V roku 2023 plánuje NASA spustiť internet Europa Clipper misia, robotický prieskumník, ktorý bude študovať tajomný mesiac Jupitera Európa. Účelom tejto misie je preskúmať ľadovú škrupinu a vnútro Európy a dozvedieť sa viac o zložení, geológii a interakciách Mesiaca s povrchom a pod povrchom. Účelom tejto misie je v prvom rade objasniť, či v európskom vnútornom oceáne môže existovať život.
To predstavuje množstvo výziev, z ktorých mnohé vyplývajú zo skutočnosti, že Europa Clipper keď bude vykonávať svoje vedecké operácie, bude veľmi vzdialená od Zeme. Na riešenie tohto problému navrhol tím vedcov z Jet Propulsion Laboratory (JPL) a Arizonskej štátnej univerzity (ASU) sériu výskumných algoritmov, ktoré umožnia misii preskúmať Európu s určitým stupňom autonómie.
Ako tieto algoritmy môžu pomôcť pri budúcich misiách v hlbokom vesmíre, boli predmetom prezentácie, ktorá sa uskutočnila minulý týždeň (7. augusta) na 25. konferencii ACM SIGKDD o zisťovaní znalostí a ťažbe údajov v Anchorage na Aljaške. Táto výročná konferencia spája vedcov a odborníkov v oblasti vedy o údajoch, získavania údajov a analytiky z celého sveta, aby prediskutovali najnovší vývoj a aplikácie v tejto oblasti.
Keď príde na to, komunikácia s vesmírnymi misiami je časovo náročná a náročná práca. Pri komunikácii s misiami na povrchu Marsu alebo na obežnej dráhe môže trvať až 25 minút, kým sa dostanú zo Zeme (alebo späť). Na druhej strane vysielať signály Jupiteru môže trvať od 30 minút do hodiny, v závislosti od toho, kde je na svojej obežnej dráhe vzhľadom na Zem.
Ako autori vo svojej štúdii poznamenávajú, činnosti kozmických lodí sa zvyčajne prenášajú skôr v vopred naplánovanom skripte ako prostredníctvom príkazov v reálnom čase. Tento prístup je veľmi efektívny, ak sú známe polohy, prostredie a ďalšie faktory ovplyvňujúce vesmírnu loď alebo ich možno vopred predvídať. Znamená to však tiež, že riadiaci misií nemôžu reagovať na neočakávaný vývoj v reálnom čase.
Ako uviedol Dr. Kiri L. Wagstaff, hlavný výskumný pracovník v skupine strojov NASA JPL pre strojové učenie a autonómiu prístrojov, spoločnosti Space Magazine e-mailom:
„Preskúmať svet, ktorý je príliš vzdialený na to, aby umožnil priamu ľudskú kontrolu, je náročné. Všetky aktivity musia byť vopred napísané. Rýchla reakcia na nové objavy alebo zmeny prostredia vyžaduje, aby sa kozmická loď sama rozhodla, čo nazývame autonómia kozmických lodí. Navyše prevádzka takmer miliardy kilometrov od Zeme znamená, že prenosové rýchlosti sú veľmi nízke.
“Schopnosť kozmickej lode zbierať údaje presahuje to, čo sa dá poslať späť. To vyvoláva otázku, ktoré údaje by sa mali zbierať a ako by sa mali uprednostňovať. A nakoniec, v prípade Európy bude kozmická loď bombardovaná intenzívnym žiarením, ktoré môže poškodiť údaje a spôsobiť resetovanie počítača. Vyrovnanie sa s týmito nebezpečenstvami si vyžaduje aj autonómne rozhodovanie. “
Z tohto dôvodu sa Dr. Wagstaff a jej kolegovia začali zaoberať možnými metódami analýzy údajov na palube, ktoré by fungovali kdekoľvek a kedykoľvek nie je možný priamy ľudský dohľad. Tieto metódy sú obzvlášť dôležité pri riešení zriedkavých prechodných udalostí, ktorých výskyt, umiestnenie a trvanie nie je možné predvídať.
Patria sem javy, ako sú prachové diably, ktoré boli pozorované na Marse, dopady meteoritu, blesky na Saturn a ľadové oblaky emitované Enceladom a inými orgánmi. Na vyriešenie tohto problému sa Dr. Wagstaff a jej tím zaoberali najnovšími pokrokmi v algoritmoch strojového učenia, ktoré umožňujú určitý stupeň automatizácie a nezávislého rozhodovania v oblasti výpočtovej techniky. Ako povedal Dr. Wagstaff:
„Metódy strojového učenia umožňujú samotnej kozmickej lodi skúmať údaje, keď sa zhromažďujú. Kozmická loď môže potom zistiť, ktoré pozorovania obsahujú zaujímavé udalosti. Toto môže ovplyvniť priradenie priorít downlink. Cieľom je zvýšiť pravdepodobnosť, že najzaujímavejšie objavy budú najskôr stiahnuté. Keď zhromažďovanie údajov presiahne to, čo sa dá preniesť, môže samotná kozmická loď ťažiť ďalšie údaje pre cenné vedecké nugety.
