Το 2023, η NASA σκοπεύει να ξεκινήσει το Europa Clipper αποστολή, ένας ρομποτικός εξερευνητής που θα μελετήσει το αινιγματικό φεγγάρι του Δία Europa. Ο σκοπός αυτής της αποστολής είναι να εξερευνήσει το κέλυφος και το εσωτερικό του Europa για να μάθει περισσότερα σχετικά με τη σύνθεση, τη γεωλογία του φεγγαριού και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της επιφάνειας και της επιφάνειας. Πάνω απ 'όλα, ο σκοπός αυτής της αποστολής είναι να ρίξει φως στο κατά πόσον θα μπορούσε να υπάρχει ζωή εντός του εσωτερικού ωκεανού της Ευρώπης.
Αυτό παρουσιάζει πολλές προκλήσεις, πολλές από τις οποίες προκύπτουν από το γεγονός ότι το Europa Clipper θα είναι πολύ μακριά από τη Γη όταν διεξάγει τις επιστημονικές της δραστηριότητες. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, μια ομάδα ερευνητών από το Jet Propulsion Laboratory (JPL) και το κρατικό πανεπιστήμιο της Αριζόνα (ASU) της NASA σχεδίασε μια σειρά αλγορίθμων μηχανικής μάθησης που θα επιτρέψουν στην αποστολή να εξερευνήσει την Ευρώπη με βαθμό αυτονομίας.
Πώς θα μπορούσαν να βοηθήσουν αυτοί οι αλγόριθμοι μελλοντικές αποστολές εξερεύνησης σε βάθος διαστήματος αποτέλεσαν αντικείμενο παρουσίασης που πραγματοποιήθηκε την περασμένη εβδομάδα (7 Αυγούστου) στο 25ο Συνέδριο ACM SIGKDD για την Ανακάλυψη Γνώσης και την Εξόρυξη Δεδομένων στο Άνκορατζ της Αλάσκας. Αυτό το ετήσιο συνέδριο φέρνει κοντά ερευνητές και επαγγελματίες στην επιστήμη δεδομένων, την εξόρυξη δεδομένων και τα αναλυτικά στοιχεία από όλο τον κόσμο για να συζητήσουν τις τελευταίες εξελίξεις και εφαρμογές στον τομέα.
Όταν έρχεται ακριβώς σε αυτό, η επικοινωνία με αποστολές μεγάλου διαστήματος είναι χρονοβόρα, απαιτητική εργασία. Όταν επικοινωνείτε με αποστολές στην επιφάνεια του Άρη ή σε τροχιά, μπορεί να χρειαστεί ένα σήμα έως και 25 λεπτά για να φτάσετε από τη Γη (ή να επιστρέψετε ξανά). Η αποστολή σημάτων στον Δία, από την άλλη πλευρά, μπορεί να διαρκέσει από 30 λεπτά έως και μια ώρα, ανάλογα με το πού βρίσκεται στην τροχιά του σε σχέση με τη Γη.
Όπως σημειώνουν οι συγγραφείς στη μελέτη τους, οι δραστηριότητες του διαστημικού σκάφους μεταδίδονται συνήθως σε ένα προσχεδιασμένο σενάριο και όχι μέσω εντολών σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η προσέγγιση είναι πολύ αποτελεσματική όταν η θέση, το περιβάλλον και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το διαστημικό σκάφος είναι γνωστοί ή μπορούν να προβλεφθούν εκ των προτέρων. Ωστόσο, αυτό σημαίνει επίσης ότι οι ελεγκτές αποστολών δεν μπορούν να αντιδράσουν σε απροσδόκητες εξελίξεις σε πραγματικό χρόνο.
Όπως εξήγησε ο Δρ. Kiri L. Wagstaff, κύριος ερευνητής της Ομάδας Μηχανικής Εκμάθησης και Οργάνωσης της NASA JPL στο Space Magazine μέσω email:
«Η εξερεύνηση ενός κόσμου που είναι πολύ μακρινός για να επιτρέψει τον άμεσο ανθρώπινο έλεγχο είναι πρόκληση. Όλες οι δραστηριότητες πρέπει να είναι προσυμπληρωμένες. Μια γρήγορη απόκριση σε νέες ανακαλύψεις ή αλλαγές στο περιβάλλον απαιτεί από το ίδιο το διαστημικό σκάφος να λαμβάνει αποφάσεις, τις οποίες αποκαλούμε αυτονομία του διαστημικού σκάφους. Επιπλέον, η λειτουργία σχεδόν ενός δισεκατομμυρίου χιλιομέτρων μακριά από τη Γη σημαίνει ότι οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων είναι πολύ χαμηλοί.
