يمكن لـ “حقيبة الظهر القمرية” الجديدة من ناسا إنشاء خريطة تضاريس ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي لمساعدة مستكشفي القمر

فكر في رحلة استكشافية لتسلق الجبال في بيئة غير مستكشفة تمامًا ، حيث يتمتع المتنزهون بالقدرة على إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للتضاريس في الوقت الفعلي. ناسا طور الباحثون وشركاء الصناعة نظام خرائط للاستشعار عن بعد سيساعد المستكشفين في واحدة من أكثر المناطق النائية التي يمكن تخيلها: الأراضي البور الخالية من الهواء في القطب الجنوبي للقمر.

حقيبة الظهر Kinematic Navigation and Mapping Backpack (KNaCK) عبارة عن ماسح ضوئي محمول ليدار – تقنية استشعار عن بعد تقيس المسافة باستخدام الكشف عن الضوء وضوء الليزر. يتم ارتداؤه مثل حقيبة ظهر للمشي لمسافات طويلة ويستخدم نوعًا مبتكرًا من الليدار يسمى ليدار الموجة المستمرة ذات التردد المعدل (FMCW) لتوفير سرعة دوبلر ونطاق لملايين نقاط البيانات في الثانية. تقوم نقاط القياس هذه بإنشاء نظام تنقل في الوقت الفعلي ، مما يوفر للمستكشف “سحابة نقطية” ثلاثية الأبعاد أو تمثيل عالي الدقة للبيئة المحيطة.

فكر في الأمر كنسخة فائقة الشحن من مكتشفات المدى بالليزر التي يستخدمها المساحون أو إنذارات القرب الحساسة للغاية التي تساعد السيارات الذكية على تجنب الاصطدامات ، وفقًا لعالم الكواكب الدكتور مايكل زانيتي ، الذي يقود مشروع KNaCK في مركز مارشال لرحلات الفضاء في واشنطن. ناسا في هنتسفيل ، ألاباما.

قال زانيتي: “في الأساس ، يعد المستشعر أداة مسح للملاحة ورسم الخرائط العلمية ، وهو قادر على إنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد فائقة الدقة بدقة سنتيمترية ومنحها سياقًا علميًا ثريًا”. “ستساعد أيضًا في الحفاظ على سلامة رواد الفضاء والمركبات المتنقلة في بيئة خالية من نظام تحديد المواقع العالمي مثل القمر ، من خلال تحديد المسافات الحقيقية للمعالم البعيدة وإظهار المستكشفين في الوقت الفعلي إلى أي مدى سافروا والمسافة المتبقية للوصول إلى وجهتهم .

إنه تحدٍ كبير حيث يستعد المستكشفون في عصر أرتميس للقيام بأول مهمات حديثة إلى القمر ، والأولى إلى القطب الجنوبي. لا ترتفع الشمس هنا أبدًا بأكثر من 3 درجات فوق الأفق القمري ، تاركة الكثير من التضاريس في ظل عميق. هذا يجعل من الصعب مراقبة المسافات إلى نقاط الاهتمام المختلفة.

يُظهر مقطع الفيديو هذا لطائرة بدون طيار بدون طيار وهي تهبط في صحراء نيو مكسيكو المغبرة كيف تجمع تقنية KNaCK – التي تستفيد من بيانات 4D FMCW-lidar من شركة Aeva Inc. التابعة لوكالة ناسا في ماونتن فيو ، كاليفورنيا – بين صور فيديو حية عالية الدقة ، كما رأينا على اللوحة اليسرى العلوية ؛ بيانات القياس عن بعد ليدار ، أعلى اليمين ؛ وبيانات سرعة دوبلر ليدار. يتتبع الأخير سرعة واتجاه جزيئات الغبار التي تحركها الطائرة بدون طيار الهابطة ، حيث يشير اللون الأحمر إلى تحرك جزيئات الغبار بعيدًا عن الماسح الضوئي ويشير اللون الأزرق إلى تلك التي تتحرك باتجاهه. هذه القدرات ، التي يجري تطويرها حاليًا من قبل الباحثين في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هنتسفيل ، ألاباما ، يمكن أن تفيد البعثات العلمية المستقبلية إلى عوالم أخرى بالإضافة إلى تمكين رسم الخرائط الطبوغرافية في الوقت الحقيقي من قبل المستكشفين. الائتمان: ناسا / مايكل زانيتي

