Nasa cogita explorar Titã, lua de Saturno

Alberto Elfes, engenheiro brasileiro do Laboratório de Propulsão a Jato da agência espacial fala sobre missões comandadas por robôs.
No mês passado, Barack Obama anunciou a inclusão da Nasa no seu plano de corte de gastos. As prioridades da agência nas próximas décadas ainda não foram definidas, mas devem refletir a nova situação. Missões não-tripuladas, como a dos robôs marcianos, podem ganhar destaque: além de um custo menor, oferecem maior segurança de resultados.
O brasileiro Alberto Elfes, de 57 anos, trabalha desde 2001 no Jet Propulsion Lab (JPL, na sigla em inglês), justamente a unidade responsável pelas missões não-tripuladas da agência espacial americana. Há cerca de 5,5 mil funcionários no JPL. Apenas cem possuem o cargo de "principal researcher" - algo equivalente a pesquisador sênior ou professor titular, no Brasil -, o mais alto na hierarquia de pesquisa. Elfes, um filho de alemães que nasceu em Maceió, pertence a este seleto grupo.
No ano passado, veio ao Brasil para um seminário sobre mineração do futuro organizado pelo Instituto Tecnológico Vale (ITV), entidade que coordena as ações de ciência e tecnologia da Vale. Falou ao Estado sobre seu trabalho na Nasa e o sonho de uma missão para Titã.
Quais são seus principais projetos no JPL da Nasa?
Trabalho na área de sistemas robóticos autônomos. Meus principais projetos são um dirigível autônomo - para missões aéreas em Vênus, Titã (um satélite de Saturno), os gigantes gasosos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) e até mesmo Marte -, barcos robóticos - úteis para estudos oceanográficos e fluviais na Terra - e, por fim, veículos robóticos para ambientes extremamente difíceis de serem explorados como as florestas tropicais, por exemplo.
A tendência agora é só mandar robôs ao espaço?
É uma discussão complicada. Há dois partidos na Nasa: o pessoal das missões tripuladas - com sede no Johnson Space Center, em Houston (Texas), responsável pelos ônibus espaciais e pela Estação Espacial Internacional (ISS, na sigla em inglês) - e o pessoal das missões não-tripuladas - com sede no JPL, em Pasadena (Califórnia). Se você conversar com a turma das missões não-tripuladas, ouvirá que missão tripulada é uma bobagem: você coloca vidas em risco, é absurdamente caro e não traz o resultado científico de uma missão não-tripulada. Obviamente, o pessoal das missões tripuladas vai responder: 'Temos de ir para outros lugares porque esse é o destino humano: procurar novos horizontes, vencer novas fronteiras.' Sou da área de missões não-tripuladas e concordo com o argumento do risco humano e do custo, mas reconheço que o outro lado tem alguma razão. Poderíamos ficar em casa e ver fotos de Paris ou da Amazônia. Mas ninguém fica satisfeito com isso. Queremos ver ao vivo, colocar os pés lá. De qualquer forma, mandar um ser humano para Marte e trazê-lo de volta é um desafio tecnológico brutal e ainda não temos o conhecimento necessário para fazer isso. Uma proposta de missão tripulada para Marte previa três anos de viagem - um para ir, outro para permanecer lá e outro para voltar - e um custo da ordem de US$ 30 bilhões (cerca de R$ 50 bilhões). Muito otimismo. Pode colocar mais um zero no custo. Basta pensar, por exemplo, no problema da radiação cósmica. A atmosfera de Marte é rarefeita e o campo magnético do planeta não é contínuo. Como consequência, há vastas regiões onde a incidência de radiação cósmica é muito forte. Como proteger os astronautas? Blindando as naves, os módulos que vão desembarcar no planeta e até os trajes espaciais? Tudo fica pesado demais e aumentam as dificuldades da missão. Na verdade, já conhecemos uma solução para esse problema: há regiões onde o campo magnético marciano é extremamente forte e outras onde ele praticamente não existe. Poderíamos levar os astronautas para regiões onde o campo magnético é forte, diminuindo o efeito da radiação cósmica. Mas ainda há inúmeras questões semelhantes a esta sem resposta.
