En
2012, el mundo vio como la estación de aterrizaje Curiosity descendió
en la superficie de Marte y comenzó a recoger muestras. Los datos e
imágenes que el robot envió
nos han ayudado a conocer más sobre el planeta rojo y las posibilidades
de vida allí. La misión espacial fue un gran éxito para los diseñadores
e ingenieros del Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Sin embargo,
hasta ahora se ha encontrado poca evidencia
de vida en el pasado o actualmente en Marte.
Representación artística del concepto de aterrizaje en el espacio con diseño generativo
Actualmente,
los científicos creen que los lugares donde es más probable encontrar
vida dentro de nuestro sistema solar, son las lunas de Saturno y
Júpiter. Pero estos
gigantes gaseosos se encuentran más alejados. A 35 millones de millas
lejanas, el viaje a Marte fue corto en comparación con los 365 millones
de millas a las que se encuentra Júpiter. Saturno está a otros 381
millones de millas pasando este último. Llevar
estaciones de aterrizaje a estas áreas representa desafíos de diseño e
ingeniería mucho mayores. Para enfrentar dichos retos JPL y Autodesk se
han unido para llevar a cabo un proyecto de investigación colaborativa
con duración de varios años, con el propósito
de que JPL explore nuevos diseños y procesos de manufactura para la
exploración del espacio con la aplicación de la tecnología del diseño
generativo de Autodesk.
Mark
Davis, director senior de Investigación de la Industria en Autodesk,
fue parte del equipo que tuvo un primer acercamiento con JPL para
realizar una colaboración.
“Ellos tenían claro que no estaban interesados en un incremento mínimo
de ganancias: si solo podían mejorar su desempeño en un 10% básicamente
no estaban interesados. Si podíamos hacer que su rendimiento mejorara un
30% o más a través de nuestro software,
entonces teníamos su atención. Este proyecto demuestra que las
tecnologías de Autodesk pueden ofrecer ahorros masivos a este nivel”.
El
concepto de la estación de aterrizaje es quizá la estructura más
complicada que se haya creado con diseño generativo, se presentó el 13
de noviembre en Autodesk
University 2018, Las Vegas.
La vida de una Estación de Aterrizaje
Para
cumplir con una misión como esta, un módulo interplanetario necesita
realizar funciones operativas complicadas en temperaturas bajo cero y
soportar niveles de
radiación mil veces mayores a los de la Tierra. Pero primero tiene que
tener el suficiente combustible para llegar a su destino.
En
la exploración espacial, el peso en el despegue es una de las
consideraciones más relevantes. Cada kilogramo de masa que se pueda
omitir de la estructura de carga
útil permite un aumento en la carga científica de sensores e
instrumentos para la búsqueda de vida fuera de la Tierra.
Balance entre lo comprobado y lo posible
En
algunas industrias, puede ser considerado como algo bueno el “fallar
rápido”, o llegar a un “producto viable” lo más rápido posible y después
mejorarlo. Pero en
la exploración del espacio, el fracaso tiene un alto costo. Una misión
generalmente solo tiene una oportunidad de ser exitosa y cuenta con muy
pocos planes de respaldo. Es entonces comprensible el por qué los
equipos de JPL son cuidadosos al considerar nuevos
procesos. Se apegan a lo que funciona – materiales calificados como el
titanio y el aluminio, que saben que podrán soportar las condiciones del
espacio, así como procesos de manufactura como el CNC que están
probados para misiones.
Al
mismo tiempo, necesitan explorar lo que las nuevas tecnologías pueden
hacer por ellos, o corren el riesgo que otras compañías los vuelvan
obsoletos. Es un acto de
balance entre lo probado y lo posible.
Dentro
de la compañía, la división Atelier de JPL es el equipo encargado de
probar nuevos enfoques y procesos para después recomendar aquellos que
son prometedores
para los equipos que trabajan en misiones específicas.
“Lo
que hacen es incluir cuidadosamente nueva tecnología en sus procesos”,
dijo Karl Willis, líder de proyecto en Autodesk. “Saben que tienen que
explorar nuevas formas
de hacer las cosas y al mismo tiempo mantener el riego al mínimo”.
Los
miembros del equipo del proyecto ensamblan cuidadosamente los
componentes del módulo de aterrizaje en el centro de tecnología
de Autodesk en San Francisco.