تم إطلاق مشروع KNaCK في عام 2020 بتمويل من مبادرة التوظيف المبكر التابعة لوكالة ناسا ، وقد دخل في شراكة مع شركة Torch Technologies Inc. في هانتسفيل لتطوير النموذج الأولي لحقيبة الظهر وخوارزميات التنقل المرتبطة بها والتي تتيح رسم خرائط دقيقة بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يوفر المورد التجاري للمشروع ، شركة Aeva Inc. في ماونتن فيو بولاية كاليفورنيا ، مستشعرات FMCW-lidar والدعم ، ويعمل مع وكالة ناسا لتحسين نظام الكشف عن حقيبة الظهر للاستخدام على القمر والرحلات البشرية الأخرى خارج كوكب الأرض.

باستخدام KNaCK في الرحلات الاستكشافية للمركبات الجوالة وأثناء السفر سيرًا على الأقدام ، يمكن للمستكشفين رسم خريطة دقيقة لتضاريس المناظر الطبيعية ، بما في ذلك الوديان العميقة والجبال والكهوف. يعمل Lidar حتى في الظلام الدامس ، مما يخفف عن رواد الفضاء الحاجة إلى حمل أجهزة الإضاءة المرهقة أينما ذهبوا.

قال زانيتي: “نحن كبشر نميل إلى توجيه أنفسنا بناءً على المعالم – مبنى محدد ، بستان من الأشجار”. “هذه الأشياء غير موجودة على القمر. سيسمح KNaCK باستمرار للمستكشفين الذين يجتازون السطح لتحديد حركتهم واتجاههم وتوجيههم إلى قمم بعيدة أو قاعدة عملياتهم. يمكنهم حتى تحديد مواقع محددة حيث وجدوا معدنًا فريدًا أو تكوينًا صخريًا ، حتى يتمكن الآخرون من العودة بسهولة لمزيد من الدراسة.

إنه أمر حيوي لرواد الفضاء على مدار الساعة ، حيث أن رحلاتهم محدودة بسبب الإمداد بالأكسجين في بدلاتهم. قال زانيتي إن دقة الدقة الفائقة لـ KNaCK – ترتيب من حيث الحجم أفضل من خرائط طبوغرافيا القمر التقليدية ونماذج الارتفاع – تجعله موردًا حيويًا لإجراء العمليات العلمية والبعثات على بعد 238.900 ميل من مركز التحكم في المهمة.

ستخضع الأجهزة لاختبار ميداني رئيسي آخر في أواخر أبريل في المعهد الافتراضي لأبحاث استكشاف النظام الشمسي التابع لوكالة ناسا (SSERVI) في كيلبورن هول ، نيو مكسيكو. قام الفريق سابقًا بوضع نظام KNaCK من خلال خطواته في هذه الحفرة البركانية القديمة – التي يقدر عمرها ما بين 25000 و 80000 سنة – في نوفمبر 2021. كما استخدموه مؤخرًا لإجراء إعادة بناء ثلاثية الأبعاد لكثبان Barrier Reef. البحر الطويل في مركز كينيدي للفضاء التابع لوكالة ناسا في فلوريدا ، والذي يحمي منصات إطلاق الصواريخ الرئيسية. سيستمر مهندسو كينيدي ومارشال في استخدام KNaCK لتقييم تأثير العواصف على تآكل الكثبان الرملية ، مما يضمن سلامة مهام الطيران المستقبلية أثناء قيامهم بتحسين النظام.

بعد ذلك ، سيعمل فريق KNaCK على تصغير الأجهزة – تزن حقيبة الظهر النموذجية حوالي 40 رطلاً – وتقوية الإلكترونيات الحساسة ضد الآثار العقابية للجاذبية الصغرى والإشعاع الشمسي.

قال زانيتي: “بالاستفادة من أحدث التطورات في تقنية ليدار من Aeva ، ستكون وحدتنا من الجيل التالي المعززة بالفضاء بدعم من شركة Torch Technologies تقريبًا بحجم علبة الصودا ويمكن أن تتيح العمليات السطحية. القمر لم يسبق له مثيل”. إنه يتصور تركيبها على عربة أو على جانب خوذة رائد فضاء – والتي يجب أن تترك مساحة كبيرة في حقائب الظهر المستقبلية لمتسلقي القمر.