A NASA está desenvolvendo uma tecnologia baseada em laser projetada para ajudar a aterrissagem de espaçonaves em uma proverbial moeda para missões à Lua e Marte. A tecnologia passará por testes nos próximos lançamentos de foguetes suborbitais com o Blue Origin em seu foguete New Shepard e viajará até a Lua em vários pousadores comerciais como parte do programa Artemis . Simultaneamente, as empresas estão usando a tecnologia para ajudar os carros autônomos a navegar no trânsito da hora do rush neste planeta.
Os engenheiros da NASA estão projetando uma abordagem para gerenciar com segurança várias viagens à Lua e Marte, que poderia incluir a entrega de toneladas de equipamentos científicos e de suporte de vida antes das missões tripuladas.
Isso ajuda a comparar o desafio proposto aos pousos anteriores: o rover Curiosity, o pouso em Marte mais preciso da NASA até o momento, tinha uma área de pouso de 12 milhas de comprimento e 6,4 milhas de largura. As missões futuras exigirão várias entregas de suprimentos, bem como pessoas para pousar a algumas centenas de metros umas das outras. Somente um pouso de precisão e sistema de prevenção de perigos podem tornar isso possível.
Os pousadores do futuro podem usar um conjunto completo de tecnologia, incluindo sensores de próxima geração, câmeras, algoritmos especializados e um computador de vôo espacial de alto desempenho que funcionam em conjunto. A NASA organizou o desenvolvimento dessas capacidades sob o projeto de Pouso Seguro e Preciso - Evolução de Capacidades Integradas, ou SPLICE . O esforço de desenvolvimento de tecnologia está sob o programa Game Changing Development do Space Technology Mission Directorate. E mesmo enquanto o SPLICE se prepara para seu primeiro vôo de teste suborbital em um vôo de parceria com a Blue Origin, algumas das tecnologias usadas nele e promovidas ao longo do caminho estão se transformando no setor comercial.
Lidar é um sistema de detecção semelhante ao radar que usa ondas de luz em vez de ondas de rádio para detectar objetos, caracterizar sua forma e calcular sua distância. O SPLICE usa uma nova variação chamada Doppler Lidar de navegação , ou NDL, que vai ainda mais longe: detecta o movimento e a velocidade de objetos distantes, bem como o próprio movimento da espaçonave em relação ao solo (como velocidade, inclinação, rotação e altitude) .
O co-inventor do NDL, Farzin Amzajerdian, que é o principal investigador da tecnologia no Langley Research Center da NASA em Hampton, Virgínia, explicou que a frequência do laser do sistema é pelo menos três ordens de magnitude maior do que os radares.
“Frequências mais altas se traduzem em dados de maior precisão e sensores potencialmente mais eficientes e compactos”, disse ele, e “a velocidade ou velocidade é obtida usando o efeito Doppler”. Ou seja, a frequência da luz laser retornada mudará ao ricochetear no solo conforme a espaçonave se aproxima. Portanto, uma espaçonave terá dados precisos para verificar exatamente a rapidez com que está se movendo em direção ao solo e em que ângulo.
“Espera-se que o Navigation Doppler Lidar se torne um sensor padrão para a maioria dos veículos de pouso da NASA”, de acordo com Glenn Hines, engenheiro-chefe da NDL. “As unidades de demonstração NDL serão testadas em um veículo suborbital no final deste mês e em duas missões de pouso lunar no próximo ano”.
Aplicações Terrestres
Steve Sandford, ex-diretor de engenharia da Langley, também acreditava que a tecnologia tinha valiosas aplicações terrestres. Ele apoiou o desenvolvimento do Doppler lidar durante sua gestão na NASA, vendo os resultados iniciais em primeira mão. Depois de se aposentar, ele formou a Psionic LLC, com sede em Hampton, Virginia.
