otro gran desafío es poder contar con una capacidad de cálculo en órbita lo suficientemente potente para llevar a cabo el procesado de datos de imagen”.

Hasta ahora se han superado todas las evaluaciones de proyecto. En este momento, en la nave de simulación del DFKI se llevan a cabo las pruebas de sensores y algoritmos. El programa INVERITAS se desarrolla según lo planeado, y el proyecto está previsto que finalice a principios del próximo año. ¿Cuáles van a ser los siguientes pasos? “Hay otros proyectos de investigación y tecnología que aprovecharán los logros alcanzados en INVERITAS, y que se ocuparán de las estrategias comerciales para la eliminación de basura espacial”, concluye Bernd Mädiger.

Financiado por la Agencia Espacial del Centro alemán de Investigación Aeroespacial (DLR) con fondos aportados por el Ministerio Federal alemán de Economía y Tecnología, por decreto del Bundestag. Número de referencia de financiación de proyecto 50RA0908.

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