Während sich die Menschheit darauf vorbereitet, zum Mond zurückzukehren („zu bleiben“, wie sie uns ständig daran erinnern), muss eine Menge Infrastruktur gebaut werden, um sicherzustellen, dass Astronauten auf der Mondoberfläche sicher und produktiv sind. Ohne GPS ist die Navigation und Kartierung viel schwieriger – und die NASA arbeitet mit dem Lidar-Unternehmen Aeva zusammen, um ein Tool zu entwickeln, das das Gelände scannt, wenn gewöhnliche Kameras und Satelliteninstrumente es nicht schneiden können.
Das Projekt heißt KNaCK oder Kinematic Navigation and Cartography Knapsack und soll als eine Art hypergenaues Koppelnavigationssystem fungieren, das auf SLAM-Konzepten (Simultaneous Location and Mapping) basiert.
Dies ist notwendig, da wir derzeit keine GPS-ähnliche Technologie auf dem Mond, dem Mars oder einem anderen Planeten haben, und obwohl wir hochauflösende Bilder der Oberfläche aus dem Orbit haben, reicht das nicht immer aus, um daran zu navigieren. Zum Beispiel führt der feste Winkel der Sonne am Südpol des Mondes dazu, dass es tiefe Schatten gibt, die nie beleuchtet werden, und hell gebackene Glanzlichter, bei denen Sie vorsichtig sein müssen, wie Sie sie betrachten. Dieses Gebiet ist ein Ziel für Mondoperationen, da sich unter der Oberfläche viel Wasser befindet, aber wir haben einfach keine genaue Vorstellung davon, wie die Oberfläche im Detail aussieht.
Lidar bietet eine Möglichkeit zur Kartierung auch bei Dunkelheit oder hellem Sonnenlicht und wird zu diesem Zweck bereits in Landern und anderen Instrumenten eingesetzt. Was die NASA jedoch suchte, war eine Einheit, die klein genug war, um auf dem Rucksack eines Astronauten oder einem Rover montiert zu werden, aber dennoch in der Lage war, das Gelände zu scannen und eine detaillierte Karte in Echtzeit zu erstellen – und genau zu bestimmen, wo sie sich darin befand.
Konzeptbild eines am Rucksack montierten Lidar.
Das ist es, was die NASA in den letzten Jahren getan hat, finanziert durch die „Early Career Initiative“ des Space Technology Mission Directorate, die seit ihrem Start im Jahr 2019 darauf abzielt, „die technologische Basis und die Best Practices der NASA zu stärken, indem sie junge NASA-Führungskräfte mit erstklassigen externen Innovatoren zusammenbringt .“ In diesem Fall ist dieser Innovator Aeva, das besser für seine Lidar- und Wahrnehmungssysteme für die Automobilindustrie bekannt ist.
Aeva hat gegenüber vielen solchen Systemen den Vorteil, dass sein Lidar nicht nur die Reichweite eines bestimmten Punktes, sondern auch seinen Geschwindigkeitsvektor erfasst. Wenn es also eine Straße scannt, weiß es, dass sich eine Form mit 30 MPH auf sie zubewegt, während sich eine andere mit 5 MPH entfernt und andere relativ zur eigenen Bewegung des Sensors stillstehen. Dies sowie die Verwendung von frequenzmodulierter Dauerstrichtechnologie anstelle von Blitz- oder anderen Lidar-Methoden bedeutet, dass es robust gegenüber Störungen durch helles Sonnenlicht ist.
Zum Glück funktioniert das Licht auf dem Mond größtenteils genauso wie hier auf der Erde. Der Mangel an Atmosphäre ändert einige Dinge ein wenig, aber zum größten Teil geht es mehr darum, sicherzustellen, dass die Technik ihre Sache sicher machen kann.