Há continuidade entre seu trabalho na Nasa e sua carreira no Brasil?
Sim. Fui diretor do Instituto de Automação do Centro Tecnológico de Informática (CTI, atual Centro de Tecnologia de Informação Renato Archer), em Campinas, um centro de pesquisa ligado ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). Quando assumi o cargo, percebi que era necessário escolher bons projetos para recuperar o entusiasmo do pessoal. Propus então um dirigível autônomo para monitoramento ambiental: o Projeto Aurora. Começamos a trabalhar em 1996. Dois anos depois, publicamos o primeiro paper com os resultados preliminares. Preferimos um dirigível a um helicóptero ou a um avião não-tripulados, pois ele pode permanecer mais tempo no ar a um custo muito menor. Foi o primeiro projeto no mundo de um dirigível autônomo. No Brasil, foi provavelmente o primeiro veículo aéreo não-tripulado a alçar voo. Os papers que a equipe do CTI publicou entre 1998 e 2005 são os trabalhos mais citados quando o assunto é dirigíveis autônomos. Cheguei no JPL em 2001. Em 2002, escrevi um projeto para conseguir dinheiro para desenvolver um dirigível autônomo na Nasa. Já se cogitava o uso dessa tecnologia em missões para Titã ou Vênus. O dinheiro saiu em 2003. Compramos o veículo de uma empresa inglesa - a mesma que forneceu o primeiro dirigível que usamos em Campinas - e começamos a recheá-lo com nossa tecnologia: processadores, sensores, GPS etc. Minha equipe do JPL pesquisou então todos os artigos já publicados que poderiam orientar nosso trabalho. Vieram então me dizer: 'Alberto, os trabalhos mais importantes nesta área são os da sua equipe no Brasil.' Como brasileiro, fiquei muito contente. Temos gente qualificada no País capaz de fazer pesquisa de nível internacional. Só em 2009 alcançamos no JPL o mesmo nível de conhecimento e desenvolvimento do Projeto Aurora.
E qual é o estado atual da missão para Titã?
No começo de 2009, foi apresentada uma proposta de missão para Titã chamada Titan Saturn System Mission (TSSM). A Agência Espacial Europeia (ESA, na sigla em inglês) também participaria, uma forma de diminuir custos e incentivar a cooperação. Há a expectativa de que a missão para Titã seja aprovada para lançamento em 2018. Neste exato momento, a Nasa realiza seu 'decadal survey', uma pesquisa decenal em diferentes áreas, entre elas, o espaço profundo. Estão decidindo, por exemplo, quais os alvos para os próximos 10, 20 ou 30 anos e quais as principais perguntas científicas a serem respondidas. Os resultados devem sair neste semestre. Estamos torcendo para que a missão de Titã seja considerada de alta prioridade, para ser lançada em um futuro próximo.
Fale um pouco sobre a TSSM.
Eles propuseram um objeto que permaneceria na órbita de Titã - um orbitador - e realizaria o mapeamento do satélite no infra-vermelho e com radares. Também haveria um veículo aéreo - provavelmente um Montgolfière (balão de ar quente) - e um pequeno barco que desceria de pára-quedas em um dos lagos de satélite de Saturno. Os dois permaneceriam ativos por um tempo limitado, realizariam análises físico-químicas de Titã e enviaram os dados antes de acabar a energia.
Por que a energia é um limitante tão importante?
As missões que ultrapassam Marte não podem mais contar com a energia solar. As sondas Galileu (que explorou Júpiter), Cassini (que investiga Saturno) e as Voyagers (que já estão deixando o Sistema Solar) usaram um Radioisotophe Thermal Generator (RTG): uma pílula muito pequena de material radioativo, normalmente plutônio. O decaimento da substância produz calor que é transformado em energia elétrica. Na missão para Titã, o orbitador e o veículo aéreo possuiriam RTGs.
Vocês estão estudando dirigíveis, mas disse que a missão para Titã prevê um Montgolfière.