„Palubná analýza môže tiež umožniť kozmickej lodi rozhodnúť sa, ktoré údaje budú zbierať ďalej na základe toho, čo už objavilo. Toto bolo demonštrované na obežnej dráhe Zeme pomocou autonómneho experimentu Sciencecraft Experiment a na povrchu Marsu pomocou systému AEGIS na vozidle Mars Science Laboratory (Curiosity). Autonómny a pohotový zber údajov môže veľmi urýchliť vedecké skúmanie. Naším cieľom je rozšíriť túto schopnosť aj na vonkajšiu slnečnú sústavu. “
Tieto algoritmy boli špeciálne navrhnuté tak, aby pomáhali s tromi typmi vedeckých výskumov, ktoré budú mať pre EÚ mimoriadny význam Europa Clipper poslanie. Patria medzi ne detekcia tepelných anomálií (teplé miesta), anomálie zloženia (nezvyčajné povrchové minerály alebo ložiská) a aktívne oblaky ľadovej hmoty z európskeho podpovrchového oceánu.
„V tomto nastavení je výpočet veľmi obmedzený,“ povedal Dr. Wagstaff. „Počítač v kozmickej lodi beží rýchlosťou podobnou stolnému počítaču od polovice 90. rokov minulého storočia (~ 200 MHz). Preto sme uprednostnili jednoduché a efektívne algoritmy. Vedľajšou výhodou je, že algoritmy sú ľahko zrozumiteľné, implementovateľné a interpretovateľné. “
Na testovanie svojej metódy použil tím svoje algoritmy na simulované údaje aj na pozorovania z minulých vesmírnych misií. Patrili medzi ne Galileo kozmická loď, ktorá uskutočnila spektrálne pozorovania Európy, aby sa dozvedela viac o jej zložení; Cassini kozmická loď, ktorá zachytila snímky aktivity oblaku na Saturnovom mesiaci Enceladus; a New Horizons kozmické snímky sopečnej činnosti na Jupiterovom mesiaci Io.
Výsledky týchto testov ukázali, že každý z týchto troch algoritmov preukázal dostatočne vysokú výkonnosť, aby prispel k dosiahnutiu cieľov v oblasti vedy načrtnutých v Dekadálnom prieskume planetárnej vedy z roku 2011. Medzi ne patrí „potvrdenie prítomnosti vnútorného oceánu, charakterizácia ľadovej škrupiny satelitu a umožnenie pochopenia jeho geologickej histórie“ na portáli Europa, potvrdenie „potenciálu vonkajšej slnečnej sústavy ako príbytku na celý život“.
Okrem toho by tieto algoritmy mohli mať ďalekosiahle dôsledky pre ďalšie robotické misie do vzdialených cieľov. Okrem systému mesiacov od spoločnosti Europa a Jupiter dúfa NASA, že objaví Saturnove mesiace Enceladus a Titan pre možné známky života v blízkej budúcnosti, ako aj pre destinácie, ktoré sú ešte vzdialenejšie (napr. Neptunov mesiac Triton a dokonca aj Pluto). Ale aplikácie sa tam nekončia. Wagstaff to povedal:
„Autonómia kozmickej lode nám umožňuje skúmať, kam ľudia nemôžu ísť. To zahŕňa vzdialené destinácie ako Jupiter a miesta mimo našej vlastnej slnečnej sústavy. Zahŕňa tiež bližšie prostredie, ktoré je pre človeka nebezpečné, ako je napríklad dno morského dna alebo vysoké žiarenie tu na Zemi. “
Nie je ťažké si predstaviť blízku budúcnosť, keď sú poloautonómne robotické misie schopné preskúmať vonkajší a vnútorný dosah slnečnej sústavy bez pravidelného ľudského dohľadu. Keď sa pozrieme ďalej do budúcnosti, nie je ťažké predstaviť si vek, v ktorom sú plne autonómne roboty schopné skúmať mimoslnečné planéty a posielať svoje zistenia domov.
A medzitým, poloautonómia Europa Clipper môže nájsť dôkaz, na ktorý všetci čakáme! To by boli biologické podpisy, ktoré dokazujú, že skutočne existuje život mimo Zeme!
