Nowy „Lunar Backpack” NASA może tworzyć trójwymiarową mapę terenu w czasie rzeczywistym, aby pomóc odkrywcom Księżyca

Michael Zanetti, planetolog NASA z NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville w stanie Alabama, podnosi stożek Cinder na polu wulkanicznym Potrillo w Nowym Meksyku pod koniec 2021 roku, testując prototyp wielkości plecaka NASA Navigational and Mapping Suitcase (KNaCK). Obecnie trwają prace nad mobilnym skanerem lidarowym, który ma wspierać eksplorację Księżyca i misje naukowe. Źródło: NASA/Michael Zanetti

Pomyśl o wyprawie górskiej w zupełnie nieznanym środowisku, gdzie wędrowcy mieli możliwość stworzenia trójwymiarowej mapy terenu w czasie rzeczywistym. NASA Naukowcy i partnerzy przemysłowi opracowali system map teledetekcyjnych, który pomoże badaczom w jednym z najbardziej odległych regionów, jakie można sobie wyobrazić: bezwietrznych pustkowiach bieguna południowego Księżyca.

Kinetic Navigation and Mapping Bag (KNaCK) to przenośny skaner lidar – technologia teledetekcji, która mierzy odległość za pomocą wykrywania światła i światła laserowego. Jest noszony jak plecak turystyczny i wykorzystuje innowacyjny rodzaj lidaru zwanego lidarem z falą ciągłą z modulacją częstotliwości (FMCW), aby zapewnić prędkość i zasięg Dopplera do milionów punktów danych na sekundę. Te punkty pomiarowe tworzą system nawigacji w czasie rzeczywistym, zapewniający nawigatorowi trójwymiarową „chmurę punktów” lub reprezentację otaczającego środowiska w wysokiej rozdzielczości.

Uważaj to za doładowaną wersję dalmierzy laserowych używanych przez geodetów lub bardzo czułych alarmów zbliżeniowych, które pomagają inteligentnym samochodom uniknąć kolizji, według planetologa dr Michaela Zanetti, który kieruje projektem KNaCK w NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville w stanie Alabama.

„Zasadniczo czujnik jest narzędziem skanującym zarówno do nawigacji naukowej, jak i mapowania, zdolnym do tworzenia map 3D o ultrawysokiej rozdzielczości z dokładnością do centymetra i nadawania im bogatego kontekstu naukowego” – powiedział Zanetti. „Pomoże to również zapewnić bezpieczeństwo astronautom i wędrującym pojazdom w ograniczonym środowisku za pomocą GPS, takiego jak księżyc, określając rzeczywiste odległości do odległych punktów orientacyjnych i pokazując odkrywcom w czasie rzeczywistym, jak daleko zaszli i jak daleko im zostało do przejścia dotrzeć do celu”.

To duże wyzwanie, ponieważ odkrywcy epoki Artemidy przygotowują się do pierwszych nowoczesnych misji na Księżyc i pierwszej w historii misji na Biegun Południowy. Słońce nigdy nie wschodzi wyżej niż 3 stopnie ponad księżycowy horyzont, pozostawiając znaczną część terenu w głębokim cieniu. To sprawia, że ​​odległości do różnych punktów zainteresowania są trudne do zauważenia.

Ten film z lądowania UAV na zakurzonej pustyni w Nowym Meksyku pokazuje, jak technologia KNaCK — wykorzystująca dane 4D FMCW-lidar z NASA Aeva Inc. Widziane w lewym górnym panelu; dane wstęgi lidarowej, u góry po prawej; oraz dane dotyczące prędkości Dopplera dla lidaru. Ten ostatni śledzi prędkość i kierunek cząsteczek kurzu poruszanych przez opadającego drona, przy czym kolor czerwony oznacza cząsteczki kurzu oddalające się od skanera, a kolor niebieski – te, które zbliżają się do niego. Te możliwości, obecnie opracowywane przez naukowców z NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville w stanie Alabama, mogą przynieść korzyści przyszłym misjom naukowym do innych światów, a także umożliwić odkrywcom mapowanie topograficzne w czasie rzeczywistym. Źródło: NASA/Michael Zanetti