Há vantagens e desvantagens nos dois modelos. O dirigível é mais ágil, mas você precisa levar hélio da Terra para encher o balão e sempre pode vazar um pouco. Um colega realizou um estudo sobre a viabilidade de se substituir o hélio por hidrogênio extraído da atmosfera de metano de Titã: desta forma, não precisaríamos levar o gás da Terra. Mas seria mais um sistema, mais uma complexidade e, portanto, mais um fator de risco. Ou seja, o dirigível é um veículo com uma capacidade de exploração científica muito alta, mas com alguns fatores de risco. No balão de ar quente, não precisamos levar o gás da Terra: basta pegar o ar atmosférico e aquecê-lo para encher o balão. Qual a desvantagem? Você não o controla. Só consegue fazer que suba ou desça. Fica refém das correntes de ar. Fiz um estudo sobre como são os ventos em Titã para prever como poderíamos aproveitar as correntes e visitar lugares onde gostaríamos de realizar observações. Analisamos também soluções híbridas como, por exemplo, colocar hélices na gôndola. Não teria a mesma agilidade de um dirigível, mas haveria um pouco de controle.
A tecnologia já está madura?
Por enquanto, estamos amadurecendo os subsistemas. Já conseguimos, por exemplo, demonstrar que o dirigível é capaz de passar por vários pontos especificados no espaço tridimensional da atmosfera. Também descobrimos um jeito de coletar material na superfície do planeta: um cilindro oco que lançamos na direção do chão como um arpão. Ele se finca no chão e depois pode ser içado carregando um pouco de terra. A amostra seria analisada pelo laboratório químico a bordo do dirigível e os dados enviados para a Terra. Também testamos mecanismos para diagnóstico de falhas e as respectivas ações de emergência. Mas se a Nasa perguntasse 'estão prontos?', a resposta seria 'ainda não'.
Quais os critérios para a escolha de uma missão?
Para uma missão ser aprovada, você apresenta um conceito (equivalente a um esboço) de missão ao centro de operações da Nasa. Se eles gostarem, você volta para casa e detalha a proposta especificando o tipo de pesquisa que pretende realizar, os instrumentos e equipamentos que gostaria de levar, uma estimativa do custo etc. Depois retorna ao centro de operações e reapresenta a proposta. Se gostarem mais uma vez, pedirão para detalhar ainda mais. Essas idas e vindas repetem-se algumas vezes. Chega uma hora que você consegue listar as tecnologias maduras, imaturas etc. Com toda essa informação, a Nasa avalia a viabilidade da missão com base em três variáveis: ganho científico, custo e risco. A preocupação número um é o risco. Quando uma missão fracassa, há um impacto imenso na opinião pública e no moral das pessoas que investiram anos da sua vida naquilo. Além disso, sempre há gente no Congresso (dos EUA) perguntando se vale a pena gastar tanto dinheiro com o programa espacial. Na prática, se a Nasa tem dois esboços para a mesma missão - um mais arriscado e promissor do ponto de vista científico e outro mais seguro e modesto nos resultados -, preferirá o de menor risco. Talvez sugira aos autores do esboço mais audaz: 'Gostamos da ideia, mas vocês precisam trabalhar para amadurecer a tecnologia e baixar o risco.'
E como a Nasa garante a segurança de uma tecnologia?
A Nasa utiliza uma escala chamada Nível de Maturidade da Tecnologia (TRL, na sigla em inglês). Há nove níveis. O TRL-1 é aquela ideia que tivemos conversando em um bar e rascunhamos no guardanapo. No outro extremo, o TRL-9 é o robô em Marte, feito para permanecer só 180 dias funcionando, mas que há sete anos continua trabalhando sem apresentar problemas. O TRL-3 é quando você pegou sua ideia do guardanapo e montou um mecanismo precário sobre a bancada do laboratório para provar que a ideia faz sentido. O TRL-6 é quando você venceu a etapa de pesquisa e desenvolvimento e já construiu um sistema autônomo de verdade, pronto para ser testado fora do laboratório, em campo, onde ele fica vulnerável às intempéries. Mas ainda está longe do TRL-9, que é quando o veículo poderia ser enviado para Titã, por exemplo. A Nasa estima que o itinerário de TRL-1 para TRL-6 corresponde a 10% dos custos de uma missão. Cerca de 90% do dinheiro é gasto para levar o equipamento de TRL-6 a TRL-9. Isso dá uma ideia de onde está o foco de atenção.
