Wetenschap
Als we meer asteroïden willen bezoeken, moeten we het ruimtevaartuig zelf laten nadenken
Missies naar asteroïden hebben de laatste tijd een scheur gekend. Bezoeken van Rosetta, Osirix-REX en Hayabusa2 hebben allemaal kleine lichamen bezocht en in sommige gevallen met succes monsters naar de aarde teruggestuurd. Maar nu de mensheid asteroïden begint te bereiken, zal ze tegen een aanzienlijk technisch probleem aanlopen:de bandbreedte.
Er zijn tienduizenden asteroïden in onze omgeving, waarvan sommige potentieel gevaarlijk kunnen zijn. Als we een missie zouden lanceren om de noodzakelijke gegevens over elk van hen te verzamelen, zou onze interplanetaire communicatie- en controle-infrastructuur snel overweldigd worden. Dus waarom laten we onze robotambassadeurs het niet zelf doen? Dat is het idee achter een nieuw artikel gepubliceerd in het Journal of Guidance, Control, and Dynamics en beschikbaar op de arXiv preprint-server van onderzoekers van de Federale Universiteit van São Paulo en het Braziliaanse Nationale Instituut voor Ruimteonderzoek.
Het artikel richt zich primair op het controleprobleem van wat te doen als een ruimtevaartuig een nieuwe asteroïde nadert. De huidige missies duren maanden en vereisen consistente feedback van grondteams om ervoor te zorgen dat het ruimtevaartuig de parameters begrijpt van de asteroïde die het nadert, vooral de zwaartekrachtconstante.
Sommige missies hebben daar meer succes mee gehad dan andere. Philase, de lander die met Rosetta meeging, had bijvoorbeeld problemen toen hij stuiterde op het oppervlak van komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Zoals de auteurs opmerkten, was een deel van dat verschil een enorme discrepantie tussen de werkelijke vorm van de komeet en de waargenomen vorm die telescopen hadden gezien voordat Rosetta daar arriveerde.
Zelfs meer succesvolle missies, zoals OSIRIS-Rex, hebben maanden aanlooptijd nodig om relatief triviale manoeuvres te voltooien in de context van de miljoenen kilometers die hun totale reis hen kost. Het duurde bijvoorbeeld 20 dagen voordat OSIRIX-Rex meerdere keren voorbij vloog op 7 km boven het oppervlak van de asteroïde voordat de missiecontrole het veilig achtte om in een stabiele baan te komen.
Een van de belangrijkste beperkingen waar de missieleiders naar keken, was of ze de zwaartekrachtconstante van de asteroïde die ze bezochten nauwkeurig konden berekenen. De zwaartekracht is notoir moeilijk om van veraf te bepalen, en de misrekening ervan leidde tot de problemen met Philae. Kan een controlesysteem al deze problemen oplossen?
Simpel gezegd kan het ruimtevaartuig hierdoor beslissen wat het moet doen als het zijn doel nadert. Met een goed gedefinieerd controleschema is de kans dat een ruimtevaartuig defect raakt als gevolg van een onvoorziene consequentie relatief minimaal. Het zou de tijd die missies besteden aan de nadering dramatisch kunnen verminderen en de communicatiebandbreedte terug naar missiecontrole op aarde kunnen beperken.
Een dergelijk systeem zou ook slechts vier relatief alomtegenwoordige, goedkope sensoren vereisen om effectief te kunnen werken:een LiDAR (vergelijkbaar met die in autonome auto's), twee optische camera's voor dieptewaarneming en een inertiële meeteenheid (IMU) die parameters meet zoals oriëntatie, versnelling en magnetisch veld.
Het artikel besteedt veel tijd aan het gedetailleerd beschrijven van de complexe wiskunde die in het controleschema zou worden gebruikt – waarvan sommige statistische berekeningen omvatten die vergelijkbaar zijn met fundamentele leermodellen. De auteurs voeren ook tests uit op twee potentiële asteroïdedoelen die van belang zijn om te zien hoe het systeem zou presteren.
Eén ervan is al goed begrepen. Bennu was het doelwit van de OSIRIX-Rex-missie en wordt daarom goed gekarakteriseerd als asteroïden. Volgens de krant zou een ruimtevaartuig met het nieuwe controlesysteem binnen een dag na het naderen van honderden kilometers afstand een baan van 2.000 meter kunnen bereiken, en de volgende dag een baan van 800 meter kunnen bereiken. Dit wordt vergeleken met de maanden van voorbereidend werk die de daadwerkelijke OSIRIS-Rex-missie moest volbrengen. En het kan worden voltooid met minimale stuwkracht en, nog belangrijker, met brandstof, een kostbaar goed bij missies in de ruimte.
Een andere demonstratiemissie is er een naar Eros, de op één na grootste asteroïde nabij de aarde. Het heeft een unieke vorm voor een asteroïde, omdat het relatief langwerpig is, wat een spannende uitdaging zou kunnen vormen voor geautomatiseerde systemen zoals die beschreven in het artikel. Het besturen van een ruimtevaartuig met het nieuwe schema voor een ontmoeting met Eros heeft niet dezelfde voordelen als een meer traditionele asteroïde als Bennu. Zo heeft hij een veel hogere stuwkrachtbehoefte en een veel hoger brandstofverbruik. Het verkort echter nog steeds de missietijd en bandbreedte die nodig is om het te bedienen.
Autonome systemen worden steeds populairder op aarde en in de ruimte. Artikelen als deze stimuleren het denken over wat mogelijk is. Stel dat het enige wat nodig is om maanden van nauwgezet handmatig technisch werk te elimineren, het in elkaar zetten van een paar sensoren is en een nieuw besturingsalgoritme implementeert. In dat geval is het waarschijnlijk dat een van de verschillende instanties en bedrijven die van plan zijn binnenkort een asteroïde te ontmoeten, dat plan zal overnemen.