„Es besteht keine Notwendigkeit, die Wellenlängen oder das Spektrum oder ähnliches zu ändern. FMCW ermöglicht es uns, die Leistung zu bekommen, die wir brauchen, hier oder anderswo“, sagte Soroush Salehian, CEO von Aeva. „Der Schlüssel liegt in der Härtung, und daran arbeiten wir mit der NASA und ihren Partnern.“
„Da wir alle unsere Elemente in diese kleine goldene Kiste gepackt haben, bedeutet dies, dass ein Teil des Systems nicht anfällig für Dinge ist, die aufgrund einer Änderung der atmosphärischen Bedingungen, wie z. B. Vakuumbedingungen, vor sich gehen; Diese Box ist dauerhaft versiegelt, wodurch diese Hardware sowohl für Weltraumanwendungen als auch für terrestrische Anwendungen eingesetzt werden kann“, erklärte James Reuther, VP of Technology bei Aeva.
Es sind noch einige Änderungen erforderlich, bemerkte er: „Sicherstellen, dass wir im Vakuum gut sind, sicherstellen, dass wir die vom System erzeugte Wärme thermisch ablehnen, Stöße und Vibrationen während des Starts tolerieren und die Strahlungsumgebung testen .“
Die Ergebnisse sind ziemlich beeindruckend – die 3D-Rekonstruktion der Mondlandungsausstellung im oberen Bild wurde in nur 23 Sekunden nach der Sammlung aufgenommen, indem man mit einer Prototypeinheit herumging. (Die größere Landschaft war eher eine Wanderung.)
NASA-Wissenschaftler testen gerade die Technologie. „Out there“, wie der Projektleiter Michael Zanetti, mir aus der Wüste eine E-Mail schickte:
Das Projekt schreitet hervorragend voran. Das KNaCK-Projekt befindet sich derzeit (d. h. jetzt, heute und diese Woche) in der Wüste in New Mexico, um die Hardware und Software für die Erfassung wissenschaftlicher Daten und simulierte Missionsoperationen zur Erforschung von Mond- und Planetenoberflächen im Feld zu testen. Dies geschieht mit einem Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren des Solar System Exploration Research Virtual Institute (SSERVI) RISE2 und der GEODES-Teams der NASA. Wir sammeln Daten mit dem FMCW-LiDAR von Aeva, um 3D-Karten der geologischen Aufschlüsse hier zu erstellen (um Messungen der Neigung, Befahrbarkeit und allgemeinen Morphologie vorzunehmen) und um zu bewerten, wie Missionsoperationen von Personen montierte LiDAR-Systeme für das Situationsbewusstsein nutzen können .
Und hier sind sie:
Bildnachweis: NASA
Zanetti sagte, dass sie auch bald die Aeva-Lidar-Einheit an Rover-Prototypen und in einem großen simulierten Regolith-Sandkasten im Marshall Space Flight Center testen werden. Denn eine Technologie, die hier auf der Erde für autonomes Fahren geeignet ist, kann es durchaus auch für den Mond sein.
Eine interessante verwandte Anwendung für diese Art von Lidar in Lander- und Rover-Situationen ist die Erkennung und Charakterisierung von Staubwolken. Dies könnte zur Bewertung von Umgebungsbedingungen oder zur Schätzung der Geschwindigkeit und Turbulenz einer Landung und anderer Dinge verwendet werden – eines wissen wir mit Sicherheit, es sorgt für eine cool aussehende Punktwolke:
Bildnachweis: NASA
Nach der Fertigstellung sollte KNaCK in der Lage sein, gleichzeitig die Umgebung eines Astronauten in Echtzeit zu kartieren und ihm mitzuteilen, wo er sich befindet und wie schnell er fliegt. Das alles würde natürlich in ein größeres System eingespeist und an einen Lander, bis zu einem Orbiter und so weiter weitergeleitet werden.
All das ist natürlich TBD, während sie die Grundlagen dieses vielversprechenden, aber noch frühen Systems ausarbeiten. Erwarten Sie mehr zu hören, wenn wir uns den eigentlichen Mondoperationen nähern – noch ein paar Jahre entfernt.