Manche Wissenschaftler träumen davon, Planeten mit „intelligenten“ Raumfahrzeugen zu erforschen, die genau wissen, nach welchen Daten sie suchen müssen, wo sie zu finden sind und wie sie zu analysieren sind. Obwohl es einige Zeit dauern wird, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen, sind die Fortschritte, die mit dem Marsrover Perseverance der NASA erzielt wurden, vielversprechende Schritte in diese Richtung.
Fast drei Jahre lang hat die Rover-Mission eine Form künstlicher Intelligenz getestet, die in den Gesteinen des Roten Planeten nach Mineralien sucht. Dies ist das erste Mal, dass KI auf dem Mars eingesetzt wird, um autonome Entscheidungen auf der Grundlage einer Echtzeitanalyse der Gesteinszusammensetzung zu treffen.
Die Software unterstützt PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), ein Spektrometer, das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien entwickelt wurde. Indem PIXL die chemische Zusammensetzung von Mineralien auf der Oberfläche eines Gesteins kartiert, können Wissenschaftler feststellen, ob das Gestein unter Bedingungen entstanden ist, die in der Urzeit des Mars mikrobielles Leben begünstigt haben könnten.
Die sogenannte „adaptive Sampling“-Software positioniert das Instrument autonom in der Nähe eines Gesteinsziels und untersucht dann die Scans des Ziels durch PIXL, um Mineralien zu finden, die einer genaueren Untersuchung würdig sind. Dies alles geschieht in Echtzeit, ohne dass der Rover mit den Missionskontrolleuren auf der Erde kommuniziert.
„Wir nutzen die KI von PIXL, um uns auf wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zu konzentrieren“, sagte die leitende Forscherin des Instruments, Abigail Allwood vom JPL. „Ohne sie würde man in den Daten einen Hinweis auf etwas Interessantes sehen und müsste dann den Stein erneut scannen, um ihn genauer zu untersuchen. So kann PIXL zu einer Schlussfolgerung gelangen, ohne dass Menschen die Daten untersuchen müssen.“
Daten von Perseverances Instrumenten, einschließlich PIXL, helfen Wissenschaftlern zu entscheiden, wann ein Gesteinskern gebohrt und in einer Titanmetallröhre versiegelt werden muss, damit er zusammen mit anderen Proben hoher Priorität im Rahmen der Mars Sample Return-Kampagne der NASA zur weiteren Untersuchung zur Erde gebracht werden kann.
In diesem Zeitraffervideo eines im Juni 2023 am JPL durchgeführten Tests platziert sich ein technisches Modell des Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL)-Instruments an Bord des Marsrovers Perseverance der NASA an einem Felsen, um Daten zu sammeln. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Adaptives Sampling ist nicht die einzige Anwendung von KI auf dem Mars. Etwa 3.700 Kilometer von Perseverance entfernt befindet sich der NASA-Rover Curiosity, der Pionierarbeit für eine Form von KI leistete, die es dem Rover ermöglicht, Felsen je nach Form und Farbe autonom mit einem Laser zu beschießen.
Die Untersuchung des Gases, das nach jedem Laserschuss verbrennt, offenbart die chemische Zusammensetzung eines Gesteins. Perseverance verfügt über dieselbe Fähigkeit sowie über eine fortschrittlichere Form der künstlichen Intelligenz, die es ihm ermöglicht, ohne genaue Anweisungen von der Erde zu navigieren. Beide Rover sind noch immer auf Dutzende von Ingenieuren und Wissenschaftlern angewiesen, um die Hunderte von Einzelbefehlen für jeden Tag zu planen, aber diese digitale Intelligenz hilft beiden Missionen, mehr in kürzerer Zeit zu erledigen.
„Die Idee hinter der adaptiven Stichprobennahme von PIXL ist, Wissenschaftlern zu helfen, die Nadel im Heuhaufen von Daten zu finden, wodurch sie Zeit und Energie gewinnen, um sich auf andere Dinge zu konzentrieren“, sagte Peter Lawson, der die Implementierung der adaptiven Stichprobennahme leitete, bevor er bei JPL in den Ruhestand ging. „Letztendlich hilft es uns, die besten wissenschaftlichen Erkenntnisse schneller zu gewinnen.“
Einsatz von KI zur Positionierung von PIXL
KI unterstützt PIXL auf zwei Arten. Erstens positioniert sie das Instrument genau richtig, sobald es sich in der Nähe eines Gesteinsziels befindet. Das Spektrometer befindet sich am Ende des Roboterarms von Perseverance und sitzt auf sechs winzigen Roboterbeinen, einem sogenannten Hexapod. Die Kamera von PIXL überprüft wiederholt den Abstand zwischen dem Instrument und einem Gesteinsziel, um bei der Positionierung zu helfen.
Die Temperaturschwankungen auf dem Mars sind so groß, dass sich der Arm von Perseverance mikroskopisch ausdehnt oder zusammenzieht, was die Zielgenauigkeit von PIXL beeinträchtigen kann. Der Hexapod passt das Instrument automatisch an, um es außergewöhnlich nahe heranzubringen, ohne mit dem Gestein in Berührung zu kommen.
„Wir müssen Anpassungen im Mikrometerbereich vornehmen, um die nötige Genauigkeit zu erreichen“, sagte Allwood. „Es kommt dem Felsen so nahe, dass einem Ingenieur die Nackenhaare zu Berge stehen.“
Erstellen einer Mineralienkarte
Sobald PIXL in Position ist, kann ein weiteres KI-System glänzen. PIXL scannt einen briefmarkengroßen Bereich eines Steins und feuert tausende Male einen Röntgenstrahl ab, um ein Raster aus mikroskopischen Punkten zu erzeugen. Jeder Punkt gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der vorhandenen Mineralien.
Mineralien sind für die Beantwortung wichtiger Fragen über den Mars von entscheidender Bedeutung. Je nach Gestein suchen die Wissenschaftler möglicherweise nach Karbonaten, die Hinweise darauf enthalten, wie Wasser das Gestein geformt haben könnte, oder sie suchen nach Phosphaten, die Nährstoffe für Mikroben geliefert haben könnten, falls es in der Marsvergangenheit solche gab.
Wissenschaftler können im Voraus nicht wissen, bei welcher der Hunderten von Röntgenstrahlen ein bestimmtes Mineral gefunden wird. Wenn das Instrument jedoch bestimmte Mineralien findet, kann es automatisch anhalten, um weitere Daten zu sammeln – eine Aktion, die als „lange Verweilzeit“ bezeichnet wird. Da das System durch maschinelles Lernen immer besser wird, wird die Liste der Mineralien, auf die PIXL sich bei einer langen Verweilzeit konzentrieren kann, immer länger.
„PIXL ist eine Art Schweizer Taschenmesser, das je nach den aktuellen Anforderungen der Wissenschaftler konfiguriert werden kann“, sagte David Thompson vom JPL, der an der Entwicklung der Software beteiligt war. „Der Mars ist ein großartiger Ort, um KI zu testen, da wir jeden Tag regelmäßig kommunizieren und so die Möglichkeit haben, unterwegs Anpassungen vorzunehmen.“
Wenn zukünftige Missionen tiefer in das Sonnensystem vordringen, werden sie länger ohne Kontakt sein als die derzeitigen Missionen zum Mars. Deshalb besteht großes Interesse daran, mehr Autonomie für Missionen zu entwickeln, während sie umherwandern und zum Wohle der Menschheit wissenschaftliche Forschung betreiben.