Como são as discussões que acompanham o desenho de uma missão?
Participar de discussões que definem as missões espaciais da Nasa é muito interessante e, às vezes, muito frustrante. Há diferentes grupos, com objetivos muito diferentes. Os cientistas sempre querem mais: mais instrumentos, mais medidas, mais observações, mais tempo, mais terabytes de dados... O pessoal da engenharia joga um balde de água fria: 'Pode esquecer. Se colocarmos tudo o que vocês querem, a nave não sai da órbita da Terra de tão pesada. Além disso, o custo seria dez vezes o orçamento da Nasa'. Ao mesmo tempo, o pessoal da engenharia deseja muito colocar em prática suas soluções brilhantes e inovadoras. Então, é a vez do pessoal de (coordenação das) missões jogar um balde de água fria: 'Pode esquecer. O risco é muito alto. Vamos usar tecnologias com mais de 30 anos de estrada para ter certeza que funciona'. Como é fácil imaginar, algumas discussões ficam extremamente emocionais.
Como o JPL funciona por dentro?
O JPL tem uma estrutura complexa que poderíamos chamar de matricial. Imagine uma tabela. As colunas seriam as diretorias das diferentes áreas: exploração de marte, planetas exteriores (aqueles que estão depois de marte), ciências terrestres etc. As linhas seriam as diversas equipes organizadas segundo a aptidão dos seus membros: a minha linha é o departamento de robótica por exemplo. O dinheiro costuma entrar pelas colunas (pelas diretorias) e as pessoas são alocadas em uma determinada linha dependendo do departamento a que pertencem. Cada colaborador costuma estar sempre na intersecção de uma linha com uma ou várias colunas. No meu caso, por exemplo, estou na linha do departamento de robótica e recebo financiamento para o dirigível autônomo pela área de planetas exteriores (que é onde se encaixa a missão para Titã). Já para os barcos de monitoramento ambiental, recebo dinheiro da área de ciências terrestres.
Há intercâmbio com agências espaciais de outros países?
Depende. Não é só uma questão de tecnologia, mas também de política. Atualmente, há muita cooperação com a agência espacial russa. Há até uma certa dependência dos russos: com o fim do programa dos ônibus espaciais, a Nasa precisa deles para levar carga e astronautas à ISS. Existe também cooperação com a agência espacial japonesa em várias missões. Com os europeus, o JPL enviou a sonda Cassini para explorar Saturno, que chegou ao destino em 2004. Quando a Cassini passou perto de Titã, em fevereiro de 2005, lançou a sonda Huygens - pertencente à ESA - em direção ao satélite. Os dados obtidos na missão foram captados pelos americanos no Deep Space Network e retransmitidos aos europeus. Ou seja, há muito trabalho conjunto. Já houve até cooperação com os brasileiros no treinamento do astronauta (Marcos Pontes). Mas não sei se há muitos projetos com a China, por exemplo.
Por que alguém recorreria a veículos robóticos na Terra?
Já estive algumas vezes na Amazônia. Sem dúvida, é muito divertido. Mas, no dia a dia, eu prefiro ficar em uma sala com ar condicionado, enquanto um robô lá fora coleta dados e imagens em alta resolução, no meio do calor e dos mosquitos. Você diminui o risco. Além disso, sistemas robóticos são mais baratos que uma missão exploratória com seres humanos. Um barco convencional de pesquisa custa milhões de dólares. A operação do barco e a tripulação, idem. Um barco robótico (marítimo) custa, no máximo, US$ 15 mil (cerca de R$ 25 mil). Colegas da Universidade Carnegie Mellon, nos EUA, desenvolveram embarcações autônomas para lagos de até US$ 5 mil (cerca de R$ 8 mil). Ou seja, com um barco convencional tripulado é possível adquirir vários veículos robóticos. Desta forma, posso distribuí-los na região que desejo estudar. Algo útil para situações como o acidente no Golfo do México (em abril, quando uma plataforma da British Petroleum explodiu e milhões de barris de óleo foram lançados no oceano): se esta tecnologia estivesse disponível poderíamos monitorar a extensão da mancha de petróleo e o impacto ecológico do vazamento.