Em 2016, a empresa licenciou a tecnologia Doppler lidar de Langley. Ela também firmou um Acordo de Ato Espacial com o centro para alavancar as instalações e experiência da NASA enquanto desenvolve sua versão comercial da tecnologia para uso neste planeta, bem como amadurece para aplicações espaciais , como pousos lunares.
A Psionic está reengenharia do hardware, um esforço liderado por Diego Pierrottet, um co-inventor do lidar quando trabalhava na NASA e agora é engenheiro-chefe da Psionic. Sandford disse que o trabalho investido pela NASA por décadas torna possível para a Psionic desenvolver um processo de fabricação viável para entrar no mercado.
A Psionic tem clientes de defesa usando a tecnologia adaptada para reduzir o impacto na aterrissagem de aeronaves, melhorar a segurança do reabastecimento no ar e detectar drones, de acordo com Sanford. As empresas espaciais estão explorando as aplicações da tecnologia em operações de encontro e proximidade e pouso de precisão na Lua e Marte.
E na indústria automotiva, os clientes estão desenvolvendo sistemas de direção autônoma para carros que usarão a tecnologia tanto na navegação quanto na prevenção de colisões.
“A alta resolução do Doppler lidar pode distinguir entre objetos que estão separados por apenas vários centímetros e até mesmo a uma distância de várias centenas de metros”, explicou Sandford.
Isso é importante quando um pedestre está cruzando uma estrada ou um caminhão está passando na frente de um prédio. Os algoritmos precisam de dados precisos para determinar o que é o objeto - pessoa, prédio ou caminhão - e se está no caminho do carro, evitando o erro potencialmente fatal de não desacelerar ou parar a tempo.
Além disso, uma característica revolucionária deste lidar é que ele só vê a luz laser que gera, ignorando a luz laser transmitida de outros lidars.
Visão de precisão
SPLICE é o produto de muitos anos de desenvolvimento. Em estágios anteriores, a NASA testou um tipo diferente de lidar com imageador 3D, chamado lidar com flash obturador global, que também está sendo usado para carros autônomos .
Ao contrário do fluxo único de pulsos de laser no lidar tradicional, o lidar com flash obturador global adquire dados através de uma matriz de pixels, usando um único pulso de laser para gerar o mapa inteiro, disse Amzajerdian. Isso permite resultados muito mais rápidos. “Você pode ter dezenas de milhares de pixels em uma única imagem do laser”, explicou ele.
Também reduz significativamente a carga computacional, porque todos os dados são recebidos no mesmo momento e no mesmo local físico - nenhum cálculo de velocidade é necessário.
Em 2014, a NASA demonstrou um pouso autônomo usando a tecnologia em um projeto precursor do SPLICE.
O lidar com flash obturador global foi inventado por Advanced Scientific Concepts Inc. (ASC), com sede em Santa Bárbara, Califórnia. Embora já tivesse começado, vários anos de financiamento do programa de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) da NASA e outros fundos de projeto foram fundamentais para sua conclusão.
“Em todo esse processo, trabalhamos com eles”, disse Amzajerdian. “Quando víamos problemas ou áreas que precisavam de melhorias, tentávamos entendê-los e comunicar à empresa o que víamos, e às vezes também sugeríamos soluções para eles.”
Hoje, o flash lidar da ASC é um pioneiro no espaço. A missão de retorno da amostra de asteróide Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security-Regolith Explorer ( OSIRIS-REx ) da NASA tem uma das câmeras para ajudar a orientar a abordagem final para Bennu, seu asteróide alvo.
A tecnologia da câmera, uma versão com eficiência energética reduzida em relação à versão espacial, também foi comprada por um grande fabricante de peças automotivas, com o objetivo de usá-la em carros autônomos e autônomos.
Nota do Editor: Uma versão anterior desses recursos foi publicada originalmente na publicação 2020 Spinoff e online. Para ler as histórias originais, visite spinoff.nasa.gov .
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