Neue NASA-Mondkarten helfen Entwicklern bei der Planung eines Mond-Roadtrips für die Artemis-Mission von VIPER

Wie jeder, der auf der Straße erfahren ist, weiß, hilft eine gute Karte, um das Beste aus Ihrem Abenteuer herauszuholen. Es ist nicht unähnlich dem ersten Roboter-Mond-Rover der NASA, der Ende 2023 zum Mond geliefert werden soll, um nach Eis und anderen Ressourcen auf und unter der Mondoberfläche zu suchen. Der Polar Exploration Rover oder VIPER ist Teil des Artemis-Programms der Agentur. Ohne Hinweise auf Mondreisen erstellen die VIPER-Missionsplaner neue, hochauflösende digitale Höhenkarten der Mondoberfläche.

Ausgestattet mit diesen Karten ist der Rover in einer besseren Position, um den Mond sicher und effizient zu durchqueren, während er am Südpol des Mondes nach Ressourcen sucht. Eis ist eine Ressource von besonderem wissenschaftlichem Interesse, da es Anwendung finden könnte, wenn es im Weltraum gefunden und in andere Ressourcen umgeleitet wird, um unsere Erforschung des Sonnensystems wie Sauerstoff und Raketentreibstoff fortzusetzen.

In einem Maßstab von etwa einem Meter bieten diese Karten ein 3D-Modell großer Geländeabschnitte am Südpol des Mondes und zeigen die sich ständig ändernden Licht- und Temperaturbedingungen, die durch die langen Schatten, die über die Landschaft streichen, verursacht werden.

Illustration der Polar Exploration Volatile Compound (VIPER) der NASA auf der Mondoberfläche. Bildnachweis: NASA Ames/Daniel Rotter

Diese Nahaufnahme der Mondoberfläche verhindert nicht nur das Umkippen des Rovers an steilen Kraterrändern, sondern liefert Missionsplanern auch wichtige Informationen, um sicherzustellen, dass die Batterien des solarbetriebenen Rovers geladen bleiben und den Rover zu sicheren Winterschlafplätzen steuern, während er Stromausfälle kommuniziert mit Missionsoperationen auf der Erde.

„Wir schicken VIPER in eine der dynamischsten Mondumgebungen, und der Rover sollte in der Lage sein, das aufzunehmen, was der Mond gibt“, sagte Anthony Collabrett, VIPER-Projektwissenschaftler am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. „Deshalb erstellen wir diese einzigartigen Karten – auf menschlicher Ebene – um uns dabei zu helfen, Roverrouten genau zu planen und gleichzeitig sicher zu arbeiten und die bestmögliche Wissenschaft zu sammeln.“

Die Karten enthüllen bereits neue Merkmale von wissenschaftlichem Interesse auf der Mondoberfläche, darunter viele „kleine Kühlfallen“ – schattige Taschen auf der Mondoberfläche mit einer Breite von 6 bis 16 Fuß (2 bis 5 Meter) – die kalt sein können Genug Eis ist wahrscheinlich gesammelt werden. Diese kleinen Kühlfallen bieten Bereiche zur Erkundung sowie tiefere und ältere Gruben, die im Mittelpunkt der Mission von VIPER stehen.

Atemberaubende Schrägansicht des Shackleton-Kraterrandes in der Nähe des Südpols des Mondes. Der Krater hat einen Durchmesser von etwa 21 Kilometern. Obwohl kein Ort auf der Mondoberfläche weiterhin beleuchtet wird, bleiben drei Punkte am Rand gemeinsam mehr als 90 Prozent des Jahres von der Sonne beschienen. Diese Punkte sind von topografischen Vertiefungen umgeben, die niemals Sonnenlicht erhalten, wodurch Kühlfallen entstehen, die Eis einfangen können. Die Engwinkelkamera an Bord des Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA hat dieses Bild am 1. August 2006 aufgenommen. Bildnachweis: NASA/GSFC/Arizona State University

„Früher dachten wir an Wassereis, das sich nur in tiefen, dunklen Kratern auf der Mondoberfläche sammelt“, sagte Collabrett. Aber wir denken jetzt, dass selbst kleine, schattige Krater kalt genug sein können, um Wassermoleküle aufzunehmen. Diese kleinen Kühlfallen sind häufiger als ihre größeren Gegenstücke, daher ist es wichtig zu verstehen, wie Wasser gespeichert wird, um die allgemeinere Frage zu beantworten, wie sich Wasser auf dem Mond verhält.“

Um die Höhenkarten zu erstellen, verwendet ein Team von Ames das Open-Source-Softwaretool Stereo Pipeline der NASA sowie die Rechenleistung des Supercomputers Pleiades von Ames, um Tausende von Satellitenbildern zu überlagern, die von Kameras an Bord der Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter aufgenommen wurden.

Ingenieure kombinieren diese leistungsstarken Werkzeuge und Fachkenntnisse mit einer Bildverarbeitungsfunktion namens Linienphotometrie. Diese Technik, auch bekannt als „Shape from Shading“, kombiniert die bekannten Einfallswinkel des Sonnenlichts mit den Graustufen mehrerer 2D-Bilder, um auf die 3D-Formen der Mondoberfläche zu schließen. Das resultierende Modell des Mondgeländes ermöglicht es Ingenieuren, zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit oder Zukunft zu berechnen, wie sich Licht und Schatten über die Oberfläche gespielt haben. Mithilfe des Modells können sie beispielsweise die Beleuchtung vorhersagen, wann und wo der Rover landen wird, und die Bewegungen des Rovers planen, um ihn im Sonnenlicht zu halten und Schatten zu vermeiden.

Illustration der Polar Exploration Volatile Compound (VIPER) der NASA auf der Mondoberfläche. Bildnachweis: NASA Ames/Daniel Rotter

Da das Team die Lichtverhältnisse kennt, kann das Team detaillierte Temperaturkarten über verschiedenes Gelände, an der Oberfläche und etwas mehr als 2,5 Meter darunter erstellen. Die Temperaturen können zwischen minus 400 Grad und 170 Grad Fahrenheit stark schwanken, was die Mondoberfläche zu einer Abschirmplatte für vielversprechende Orte macht, an denen Eis wahrscheinlich unwahrscheinlich ist. Dank dieser neuen Karten kann das Team auswählen, wo sich das Eis befinden könnte, und VIPER schicken, um Proben zu nehmen und zu überprüfen, ob Eis auftritt und wenn ja, wie stabil es unter verschiedenen Mondbedingungen ist.

„Diese hochauflösenden Karten haben unser Denken völlig verändert“, sagt Kimberly Enico Smith, stellvertretende Projektwissenschaftlerin bei VIPER in Ames. „Wir beginnen zu sehen, wie unterschiedlich die Bodenbedingungen auf dem Mond sind, selbst in Regionen, die wir früher für ziemlich einheitlich hielten. Dies wird es uns ermöglichen, Rover-Krater genauer zu lokalisieren und uns zu einer besseren wissenschaftlichen Datensammlung zu führen.“

Die VIPER-Teammitglieder, die den Rover am Laufen halten, interessieren sich dafür, was das Fahrzeug Tag für Tag – oder besser gesagt, Minute für Minute – erwartet.

„Die Schatten bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Rover um den Südpol des Mondes“, sagte Mark Shirley, Ames‘ Chef der Mission Operations Planning. „Wir müssen im Voraus planen, um nicht an der Dark Fiber Fiber vorbeizukommen – es gibt nicht viel Raum für Fehler.“