V roce 2023 plánuje NASA zahájit provoz Europa Clipper mise, robotický průzkumník, který bude studovat Jupiterův záhadný měsíc Europa. Účelem této mise je prozkoumat evropskou ledovou skořápku a interiér a dozvědět se více o složení měsíce, geologii a interakcích mezi povrchem a pod povrchem. Účelem této mise je především objasnit, zda může život uvnitř evropského oceánu existovat či nikoli.
To představuje řadu výzev, z nichž mnohé vyplývají ze skutečnosti, že Europa Clipper bude při provádění svých vědeckých operací daleko od Země. K řešení tohoto problému navrhl tým vědců z NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) a Arizonské státní univerzity (ASU) řadu algoritmů strojového učení, které umožní misi prozkoumat Evropu s určitým stupněm autonomie.
Jak tyto algoritmy mohou pomoci při budoucích průzkumných misích v hlubokém vesmíru, byly předmětem prezentace přednesené minulý týden (7. srpna) na 25. konferenci ACM SIGKDD o získávání znalostí a těžbě dat v Anchorage na Aljašce. Tato výroční konference sdružuje vědce a odborníky v oblasti vědy o datech, dolování dat a analytiky z celého světa, aby diskutovali o nejnovějším vývoji a aplikacích v této oblasti.
Když to jde přímo dolů, komunikace s vesmírnými misemi je časově náročná a náročná práce. Při komunikaci s misemi na povrchu Marsu nebo na oběžné dráze může trvat až 25 minut signál, než se k nim dostanou ze Země (nebo zpět). Posílání signálů Jupiteru může naopak trvat 30 minut až hodinu, v závislosti na tom, kde je na své oběžné dráze vzhledem k Zemi.
Jak autoři poznamenávají ve své studii, činnosti kosmických lodí jsou obvykle přenášeny v předem naplánovaném skriptu, nikoli prostřednictvím příkazů v reálném čase. Tento přístup je velmi účinný, pokud je známa poloha, prostředí a další faktory ovlivňující kosmickou loď nebo je lze předvídat předem. Znamená to však také, že dispečeři nemohou reagovat na neočekávaný vývoj v reálném čase.
Jak Dr. Kiri L. Wagstaff, hlavní výzkumný pracovník ve strojírenské skupině NASA JPL pro strojové učení a autonomii přístrojů, vysvětlil časopisu Space Magazine e-mailem:
„Prozkoumat svět, který je příliš vzdálený na to, aby umožnil přímou lidskou kontrolu, je náročné. Všechny aktivity musí být předběžně skriptovány. Rychlá reakce na nové objevy nebo změny v prostředí vyžaduje, aby samotná kosmická loď učinila rozhodnutí, které nazýváme autonomie kosmických lodí. Navíc provozování téměř miliardy kilometrů od Země znamená, že přenosové rychlosti dat jsou velmi nízké.
“Schopnost kosmické lodi sbírat data přesahuje to, co lze poslat zpět. To vyvolává otázku, které údaje by měly být shromažďovány a jak by měly být upřednostňovány. A konečně v případě Evropy bude kosmická loď bombardována intenzivním zářením, které může poškodit data a způsobit reset počítače. Zvládání těchto nebezpečí vyžaduje také autonomní rozhodování. “
Z tohoto důvodu se Dr. Wagstaff a její kolegové začali zabývat možnými metodami analýzy dat na palubě, které by fungovaly kdekoli a kdykoli není možný přímý lidský dohled. Tyto metody jsou zvláště důležité při řešení vzácných přechodných událostí, jejichž výskyt, umístění a trvání nelze předvídat.
Patří k nim jevy jako prachové ďábly, které byly pozorovány na Marsu, dopady meteoritů, blesky na Saturn a ledové oblaky vyzařované Enceladem a dalšími těly. Aby to vyřešila, Dr. Wagstaff a její tým hledali nejnovější pokroky v algoritmech strojového učení, které umožňují určitý stupeň automatizace a nezávislého rozhodování v oblasti výpočetní techniky. Jak řekl Dr. Wagstaff:
„Metody strojového učení umožňují samotné kosmické lodi zkoumat data, jak jsou shromažďována. Kosmická loď pak může identifikovat, která pozorování obsahují zajímavé události. To může ovlivnit přiřazení priorit downlink. Cílem je zvýšit šanci, že nejzajímavější objevy budou nejprve stahovány. Když sběr dat přesáhne to, co lze přenést, může kosmická loď těžit další data pro cenné vědecké nugety.
