Der neue „Lunar Backpack“ der NASA kann eine 3D-Geländekarte in Echtzeit erstellen, um Mondforschern zu helfen

Michael Zanetti, ein NASA-Planetenwissenschaftler am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, hebt Ende 2021 den Schlackenkegel auf dem Vulkanfeld Potrillo in New Mexico an und testet den rucksackgroßen Prototyp des NASA Navigational and Mapping Suitcase (KNaCK). Ein tragbarer Lidar-Scanner wird derzeit entwickelt, um Monderkundungs- und Wissenschaftsmissionen zu unterstützen. Bildnachweis: NASA/Michael Zanetti

Stellen Sie sich eine Bergsteigerexpedition in einer völlig unbekannten Umgebung vor, bei der Wanderer die Möglichkeit hatten, in Echtzeit eine 3D-Karte des Geländes zu erstellen. NASA Forscher und Industriepartner haben ein Fernerkundungskartensystem entwickelt, das Entdecker in einer der entlegensten Regionen, die man sich vorstellen kann, unterstützen wird: den luftleeren Einöden am Südpol des Mondes.

Kinetic Navigation and Mapping Bag (KNaCK) ist ein tragbarer Lidar-Scanner – eine Fernerkundungstechnologie, die Entfernungen mithilfe von Lichtdetektion und Laserlicht misst. Es wird wie ein Wanderrucksack getragen und verwendet eine innovative Art von Lidar namens frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar (FMCW), um Dopplergeschwindigkeit und -reichweite für Millionen von Datenpunkten pro Sekunde bereitzustellen. Diese Messpunkte bilden ein Echtzeit-Navigationssystem, das dem Navigator eine 3D-„Punktwolke“ oder eine hochauflösende Darstellung der Umgebung liefert.

Betrachten Sie es als eine aufgeladene Version der Laser-Entfernungsmesser, die von Vermessungsingenieuren verwendet werden, oder der hochempfindlichen Näherungsalarme, die intelligenten Autos helfen, Kollisionen zu vermeiden, so der Planetenwissenschaftler Dr. Michael Zanetti, der das KNaCK-Projekt am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, leitet.

„Im Wesentlichen ist der Sensor ein Scanwerkzeug sowohl für die wissenschaftliche Navigation als auch für die Kartierung, das in der Lage ist, ultrahochauflösende 3D-Karten mit zentimetergenauer Genauigkeit zu erstellen und ihnen einen reichhaltigen wissenschaftlichen Kontext zu geben“, sagte Zanetti. „Es wird auch dazu beitragen, die Sicherheit von Astronauten und umherziehenden Fahrzeugen in einer eingeschränkten Umgebung mit GPS wie dem Mond zu gewährleisten, tatsächliche Entfernungen zu entfernten Landmarken zu bestimmen und Entdeckern in Echtzeit zu zeigen, wie weit sie gekommen sind und wie weit sie noch gehen müssen, um sie zu erreichen Ziel.“

Dies ist eine große Herausforderung, da sich Entdecker des Artemis-Zeitalters auf die ersten modernen Missionen zum Mond und die allerersten zum Südpol vorbereiten. Die Sonne steigt dort nie mehr als 3 Grad über den Mondhorizont und hinterlässt einen Großteil des Geländes in tiefem Schatten. Dies macht es schwierig, Entfernungen zu verschiedenen Points of Interest zu erkennen.

Dieses Video eines unbemannten Luftfahrzeugs, das in einer staubigen Wüste von New Mexico landet, zeigt, wie die KNaCK-Technologie – die 4D-FMCW-Lidar-Daten von NASA Aeva Inc. Gesehen in der oberen linken Tafel; Lidar-Banddaten, oben rechts; und Doppler-Geschwindigkeitsdaten für Lidar. Letzteres verfolgt die Geschwindigkeit und Richtung von Staubpartikeln, die von der absteigenden Drohne bewegt werden, wobei Rot Staubpartikel anzeigt, die sich vom Scanner entfernen, und Blau anzeigt, dass sich Staubpartikel darauf zubewegen. Diese Fähigkeiten, die jetzt von Forschern des Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, entwickelt werden, könnten zukünftigen wissenschaftlichen Missionen zu anderen Welten zugute kommen und Forschern eine topografische Kartierung in Echtzeit ermöglichen. Bildnachweis: NASA/Michael Zanetti