Rozpoczęty w 2020 roku dzięki finansowaniu z inicjatywy NASA Early Career, projekt KNaCK jest realizowany we współpracy z Torch Technologies Inc. w Huntsville w celu opracowania prototypu plecaka i powiązanych algorytmów nawigacyjnych, które umożliwiają dokładne mapowanie bez GPS. Komercyjny sprzedawca projektu, Aeva Inc. w Mountain View w Kalifornii, aby dostarczać czujniki i wsparcie FMCW-lidar, a także współpracować z NASA w celu ulepszenia systemu wykrywania plecaków do użytku na Księżycu i innych ludzkich ekspedycjach poza planetę.

Korzystając z KNaCK podczas wypraw wędrujących i podczas pieszych wędrówek, odkrywcy mogą dokładnie odwzorować ukształtowanie terenu, w tym głębokie doliny, góry i jaskinie. Lidar działa nawet w czerni, uwalniając astronautów od konieczności noszenia ze sobą niewygodnych urządzeń oświetleniowych, gdziekolwiek się udają.

„Jako ludzie mamy tendencję do orientowania się w oparciu o punkty orientacyjne – konkretny budynek, zagajnik drzew” – powiedział Zanetti. „Te rzeczy nie istnieją na Księżycu. KNaCK będzie stale umożliwiał odkrywcom przechodzącym przez powierzchnię określenie ich ruchu i kierunku oraz skierowanie ich na odległe szczyty lub do ich bazy operacyjnej. Mogą nawet wskazać konkretne miejsca, w których znaleźli jakiś unikalny minerał lub formacje skalne, aby inni mogli łatwo wrócić po więcej nauki”.

Jest to niezbędne dla astronautów przez całą dobę, ponieważ ich loty są ograniczone przez zaopatrzenie w tlen w skafandrach. Zanetti powiedział, że precyzja wysokiej rozdzielczości KNaCK — o rząd wielkości większa niż w przypadku tradycyjnych map księżycowego terenu i modeli elewacji — sprawia, że ​​jest to istotne źródło do prowadzenia operacji naukowych i misji w promieniu 238 900 mil od kontroli misji.

Urządzenie przejdzie kolejny ważny test terenowy pod koniec kwietnia w NASA Virtual Solar System Exploration Research Institute (SSERVI) w Kilburn Hall w Nowym Meksyku. Zespół wcześniej przetestował system KNaCK w tym starożytnym kraterze wulkanicznym – którego wiek szacuje się na 25 000–80 000 lat – w listopadzie 2021 r. Niedawno wykorzystali go również do wykonania trójwymiarowej rekonstrukcji wydm barierowych o długości 6 mil. w Centrum Kosmicznym Kennedy’ego dla NASA na Florydzie, które chroni główne wyrzutnie rakiet. Inżynierowie Kennedy’ego i Marshalla będą nadal używać narzędzia KNaCK do oceny wpływu burz na erozję wydm, zapewniając bezpieczeństwo przyszłych misji lotniczych podczas ulepszania systemu.

Następnie zespół KNaCK będzie pracować nad miniaturyzacją urządzeń — prototyp plecaka waży około 40 funtów — oraz wzmocnieniem wrażliwej elektroniki przed przeciwstawnymi skutkami mikrograwitacji i promieniowania słonecznego.

„Wykorzystując najnowsze osiągnięcia w technologii lidarowej firmy Aeva, następna generacja naszego utwardzonego w kosmosie urządzenia napędzanego przez Torch Technologies będzie miała rozmiar puszki po napojach i może umożliwić operacje na powierzchni Księżyca jak nigdy dotąd” – powiedział Zanetti. Wyobraża sobie, że można go zamontować na rydwanie lub z boku hełmu astronauty — co powinno pozostawić mnóstwo miejsca w wielofunkcyjnych plecakach dla przyszłych alpinistów księżycowych.