„Palubní analýza může také umožnit kosmické lodi rozhodnout, která data se budou shromažďovat dále na základě toho, co již objevila. To bylo prokázáno na oběžné dráze Země pomocí autonomního vědeckého experimentu a na povrchu Marsu pomocí systému AEGIS na roveru Mars Science Laboratory (Curiosity). Autonomní a pohotový sběr dat může výrazně urychlit vědecké zkoumání. Naším cílem je rozšířit tuto schopnost i na vnější sluneční soustavu. “
Tyto algoritmy byly speciálně navrženy tak, aby napomáhaly třem typům vědeckých výzkumů, které budou pro EU velmi důležité Europa Clipper mise. Patří sem detekce tepelných anomálií (horkých míst), kompozičních anomálií (neobvyklých povrchových minerálů nebo ložisek) a aktivních oblaků ledové hmoty z evropského podpovrchového oceánu.
"V tomto nastavení je výpočet velmi omezený," řekl Dr. Wagstaff. "Počítač kosmické lodi běží rychlostí podobnou stolnímu počítači od poloviny do konce 90. let (~ 200 MHz)." Proto jsme upřednostnili jednoduché a efektivní algoritmy. Vedlejší výhodou je, že algoritmy jsou snadno srozumitelné, implementovatelné a interpretovatelné. “
K testování své metody použil tým své algoritmy jak na simulovaná data, tak na pozorování z minulých vesmírných misí. Tito zahrnovali Galileo kosmická loď, která provedla spektrální pozorování Evropy, aby se dozvěděla více o jejím složení; Cassini kosmická loď, která zachytila snímky aktivity oblaku na Saturnově měsíci Enceladus; a Nové obzory kosmické snímky sopečné činnosti na Jupiterově měsíci Io.
Výsledky těchto testů ukázaly, že každý ze tří algoritmů prokázal dostatečně vysoký výkon, aby přispěl k vědeckým cílům načrtnutým v Dekadálním průzkumu Planetary Science Decadal 2011. Patří mezi ně „potvrzení přítomnosti vnitřního oceánu, charakterizace ledové skořápky satelitu a umožnění pochopení jeho geologické historie“ na Evropě, potvrzení „potenciálu vnější sluneční soustavy jako příbytku na celý život“.
Kromě toho by tyto algoritmy mohly mít dalekosáhlé důsledky pro další robotické mise do hlubokých vesmírných destinací. Kromě systému měsíců v Evropě a Jupiteru NASA doufá, že prozkoumá Saturnovy měsíce Enceladus a Titan pro možné známky života v blízké budoucnosti, jakož i cíle, které jsou ještě vzdálenější (například Neptunův Měsíc Triton a dokonce i Pluto). Aplikace se však nekončí. Wagstaff to řekl:
„Autonomie kosmické lodi nám umožňuje zkoumat, kam lidé nemohou jít. To zahrnuje vzdálené destinace, jako je Jupiter, a místa mimo naši vlastní sluneční soustavu. Zahrnuje také bližší prostředí, které je pro člověka nebezpečné, jako je dno mořského dna nebo nastavení vysoko radiace zde na Zemi. “
Není těžké si představit blízkou budoucnost, kdy jsou poloautonomické robotické mise schopny prozkoumat vnější a vnitřní dosah sluneční soustavy bez pravidelného lidského dohledu. Když se podíváme dále do budoucnosti, není těžké si představit věk, ve kterém plně autonomní roboti dokážou prozkoumat extra-solární planety a poslat svá zjištění domů.
A mezitím poloautonomní Europa Clipper může najít důkaz, na který všichni čekáme! To by byly biologické podpisy, které prokazují, že život mimo Zemi skutečně existuje!
