NASA’s nieuwe “Lunar Backpack” kan een realtime 3D-terreinkaart maken om maanverkenners te helpen

Denk aan een bergbeklimmingsexpeditie in een volledig onbekende omgeving, waar wandelaars de mogelijkheid hadden om in realtime een 3D-kaart van het terrein te maken. NASA Onderzoekers en industriële partners hebben een teledetectiekaartsysteem ontwikkeld dat ontdekkingsreizigers zal helpen in een van de meest afgelegen regio’s die je je kunt voorstellen: de luchtloze woestenij van de zuidpool van de maan.

Kinetic Navigation and Mapping Bag (KNaCK) is een draagbare lidar-scanner – een teledetectietechnologie die afstand meet met behulp van lichtdetectie en laserlicht. Het wordt gedragen als een wandelrugzak en maakt gebruik van een innovatief type lidar genaamd frequency-modulated continuous wave (FMCW) lidar om Doppler-snelheid en bereik te bieden tot miljoenen datapunten per seconde. Deze meetpunten creëren een realtime navigatiesysteem, dat de navigator voorziet van een 3D “puntenwolk” of een weergave met hoge resolutie van de omgeving.

Beschouw het als een supercharged versie van de laserafstandsmeters die landmeters gebruiken of de zeer gevoelige naderingsalarmen die slimme auto’s helpen botsingen te voorkomen, volgens planetaire wetenschapper Dr. Michael Zanetti, die het KNaCK-project leidt bij NASA’s Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama.

“In wezen is de sensor een scantool voor zowel wetenschappelijke navigatie als kaarten, in staat om 3D-kaarten met ultrahoge resolutie te maken met een nauwkeurigheid van centimeters en ze een rijke wetenschappelijke context te geven,” zei Zanetti. “Het zal ook helpen om de veiligheid van astronauten en rondzwervende voertuigen in een beperkte omgeving te garanderen met behulp van GPS zoals de maan, de werkelijke afstanden tot verre oriëntatiepunten te bepalen en ontdekkingsreizigers in realtime te laten zien hoe ver ze zijn gekomen en hoe ver ze nog te gaan hebben hun bestemming bereiken.”

Dit is een grote uitdaging als ontdekkingsreizigers uit het tijdperk van Artemis zich voorbereiden op de eerste moderne missies naar de maan en de eerste ooit naar de Zuidpool. De zon komt daar nooit meer dan 3 graden boven de maanhorizon op, waardoor een groot deel van het terrein in diepe schaduw blijft. Dit maakt afstanden tot verschillende interessante punten moeilijk te overzien.

Deze video van een UAV-landing in een stoffige woestijn in New Mexico laat zien hoe KNaCK-technologie – die gebruik maakt van 4D FMCW-lidar-gegevens van NASA Aeva Inc. Gezien in het paneel linksboven; lidar bandgegevens, rechtsboven; en Doppler-snelheidsgegevens voor lidar. De laatste volgt de snelheid en richting van stofdeeltjes die door de neerdalende drone worden bewogen, waarbij rood aangeeft dat stofdeeltjes zich van de scanner af bewegen en blauw geeft aan welke deeltjes er naar toe bewegen. Deze mogelijkheden, die nu worden ontwikkeld door onderzoekers van NASA’s Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, kunnen toekomstige wetenschappelijke missies naar andere werelden ten goede komen en kunnen ontdekkingsreizigers realtime topografische kaarten maken. Krediet: NASA/Michael Zanetti

Gestart in 2020 met financiering van het NASA Early Career Initiative, is het KNaCK-project in samenwerking met Torch Technologies Inc. in Huntsville om het prototype van de rugzak en de bijbehorende navigatie-algoritmen te ontwikkelen die nauwkeurige kaarten zonder GPS mogelijk maken. De commerciële verkoper van het project, Aeva Inc. in Mountain View, Californië, om FMCW-lidar-sensoren en ondersteuning te leveren, en samen te werken met NASA om het Backpack Sensing System te verbeteren voor gebruik op de maan en andere menselijke expedities buiten de planeet.

Met KNaCK tijdens zwervende expedities en te voet kunnen ontdekkingsreizigers het terrein van een landschap nauwkeurig in kaart brengen, inclusief diepe valleien, bergen en grotten. Lidar werkt zelfs in het zwart van jou, waardoor astronauten geen omslachtige verlichtingsapparaten hoeven te dragen waar ze ook gaan.

“Als mensen hebben we de neiging om ons te oriënteren op oriëntatiepunten – een specifiek gebouw, een bosje bomen,” zei Zanetti. “Deze dingen bestaan ​​niet op de maan. KNaCK zal ontdekkingsreizigers die het oppervlak passeren voortdurend in staat stellen hun beweging en richting te bepalen en ze naar verre toppen of naar hun uitvalsbasis te leiden. Ze kunnen zelfs specifieke locaties aanwijzen waar ze een uniek mineraal hebben gevonden of rotsformaties, zodat anderen gemakkelijk kunnen terugkeren voor meer studie”.

Dit is 24 uur per dag van vitaal belang voor astronauten, omdat hun vluchten worden beperkt door de zuurstoftoevoer in hun pakken. Zanetti zei dat KNaCK’s precisie met hoge resolutie – een orde van grootte groter dan traditionele maanterreinkaarten en hoogtemodellen – het een essentiële hulpbron maakt voor het uitvoeren van wetenschappelijke operaties en missies binnen 238.900 mijl van missiecontrole.

Het apparaat zal eind april opnieuw een grote veldtest ondergaan bij NASA’s Virtual Solar System Exploration Research Institute (SSERVI) in Kilburn Hall, New Mexico. Het team testte het KNaCK-systeem eerder in die oude vulkanische krater – naar schatting 25.000-80.000 jaar oud – in november 2021. Ze hebben het onlangs ook gebruikt om een ​​3D-reconstructie uit te voeren van de 6 mijl lange barrièreduinen in het Kennedy Space Center For NASA in Florida, dat de primaire raketlanceerplatforms beschermt. Ingenieurs van Kennedy en Marshall zullen KNaCK blijven gebruiken om de impact van stormen op duinerosie te beoordelen, om de veiligheid van toekomstige vliegmissies te garanderen terwijl ze het systeem verbeteren.

Vervolgens zal het KNaCK-team werken aan het miniaturiseren van de apparaten – een prototype van een rugzak weegt ongeveer 40 pond – en het versterken van gevoelige elektronica tegen de tegenovergestelde effecten van microzwaartekracht en zonnestraling.

“Gebruikmakend van de nieuwste ontwikkelingen in lidar-technologie van Aeva, zal de volgende generatie van onze ruimtegeharde eenheid, aangedreven door Torch Technologies, de grootte hebben van een frisdrankblikje en kan het maanoppervlak operaties als nooit tevoren mogelijk maken,” zei Zanetti. Hij stelt zich voor dat het op een strijdwagen of aan de zijkant van de helm van een astronaut wordt gemonteerd – wat voldoende ruimte zou moeten laten in multifunctionele rugzakken voor toekomstige bergbeklimmers op de maan.