Το νέο «σεληνιακό σακίδιο» της NASA μπορεί να δημιουργήσει έναν τρισδιάστατο χάρτη εδάφους σε πραγματικό χρόνο για να βοηθήσει τους σεληνιακούς εξερευνητές

Σκεφτείτε μια ορειβατική αποστολή σε ένα εντελώς άγνωστο περιβάλλον, όπου οι πεζοπόροι είχαν τη δυνατότητα να δημιουργήσουν έναν τρισδιάστατο χάρτη του εδάφους σε πραγματικό χρόνο. NASA Ερευνητές και συνεργάτες της βιομηχανίας έχουν αναπτύξει ένα σύστημα χαρτών τηλεπισκόπησης που θα βοηθήσει τους εξερευνητές σε μια από τις πιο απομακρυσμένες περιοχές που μπορεί κανείς να φανταστεί: τις άερες ερημιές του νότιου πόλου της Σελήνης.

Το Kinetic Navigation and Mapping Bag (KNaCK) είναι ένας φορητός σαρωτής lidar – μια τεχνολογία τηλεπισκόπησης που μετρά την απόσταση χρησιμοποιώντας ανίχνευση φωτός και φως λέιζερ. Φοριέται σαν σακίδιο πεζοπορίας και χρησιμοποιεί έναν καινοτόμο τύπο lidar που ονομάζεται lidar με διαμόρφωση συχνότητας συνεχών κυμάτων (FMCW) για να παρέχει ταχύτητα Doppler και εμβέλεια σε εκατομμύρια σημεία δεδομένων ανά δευτερόλεπτο. Αυτά τα σημεία μέτρησης δημιουργούν ένα σύστημα πλοήγησης σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας στον πλοηγό ένα τρισδιάστατο «σύννεφο σημείων» ή μια αναπαράσταση υψηλής ανάλυσης του περιβάλλοντος περιβάλλοντος.

Θεωρήστε το μια υπερτροφοδοτούμενη έκδοση των αποστασιογράφων λέιζερ που χρησιμοποιούνται από επιθεωρητές ή τους εξαιρετικά ευαίσθητους συναγερμούς εγγύτητας που βοηθούν τα έξυπνα αυτοκίνητα να αποφεύγουν τις συγκρούσεις, σύμφωνα με τον πλανητικό επιστήμονα Dr. Michael Zanetti, ο οποίος ηγείται του έργου KNaCK στο Marshall Space Flight Center της NASA στο Huntsville της Αλαμπάμα.

«Ουσιαστικά, ο αισθητήρας είναι ένα εργαλείο σάρωσης τόσο για επιστημονική πλοήγηση όσο και για χαρτογράφηση, ικανό να δημιουργεί τρισδιάστατους χάρτες εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης με ακρίβεια σε επίπεδο εκατοστών και να τους δίνει ένα πλούσιο επιστημονικό πλαίσιο», είπε ο Zanetti. «Θα συμβάλει επίσης στη διασφάλιση της ασφάλειας των αστροναυτών και των περιφερόμενων οχημάτων σε περιορισμένο περιβάλλον χρησιμοποιώντας GPS όπως το φεγγάρι, προσδιορίζοντας τις πραγματικές αποστάσεις από μακρινά ορόσημα και δείχνοντας στους εξερευνητές σε πραγματικό χρόνο πόσο μακριά έχουν φτάσει και πόσο μακριά πρέπει να πάνε για να φτάσουν προορισμός.”

Αυτή είναι μια μεγάλη πρόκληση καθώς εξερευνητές της εποχής της Άρτεμις προετοιμάζονται για τις πρώτες σύγχρονες αποστολές στη Σελήνη και την πρώτη στον Νότιο Πόλο. Ο ήλιος δεν ανατέλλει ποτέ περισσότερο από 3 μοίρες πάνω από τον σεληνιακό ορίζοντα εκεί, αφήνοντας μεγάλο μέρος του εδάφους σε βαθιά σκιά. Αυτό καθιστά τις αποστάσεις από διαφορετικά σημεία ενδιαφέροντος δύσκολες στο βολβό του ματιού.

Αυτό το βίντεο ενός μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος που προσγειώνεται σε μια σκονισμένη έρημο του Νέου Μεξικού δείχνει πώς η τεχνολογία KNaCK — η οποία χρησιμοποιεί δεδομένα 4D FMCW-lidar από τη NASA Aeva Inc. Βλέπεται στο επάνω αριστερό πλαίσιο. Δεδομένα ζώνης lidar, πάνω δεξιά. και δεδομένα ταχύτητας Doppler για το lidar. Το τελευταίο παρακολουθεί την ταχύτητα και την κατεύθυνση των σωματιδίων σκόνης που μετακινούνται από το κατερχόμενο drone, με το κόκκινο να δείχνει ότι τα σωματίδια σκόνης απομακρύνονται από το σαρωτή και το μπλε να δείχνει εκείνα που κινούνται προς αυτόν. Αυτές οι δυνατότητες, που τώρα αναπτύσσονται από ερευνητές στο Marshall Space Flight Center της NASA στο Huntsville της Αλαμπάμα, θα μπορούσαν να ωφελήσουν μελλοντικές επιστημονικές αποστολές σε άλλους κόσμους καθώς και να επιτρέψουν την τοπογραφική χαρτογράφηση σε πραγματικό χρόνο από εξερευνητές. Πίστωση: NASA/Michael Zanetti