“Η ικανότητα του διαστημικού σκάφους να συλλέγει δεδομένα υπερβαίνει αυτό που μπορεί να αποσταλεί. Αυτό εγείρει το ερώτημα ποια δεδομένα πρέπει να συλλέγονται και πώς πρέπει να δοθεί προτεραιότητα. Τέλος, στην περίπτωση της Ευρώπης, το διαστημικό σκάφος θα βομβαρδιστεί επίσης από έντονη ακτινοβολία, η οποία μπορεί να καταστρέψει δεδομένα και να προκαλέσει επανεκκίνηση του υπολογιστή. Η αντιμετώπιση αυτών των κινδύνων απαιτεί επίσης αυτόνομη λήψη αποφάσεων. "
Για το λόγο αυτό, η Δρ Wagstaff και οι συνεργάτες της άρχισαν να αναζητούν πιθανές μεθόδους για την ανάλυση δεδομένων επί του σκάφους που θα λειτουργούσαν όπου και όποτε δεν είναι δυνατή η άμεση ανθρώπινη εποπτεία. Αυτές οι μέθοδοι είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν αντιμετωπίζετε σπάνια, παροδικά συμβάντα των οποίων η εμφάνιση, η τοποθεσία και η διάρκεια δεν μπορούν να προβλεφθούν.
Σε αυτά περιλαμβάνονται φαινόμενα όπως οι διάβολοι σκόνης που έχουν παρατηρηθεί στον Άρη, οι μετεωρίτες, οι κεραυνές στον Κρόνο και τα παγωμένα λοφία που εκπέμπονται από τον Εγκέλαδο και άλλα σώματα. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η Δρ Wagstaff και η ομάδα της εξέτασαν τις πρόσφατες εξελίξεις στους αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, οι οποίοι επιτρέπουν έναν βαθμό αυτοματοποίησης και ανεξάρτητη λήψη αποφάσεων στον υπολογιστή. Όπως είπε ο Δρ Wagstaff:
«Οι μέθοδοι μηχανικής μάθησης επιτρέπουν στο ίδιο το διαστημικό σκάφος να εξετάσει τα δεδομένα καθώς συλλέγονται. Το διαστημικό σκάφος μπορεί στη συνέχεια να προσδιορίσει ποιες παρατηρήσεις περιέχουν γεγονότα ενδιαφέροντος. Αυτό μπορεί να επηρεάσει την εκχώρηση προτεραιοτήτων κατερχόμενης ζεύξης. Ο στόχος είναι να αυξηθεί η πιθανότητα οι πιο ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις να αποσυνδεθούν πρώτα. Όταν η συλλογή δεδομένων υπερβαίνει αυτό που μπορεί να μεταδοθεί, το ίδιο το διαστημικό σκάφος μπορεί να εξορύξει τα πρόσθετα δεδομένα για πολύτιμα επιστημονικά ψήγματα.
«Η ανάλυση επί του σκάφους μπορεί επίσης να επιτρέψει στο διαστημικό σκάφος να αποφασίσει ποια δεδομένα θα συλλέξει στη συνέχεια με βάση αυτό που έχει ήδη ανακαλύψει. Αυτό έχει αποδειχθεί σε τροχιά της Γης χρησιμοποιώντας το Αυτόνομο Sciencecraft Experiment και στην επιφάνεια του Άρη χρησιμοποιώντας το σύστημα AEGIS στο Mars Science Laboratory (Curiosity) rover. Η αυτόνομη, αποκριτική συλλογή δεδομένων μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την επιστημονική εξερεύνηση. Στόχος μας είναι να επεκτείνουμε αυτήν την ικανότητα και στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα ».
Αυτοί οι αλγόριθμοι σχεδιάστηκαν ειδικά για να βοηθήσουν με τρεις τύπους επιστημονικών ερευνών που θα έχουν εξαιρετική σημασία για το Europa Clipper αποστολή. Αυτές περιλαμβάνουν την ανίχνευση θερμικών ανωμαλιών (θερμών σημείων), συνθετικών ανωμαλιών (ασυνήθιστα επιφανειακά ορυκτά ή εναποθέσεις) και ενεργά λοφία παγωμένης ύλης από τον υπόγειο ωκεανό της Ευρώπης.