Innovación por Diseño
El
diseño generativo es un enfoque de diseño relativamente nuevo que
utiliza la inteligencia de máquinas y la nube para generar rápidamente
un amplio conjunto de soluciones
de diseño que se ajusta a las restricciones específicas establecidas
por los ingenieros. Les permite a los equipos explorar amplias
posibilidades de diseño sujetas a los requisitos de fabricación y
rendimiento determinadas por el equipo.
La versión comercial de diseño generativo está disponible actualmente en
Fusión 360,
la plataforma de desarrollo de productos basada en la nube de Autodesk.
Davis y su equipo de Autodesk del departamento de tecnología continúan
desarrollando
versiones conceptuales más avanzadas del software para su uso en temas
experimentales, como con JPL. “Hemos desarrollados una versión
personalizada de nuestro software para automovilismo de alto rendimiento
que nos permitió ayudar a nuestros clientes a resolver
múltiples retos al mismo tiempo. Después lo aplicamos a los desafíos de
JPL”, dijo Davis. “Tomamos un sistema desarrollado para ayudar a uno de
nuestros clientes a resolver problemas de niveles de suspensión de un
carro de carreras de la Fórmula 1 y después
aplicamos nuevos requerimientos estructurales críticos para la
exploración de espacio. Esto nos ha dado la oportunidad de mejorar aún
más las capacidades de software, al mismo tiempo que resolvemos retos
más grandes y sofisticados de nuestros clientes”.
Se
utilizaron tres métodos de fabricación diferentes para las diferentes
partes del módulo de aterrizaje: impresión 3D, fresado CNC y fundición.
El
diseño generativo regularmente se asocia con la impresión 3D, también
conocida como fabricación aditiva, adecuada para las formas complejas y
de aspecto orgánico
que el software produce con base en las especificaciones del usuario.
Pero el software también brinda a los usuarios la capacidad de
establecer restricciones para sus otros procesos de fabricación. "Ahora
tenemos la capacidad de ayudar a nuestros clientes
a resolver sus múltiples limitaciones de fabricación simultáneamente,
lo que agrega opciones mecanizadas y de fundición CNC, adicionales a la
impresión 3D", explica Davis. Mientras otros softwares pueden optimizar
una sola pieza por la rigidez y el peso, la
tecnología de diseño generativo de Autodesk es única por su capacidad
de crear diferentes alternativas de diseño y producir una gama de
soluciones viables.
Para
el proyecto del módulo de aterrizaje, el equipo de JPL exploró el uso
de la tecnología experimental de diseño generativo para múltiples
componentes estructurales,
incluida la estructura interna que contiene los instrumentos
científicos y la estructura externa que conecta las patas del módulo de
aterrizaje con la caja de carga útil principal. El equipo ha podido
reducir la masa de la estructura externa en un 35% en comparación
con el diseño base con el que comenzaron.
El equipo conecta cuidadosamente las "patas" en CNC al cuerpo del módulo de aterrizaje.
Aprender, Mejorar, Repetir
Un
beneficio clave del diseño generativo es que permitió al equipo de JPL
repetir diseños rápidamente. "A medida que el diseño madura y se
incorporan nuevos datos de
desempeño o del medio ambiente, el diseño generativo permite a nuestros
clientes crear nuevas opciones de forma más rápida", dice Willis. La
mayoría de los equipos suelen tardar de 2 a 4 meses en cambiar un
diseño, señala. Al trabajar con diseño generativo,
ese proceso puede llevarse a cabo en un periodo de 2 a 4 semanas. "Esa
flexibilidad y velocidad para resolver los retos que van surgiendo, en
lugar de comenzar desde cero, combinada con la capacidad de los clientes
para especificar restricciones de fabricación,
lo convierten en un verdadero cambio para las personas que diseñan este
tipo de estructuras", dice Willis.
Crear
un módulo de aterrizaje que pueda soportar las rigurosas condiciones
del espacio a través de distancias largas es un desafío enorme, por lo
que los diseñadores
de JPL están investigando y utilizando todas las nuevas tecnologías con
las que cuentan. Por ahora, la aplicación del diseño generativo todavía
se considera oficialmente un proyecto de investigación de desarrollo
dentro de JPL. Pero hacer posible lo que parece
imposible es la especialidad de JPL. Tal como el poder de las
computadoras centrales ayudó al programa espacial a alcanzar nuevos
niveles en la década de los 60, las tecnologías como el diseño
generativo están creando nuevas posibilidades en la exploración
espacial, lo que nos permite ir más allá y aprender más sobre nuestro
lugar en el universo.
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