Qual é o grau de autonomia que um robô pode ter?
Não existem robôs totalmente autônomos. Para realizar sua função, todo veículo precisa ser teleoperado (controlado à distância) ou pré-programado - ou as duas coisas ao mesmo tempo. Damos autonomia ao robô nas operações mais simples para que o ser humano possa se concentrar nas decisões estratégicas. No barco robótico, por exemplo, o cientista define as áreas de interesse e o veículo escolhe sozinho a trajetória e o modo como mapeará essas áreas. Naturalmente, quanto maior a distância do supervisor humano, maiores são as exigências de autonomia. O tempo de comunicação entre a Terra e Marte - ida e volta de uma mensagem - costuma variar de 15 a 30 minutos. Se o robô em Marte enviasse uma imagem mostrando que ele caminha rapidamente para o abismo, não adiantaria apertar o botão vermelho "pare" na Terra: quando a ordem chegasse ao planeta vizinho, já não haveria robô lá para ouvir. O robô deve identificar o perigo - e evitá-lo - sozinho. O tempo de comunicação entre Terra e Titã é ainda maior: em média, duas horas e meia. Ou seja, a autonomia de uma missão para Titã deve superar a de Marte. No planeta vermelho, o robô recebe comandos do tipo: vá cinquenta metros a frente, aproxime-se daquela rocha e realize tal conjunto de medidas. Na lua de Saturno, as ordens seriam mais complexas: explore esta região ou aquele lago.
Suas pesquisas podem ser úteis para aplicações mais próximas ao cotidiano das pessoas, como a criação de um sistema autônomo para guiar os carros em uma cidade, por exemplo?
Sim. Não é uma aplicação direta, mas há um conjunto de tecnologias de base que você precisa para qualquer sistema autônomo. Há, por exemplo, uma metodologia para mapeamento e navegação chamada 'occupancy grid' que inventei no meu doutorado na Carnegie Mellon. Ela despertou muito interesse na comunidade de robótica móvel, pois pode ser aplicada em um espectro amplo de projetos. Na época, os 'olhos' dos nossos robôs eram sensores de sonar de 30 dólares - os mesmos usados para ajustar o foco em máquinas polaroid. Cada robô tinha vários sensores e direcionava os sonares para todos os lados. Com os dados obtidos dos sensores, o robô montava um mapa geométrico do mundo circundante formado por linhas. Mas, várias vezes, os obstáculos absorviam a onda emitida pelo sonar ou ela incidia de forma muito oblíqua no obstáculo, sem retornar da forma esperada ao robô. Os dados obtidos não eram precisos e os mapas construídos ficavam péssimos. Esse modelo esquece a incerteza inerente a qualquer medida obtida por sensores. Decidi substituir os mapas geométricos por um modelo que usa uma grade para representar o mundo: para cada quadradinho da grade, eu calculo uma probabilidade daquele lugar estar ocupado ou vazio. Se um sonar fala que há um obstáculo naquele quadradinho, cresce a probabilidade de existir algo ali. Se outro afirma que não há nada, a probabilidade diminui. Nunca tenho certeza absoluta sobre o que há em cada quadradinho, mas posso me mover pelo trajeto em que a probabilidade de encontrar obstáculos é baixa. Funciona surpreendentemente bem. Quando cheguei ao JPL, em 2001, um dos colegas comentou comigo: 'Você sabia que a tecnologia dos 'occupancy grids' inventada por você é usada no sistema de navegação dos robôs que serão enviados à Marte?' Naquela época eles ainda estavam na Terra passando pelos últimos testes. Foram enviados ao planeta vermelho dois anos depois, em 2003.
Você veio ao Brasil para um evento do Instituto Tecnológico Vale. Quais os pontos em comum da robótica espacial e da robótica na mineração?