«Σε αυτό το περιβάλλον, ο υπολογισμός είναι πολύ περιορισμένος», δήλωσε ο Δρ Wagstaff. «Ο υπολογιστής διαστημικού σκάφους λειτουργεί με ταχύτητα παρόμοια με τον επιτραπέζιο υπολογιστή από τα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του 1990 (~ 200 MHz). Επομένως, έχουμε δώσει προτεραιότητα σε απλούς και αποτελεσματικούς αλγόριθμους. Ένα δευτερεύον όφελος είναι ότι οι αλγόριθμοι είναι εύκολα κατανοητοί, εφαρμόζονται και ερμηνεύονται. "
Για να δοκιμάσει τη μέθοδο τους, η ομάδα εφάρμοσε τους αλγορίθμους τόσο σε προσομοιωμένα δεδομένα όσο και σε παρατηρήσεις από προηγούμενες διαστημικές αποστολές. Αυτά περιελάμβαναν το Γαλιλαίος διαστημικό σκάφος, το οποίο έκανε φασματικές παρατηρήσεις του Europa για να μάθει περισσότερα για τη σύνθεσή του. ο Κασίνι διαστημικό σκάφος, το οποίο συνέλαβε εικόνες δραστηριότητας λοφίο στο φεγγάρι του Κρόνου Enceladus. και το Νέοι ορίζοντες εικόνες διαστημικών σκαφών ηφαιστειακής δραστηριότητας στο φεγγάρι του Δία.
Τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών έδειξαν ότι καθένας από τους τρεις αλγόριθμους επέδειξε μια αρκετά υψηλή απόδοση για να συνεισφέρει στους επιστημονικούς στόχους που περιγράφονται στην έρευνα Decadal Survey Planetary Science 2011. Σε αυτά περιλαμβάνονται η «επιβεβαίωση της παρουσίας ενός εσωτερικού ωκεανού, ο χαρακτηρισμός του κελύφους πάγου του δορυφόρου και η κατανόηση της γεωλογικής ιστορίας του» στην Ευρώπη για την επιβεβαίωση «της δυνατότητας του εξωτερικού ηλιακού συστήματος ως κατοικίας για τη ζωή».
Επιπλέον, αυτοί οι αλγόριθμοι θα μπορούσαν να έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις για άλλες ρομποτικές αποστολές σε προορισμούς βαθέων διαστημάτων. Πέρα από το σύστημα των φεγγαριών του Europa και του Δία, η NASA ελπίζει να εξερευνήσει τα φεγγάρια του Κρόνου Enceladus και Titan για πιθανά σημάδια ζωής στο εγγύς μέλλον, καθώς και για προορισμούς που βρίσκονται ακόμη πιο μακριά (όπως το φεγγάρι του Ποσειδώνα Triton και ακόμη και ο Πλούτωνας). Αλλά οι εφαρμογές δεν σταματούν εκεί. Ο Wagstaff το έθεσε:
«Η αυτονομία των διαστημικών σκαφών μας δίνει τη δυνατότητα να εξερευνήσουμε πού δεν μπορούν να πάνε οι άνθρωποι. Αυτό περιλαμβάνει απομακρυσμένους προορισμούς όπως ο Δίας και τοποθεσίες πέρα από το δικό μας Ηλιακό Σύστημα. Περιλαμβάνει επίσης πιο κοντινά περιβάλλοντα που είναι επικίνδυνα για τον άνθρωπο, όπως ο πυθμένας του πυθμένα της θάλασσας ή οι ρυθμίσεις υψηλής ακτινοβολίας εδώ στη Γη. "
Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ένα εγγύς μέλλον όπου οι ημι-αυτόνομες ρομποτικές αποστολές είναι σε θέση να εξερευνήσουν τις εξωτερικές και εσωτερικές αποστάσεις του Ηλιακού Συστήματος χωρίς τακτική ανθρώπινη επίβλεψη. Κοιτώντας μακρύτερα στο μέλλον, δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς μια εποχή όπου τα πλήρως αυτόνομα ρομπότ μπορούν να εξερευνήσουν πλανήτες εκτός ηλιακού και να στείλουν τα ευρήματά τους στο σπίτι.
Και εν τω μεταξύ, ένα ημι-αυτόνομο Europa Clipper μπορεί να βρει την απόδειξη ότι όλοι περιμένουμε! Θα ήταν βιογραφίες που αποδεικνύουν ότι υπάρχει πραγματικά ζωή πέρα από τη Γη!