Das KNaCK-Projekt, das 2020 mit Mitteln der NASA Early Career Initiative begann, ist eine Partnerschaft mit Torch Technologies Inc. in Huntsville, um den Prototyp des Rucksacks und die zugehörigen Navigationsalgorithmen zu entwickeln, die eine genaue Kartierung ohne GPS ermöglichen. Der kommerzielle Verkäufer des Projekts, Aeva Inc. in Mountain View, Kalifornien, um FMCW-Lidar-Sensoren und Support zu liefern und mit der NASA zusammenzuarbeiten, um das Backpack Sensing System für den Einsatz auf dem Mond und andere bemannte Expeditionen jenseits des Planeten zu verbessern.

Mit KNaCK können Entdecker bei Wanderexpeditionen und zu Fuß das Gelände einer Landschaft, einschließlich tiefer Täler, Berge und Höhlen, genau kartieren. Lidar funktioniert auch im Dunkeln und befreit Astronauten von der Notwendigkeit, überall umständliche Beleuchtungsgeräte mit sich zu führen.

„Als Menschen neigen wir dazu, uns an Orientierungspunkten zu orientieren – einem bestimmten Gebäude, einer Baumgruppe“, sagte Zanetti. „Diese Dinge existieren auf dem Mond nicht. KNaCK wird es Forschern, die die Oberfläche passieren, kontinuierlich ermöglichen, ihre Bewegung und Richtung zu bestimmen und sie zu entfernten Gipfeln oder ihrer Operationsbasis zu leiten. Sie können sogar bestimmte Orte lokalisieren, an denen sie ein einzigartiges Mineral gefunden haben oder Felsformationen, damit andere leicht zum Studium zurückkehren können“.

Dies ist für Astronauten rund um die Uhr lebenswichtig, da ihre Flüge durch die Sauerstoffversorgung in ihren Anzügen begrenzt sind. Zanetti sagte, dass die hochauflösende Präzision von KNaCK – eine Größenordnung größer als herkömmliche Mondgeländekarten und Höhenmodelle – es zu einer lebenswichtigen Ressource für die Durchführung von wissenschaftlichen Operationen und Missionen macht, die 238.900 Meilen von der Missionskontrolle entfernt sind.

Das Gerät wird Ende April am Solar System Exploration Research Virtual Institute (SSERVI) der NASA in Kilburn Hall, New Mexico, einem weiteren großen Feldtest unterzogen. Das Team hat das KNaCK-System zuvor im November 2021 in diesem uralten Vulkankrater auf Herz und Nieren geprüft, der auf ein Alter von schätzungsweise 25.000 bis 80.000 Jahren geschätzt wird. Sie haben es auch kürzlich verwendet, um eine 3-D-Rekonstruktion der 6-Meilen-Schutzdünen am Meer durchzuführen Kennedy Space Center der NASA in Florida, das primäre Raketenstartrampen schützt. Die Ingenieure von Kennedy und Marshall werden KNaCK weiterhin verwenden, um die Auswirkungen von Stürmen auf die Dünenerosion zu bewerten und die Sicherheit zukünftiger Flugmissionen zu gewährleisten, während sie das System verbessern.

Als nächstes wird das KNaCK-Team daran arbeiten, die Geräte zu miniaturisieren – ein Rucksack-Prototyp wiegt etwa 40 Pfund – und empfindliche Elektronik gegen die gegensätzlichen Auswirkungen von Mikrogravitation und Sonneneinstrahlung zu stärken.

„Die nächste Generation unserer weltraumtauglichen Einheit, die von Torch Technologies angetrieben wird, nutzt die neuesten Fortschritte in der Lidar-Technologie von Aeva und wird die Größe einer Getränkedose haben und Operationen auf der Mondoberfläche wie nie zuvor ermöglichen“, sagte Zanetti. Er stellt sich vor, es auf einem Streitwagen oder an der Seite eines Astronautenhelms zu montieren – was viel Platz in Mehrzweckrucksäcken für zukünftige Mondbergsteiger lassen sollte.