Nas duas, há a exigência de que o negócio funcione. Os sistemas devem ser robustos. Na universidade, se você precisa de um equipamento e ele não funciona, basta consertar e amanhã refazer o experimento. Você não deixará de escrever o paper. Agora, se o equipamento quebra em uma lua de Saturno ou 500 metros debaixo da terra, temos um problema sério. Normalmente, não dá para trazer o equipamento de volta e mandar para o conserto. Você precisa prever todas as falhas e corrigi-las antes que se manifestem.
Há outras vantagens no uso de sistemas robóticos?
Além do custo, há a questão da segurança, pois você não precisa colocar pessoas em situações de risco. Áreas como a mineração podem beneficiar-se muito da robótica. Todos os meses, vemos nos jornais histórias de mineiros que ficaram presos depois de um desmoronamento ou de uma explosão: Chile, EUA, China... Seria ótimo se máquinas pudessem arcar com os riscos no lugar dos humanos. Além disso, o sistema robótico pode ser adaptativo: extrai o material e, ao mesmo tempo, realiza uma análise química rápida para determinar a direção do veio de minério. A precisão aumenta a eficiência e pode diminuir a produção de resíduos, algo interessante do ponto de vista ecológico, uma preocupação cada vez maior das empresas do setor. Como comentamos, há espaço também para a robótica ambiental que pode ser usada para monitorar o entorno da área de mineração: com barcos robóticos, redes de sensores, veículos aéreos... É possível fazer um rastreamento muito detalhado do impacto ecológico.
É mais fácil criar sistemas autônomos para operarem na Terra?
Nem sempre. Há uma dificuldade associada aos sistemas autônomos na Terra. Na adolescência, eu adorava os livros do Isaac Asimov. Lembro até hoje da primeira lei da robótica que ele inventou: 'Um robô não pode ferir um ser humano'. De fato, aqui precisamos nos preocupar com as pessoas que estão ao redor do robô, pois ele não pode feri-las. Em 2000, fiz um ano sabático na Alemanha e participei do projeto de uma cadeira de rodas inteligente: o cadeirante só precisava especificar o ponto onde queria chegar e a cadeira escolhia o percurso. Testamos em vários lugares, inclusive na estação de trem municipal durante o horário de rush. O mecanismo que inventamos era polido: se uma pessoa pretendia cruzar o caminho do cadeirante, a cadeira de rodas parava e cedia passagem. Se alguém caminhava na direção do cadeirante, a cadeira desviava e passava ao largo. É um exemplo simples, mas mostra como um sistema robótico que vai trabalhar em um ambiente com gente tem requisitos de segurança ainda mais exigentes.
Você pensa em voltar ao País?
Um dos meus sonhos é voltar ao Brasil para trabalhar em sistemas robóticos para monitoramento ambiental e pesquisa de biodiversidade. Há muita coisa interessante que pode ser feita. Eu gostaria, por exemplo, de usar sistemas robóticos para explorar a copa das florestas tropicais, um dos ecossistemas menos conhecidos e com uma das maiores concentrações de biodiversidade do planeta. Há pouco conhecimento pois o ambiente de trabalho é normalmente inóspito e, às vezes, diretamente hostil: há coisas querendo morder ou envenenar você, há calor, umidade, doenças como micoses, malária... Além disso, existe a questão logística: não é fácil movimentar-se ou carregar equipamento na floresta. Você acaba precisando de gente, um recurso caro. E quando o objetivo é explorar as copas, o problema torna-se praticamente impossível de resolver. Não temos um jeito razoável de se locomover lá: em alguns lugares utilizam torres, pontes suspensas, guindastes... em outros, o pessoal usa equipamento de alpinismo. Enfim, sempre é penoso. Muito mais fácil estudar a biodiversidade da savana. Basta um jipe. Mas convém estudar as copas. Não só pela biodiversidade: outra questão interessante que poderia ser estudada na copa das árvores é o balanço da troca de gases ou de água da floresta com a atmosfera. Já pensei em um dirigível autônomo que para e desce os sensores para dentro da copa, mede os gases, grava vídeos, coleta folhas... depois anda um quilômetro e repete o processo. Mas também poderíamos pensar em robôs parecidos com macacos que andariam por dentro da copa das árvores, algo, sem dúvida, muito mais complexo.