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 مجهولة تمامًا ، حيث كان لدى المتجولون القدرة على إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للتضاريس في الوقت الفعلي. ناسا طور الباحثون وشركاء الصناعة نظام خرائط للاستشعار عن بعد من شأنه أن يساعد المستكشفين في واحدة من أكثر المناطق النائية التي يمكن تخيلها: الأراضي القاحلة الخالية من الهواء في القطب الجنوبي للقمر.

حقيبة التنقل الحركية ورسم الخرائط (KNaCK) عبارة عن ماسح ضوئي ليدار محمول – تقنية استشعار عن بعد تقيس المسافة باستخدام كشف الضوء وضوء الليزر. يتم ارتداؤه مثل حقيبة ظهر للمشي لمسافات طويلة ويستخدم نوعًا مبتكرًا من الليدار يسمى ليدار الموجة المستمرة المعدلة التردد (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.

اعتبرها نسخة فائقة الشحن من مكتشفات المدى بالليزر التي يستخدمها المساحون أو أجهزة الإنذار بالتقارب الحساسة للغاية التي تساعد السيارات الذكية على تجنب الاصطدامات ، وفقًا لعالم الكواكب الدكتور مايكل زانيتي ، الذي يقود مشروع KNaCK في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هنتسفيل ، ألاباما.

قال زانيتي: “في الأساس ، يعد المستشعر أداة مسح لكل من الملاحة ورسم الخرائط العلمية ، وهو قادر على إنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد فائقة الدقة بدقة على مستوى السنتيمتر ومنحها سياقًا علميًا ثريًا”. “كما أنه سيساعد في ضمان سلامة رواد الفضاء والمركبات الجوالة في بيئة محظورة باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مثل القمر ، وتحديد المسافات الفعلية إلى المعالم البعيدة وإظهار المستكشفين في الوقت الفعلي إلى أي مدى وصلوا وكم بقي اذهب لتصل إلى وجهتهم “.

يعد هذا تحديًا رئيسيًا حيث يستعد المستكشفون في عصر أرتميس للقيام بأول مهمات حديثة إلى القمر ، والأولى على الإطلاق إلى القطب الجنوبي. لا ترتفع الشمس أبدًا أكثر من 3 درجات فوق الأفق القمري هناك ، تاركة الكثير من التضاريس في ظل عميق. هذا يجعل المسافات إلى نقاط الاهتمام المختلفة صعبة مقلة العين.

يوضح 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 ناسا Aeva Inc. شوهد في اللوحة اليسرى العلوية ؛ بيانات النطاق ليدار ، في 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 الآن من قبل الباحثين في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هانتسفيل ، ألاباما ، يمكن أن تفيد البعثات العلمية المستقبلية في عوالم أخرى بالإضافة إلى تمكين رسم الخرائط الطبوغرافية في الوقت الحقيقي من قبل المستكشفين. الائتمان: ناسا / مايكل زانيتي

بدأ مشروع KNaCK ، الذي بدأ في عام 2020 بتمويل من مبادرة التوظيف المبكر التابعة لوكالة ناسا ، في شراكة مع شركة Torch Technologies Inc. في هانتسفيل لتطوير النموذج الأولي لحقيبة الظهر وخوارزميات التنقل المرتبطة بها والتي تسمح برسم خرائط دقيقة بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يقوم البائع التجاري للمشروع ، شركة Aeva Inc. في ماونتن فيو ، كاليفورنيا ، بتزويد مستشعرات FMCW-lidar والدعم ، والعمل مع وكالة ناسا لتعزيز نظام استشعار حقيبة الظهر في حقيبة الظهر لاستخدامه على القمر والرحلات البشرية الأخرى خارج الكوكب.

باستخدام KNaCK أثناء الرحلات الاستكشافية للمركبة الجوالة وعند السفر سيرًا على الأقدام ، يمكن للمستكشفين رسم خريطة دقيقة لتضاريس المناظر الطبيعية ، بما في ذلك الوديان العميقة والجبال والكهوف. يعمل Lidar حتى في سواد حالك ، مما يخفف عن رواد الفضاء الحاجة إلى نقل أجهزة الإضاءة المرهقة في كل مكان يذهبون إليه.

قال زانيتي: “كبشر ، نميل إلى توجيه أنفسنا بناءً على المعالم – مبنى محدد ، بستان من الأشجار”. “هذه الأشياء لا وجود لها على القمر. ستعمل KNaCK باستمرار على تمكين المستكشفين الذين يجتازون السطح لتحديد حركتهم واتجاههم وتوجيههم إلى قمم بعيدة أو إلى قاعدة عملياتهم. يمكنهم حتى تحديد مواقع محددة حيث وجدوا بعض التكوينات المعدنية أو الصخرية الفريدة ، بحيث يمكن للآخرين العودة بسهولة لمزيد من الدراسة “.

هذا أمر حيوي لرواد الفضاء على مدار الساعة ، حيث أن رحلاتهم محدودة بسبب الإمداد بالأكسجين في بدلاتهم. قال زانيتي إن الدقة الفائقة الدقة لـ KNaCK – ترتيب من حيث الحجم أكبر من خرائط التضاريس القمرية التقليدية ونماذج الارتفاع – تجعلها موردا حيويا لإجراء العمليات العلمية والبعثات على بعد 238900 ميلا من التحكم في المهمة.

سيخضع الجهاز لاختبار ميداني رئيسي آخر في أواخر أبريل في المعهد الافتراضي لأبحاث استكشاف النظام الشمسي التابع لوكالة ناسا (SSERVI) في كيلبورن هول ، نيو مكسيكو. وضع الفريق سابقًا نظام KNaCK خلال خطواته في تلك الحفرة البركانية القديمة – التي يقدر عمرها بـ 25،000-80،000 سنة – في نوفمبر 2021. كما استخدموه مؤخرًا لإجراء إعادة بناء ثلاثية الأبعاد لكثبان الحاجز البحري البالغ طولها 6 أميال في مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا في فلوريدا ، والذي يحمي منصات إطلاق الصواريخ الأولية. 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 – يزن النموذج الأولي لحقيبة الظهر حوالي 40 رطلاً – وتقوية الإلكترونيات الحساسة ضد التأثيرات المعاكسة للجاذبية الصغرى والإشعاع الشمسي.

قال زانيتي: “بالاستفادة من أحدث التطورات في تقنية الليدار من شركة Aeva ، سيكون الجيل التالي من وحدتنا المُصلَّبة بالفضاء بدعم من شركة Torch Technologies بحجم علبة الصودا ويمكنها أن تتيح عمليات سطح القمر بشكل لم يسبق له مثيل”. إنه يتصور تركيبها على عربة أو على جانب خوذة رائد فضاء – والتي يجب أن تترك مساحة كبيرة في حقائب الظهر متعددة الأغراض لمتسلقي الجبال القمرية في المستقبل.