Το έργο KNaCK, το οποίο ξεκίνησε το 2020 με χρηματοδότηση από την Πρωτοβουλία Πρώιμης Σταδιοδρομίας της NASA, είναι σε συνεργασία με την Torch Technologies Inc. στο Huntsville για να αναπτύξει το πρωτότυπο του σακιδίου και τους σχετικούς αλγόριθμους πλοήγησης που επιτρέπουν ακριβή χαρτογράφηση χωρίς GPS. Ο εμπορικός πωλητής του έργου, Aeva Inc. στο Mountain View, Καλιφόρνια, για την παροχή αισθητήρων και υποστήριξης FMCW-lidar και για συνεργασία με τη NASA για τη βελτίωση του συστήματος ανίχνευσης σακιδίων για χρήση στη Σελήνη και σε άλλες ανθρώπινες αποστολές πέρα ​​από τον πλανήτη.

Χρησιμοποιώντας το KNaCK κατά τη διάρκεια περιπλανώμενων αποστολών και όταν ταξιδεύετε με τα πόδια, οι εξερευνητές μπορούν να χαρτογραφήσουν με ακρίβεια το έδαφος ενός τοπίου, συμπεριλαμβανομένων βαθιών κοιλάδων, βουνών και σπηλαίων. Το Lidar λειτουργεί επίσης στο σκοτάδι σας, απαλλάσσοντας τους αστροναύτες από την ανάγκη να μεταφέρουν δυσκίνητες συσκευές φωτισμού όπου κι αν πάνε.

«Ως άνθρωποι, τείνουμε να προσανατολιζόμαστε με βάση τα ορόσημα – ένα συγκεκριμένο κτίριο, ένα άλσος δέντρων», είπε ο Zanetti. “Αυτά τα πράγματα δεν υπάρχουν στη Σελήνη. Το KNaCK θα επιτρέπει συνεχώς στους εξερευνητές που περνούν την επιφάνεια να καθορίζουν την κίνηση και την κατεύθυνσή τους και να τους κατευθύνουν σε μακρινές κορυφές ή τη βάση των δραστηριοτήτων τους. Μπορούν ακόμη και να εντοπίσουν συγκεκριμένες τοποθεσίες όπου έχουν βρει κάποιο μοναδικό ορυκτό ή βραχώδεις σχηματισμούς, ώστε άλλοι να μπορούν εύκολα να επιστρέψουν για περισσότερη μελέτη».

Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τους αστροναύτες όλο το εικοσιτετράωρο, καθώς οι πτήσεις τους περιορίζονται από την παροχή οξυγόνου στις στολές τους. Ο Zanetti είπε ότι η ακρίβεια υψηλής ανάλυσης του KNaCK – μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από τους παραδοσιακούς χάρτες σεληνιακού εδάφους και τα μοντέλα υψομέτρου – το καθιστά ζωτικό πόρο για τη διεξαγωγή επιστημονικών επιχειρήσεων και αποστολών 238.900 μίλια από τον έλεγχο της αποστολής.

Η συσκευή θα υποβληθεί σε άλλη μια σημαντική επιτόπια δοκιμή στα τέλη Απριλίου στο Εικονικό Ινστιτούτο Ερευνών για την Εξερεύνηση του Ηλιακού Συστήματος της NASA (SSERVI) στο Kilburn Hall του Νέου Μεξικού. Η ομάδα προηγουμένως έβαλε το σύστημα KNaCK σε αυτόν τον αρχαίο ηφαιστειακό κρατήρα —που εκτιμάται ότι είναι 25.000-80.000 ετών— τον Νοέμβριο του 2021. Πρόσφατα το χρησιμοποίησαν επίσης για να εκτελέσουν μια τρισδιάστατη ανακατασκευή των θαλάσσιων αμμόλοφων 6 μιλίων στο Διαστημικό Κέντρο Κένεντι NASA στη Φλόριντα, το οποίο προστατεύει τα κύρια σημεία εκτόξευσης πυραύλων. Οι μηχανικοί Kennedy και Marshall θα συνεχίσουν να χρησιμοποιούν το KNaCK για να αξιολογήσουν τον αντίκτυπο των καταιγίδων στη διάβρωση των αμμόλοφων, διασφαλίζοντας την ασφάλεια των μελλοντικών αποστολών πτήσης καθώς βελτιώνουν το σύστημα.

Στη συνέχεια, η ομάδα του KNaCK θα εργαστεί για τη σμίκρυνση των συσκευών – ένα πρωτότυπο σακιδίου ζυγίζει περίπου 40 κιλά – και θα ενισχύσει τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά έναντι των αντίθετων επιπτώσεων της μικροβαρύτητας και της ηλιακής ακτινοβολίας.

«Αξιοποιώντας τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία lidar από την Aeva, η επόμενη γενιά της μονάδας μας που έχει σκληρυνθεί στο διάστημα που τροφοδοτείται από την Torch Technologies θα έχει το μέγεθος ενός κουτιού αναψυκτικού και μπορεί να επιτρέψει λειτουργίες στη σεληνιακή επιφάνεια όπως ποτέ άλλοτε», είπε ο Zanetti. Οραματίζεται να είναι τοποθετημένο σε ένα άρμα ή στο πλάι του κράνους ενός αστροναύτη — το οποίο θα πρέπει να αφήνει άφθονο χώρο σε σακίδια πολλαπλών χρήσεων για τους μελλοντικούς σεληνιακούς ορειβάτες.