NASA rozwija kluczowe technologie, które mają umożliwić wysłanie astronautów na Marsa już około 2030 roku. Kluczowym „przystankiem” między Ziemią a Czerwoną Planetą jest Księżyc, który pełni rolę poligonu doświadczalnego dla technologii kosmicznych. Testowane tam rozwiązania w przyszłości pozwolą nam na zaludnianie innych planet. Polska również ma w tej kwestii swój znaczący wkład.
W ostatnich latach eksploracja Księżyca przeżywa dynamiczny rozwój. Przykładem tego mogą być chińskie misje, takie jak: Chang’e-5 w 2020 roku i Chang’e-6 w 2024 roku oraz udane lądowanie indyjskiej sondy Chandrayaan-3 w 2023 roku. Ich celem było pozyskanie próbek testowych. Stany Zjednoczone również intensyfikują swoje działania w ramach programu Artemis, który jest prowadzony i rozwijany przez NASA. Zakłada on powrót ludzi na powierzchnię Księżyca do 2028 roku, czyli ponad pół wieku po pierwszym lądowaniu. Kolejnym przełomowym sukcesem było tegoroczne lądowanie na księżycu koordynowane przez firmę spoza sektora rządowego – Intuitive Machines, która tym samym wyznaczyła nowy etap w historii misji kosmicznych.
Wszystkie wyżej wspomniane działania wykorzystywały robotykę, która odgrywa kluczową rolę przy wydobyciu surowców oraz budowie infrastruktury kosmicznej. Dzięki dynamicznemu rozwojowi technologii robotycznych mamy szansę wyznaczyć nowe standardy, czyniąc tym samym eksplorację Księżyca bardziej zrównoważoną i adaptowalną w kontekście przyszłych misji.
Robotyka optymalizuje koszty eksploracji kosmosu
Misja Apollo 11, która jako pierwsza zabrała ludzi na Księżyc, była niezwykle kosztowna. Według The Planetary Society jej koszt, po uwzględnieniu inflacji, wyniósłby dziś 3 miliardy dolarów. W latach 1969-1972 odbyło się kolejnych pięć załogowych lądowań na Księżycu. Każda z tych misji miała coraz bardziej ambitne cele. Podczas trzech ostatnich lotów astronauci korzystali z załogowego łazika LRV.
– Z czasem projekty kosmiczne stawały się bardziej osiągalne, głównie za sprawą spadających kosztów sprzętu wykorzystywanego w misjach oraz niższych wydatków na wynoszenie ładunków w przestrzeń – tłumaczy Lyubomyr Demkiv, Director of Robotics and Advanced Automation w SoftServe.
Wysyłanie robotów w kosmos jest bardziej opłacalne i praktyczne w porównaniu do misji załogowych. Roboty nie potrzebują jedzenia, snu ani przerw na potrzeby fizjologiczne, a do tego mogą pozostawać w przestrzeni kosmicznej przez lata.
Kolejnym kluczowym aspektem jest możliwość funkcjonowania robotów w ekstremalnych warunkach, które byłyby zbyt niebezpieczne dla ludzi. Są one odporne na wysokie poziomy promieniowania, skrajne temperatury i mogą wykonywać zadania zbyt ryzykowne lub wręcz niemożliwe dla astronautów.
Technologia stale się rozwija, a robotyczne łaziki przeczesują powierzchnię Księżyca, aby lepiej zrozumieć jego charakterystykę i możliwości. Jednak w niektórych obszarach wymagający teren jest zbyt dużym wyzwaniem dla obecnych modeli, a to uniemożliwia efektywne zbieranie danych.
SoftServe pracuje nad alternatywnym rozwiązaniem: swobodnie latającymi pojazdami, czyli dronami księżycowymi, które zapewniają większą mobilność w mapowaniu powierzchni Księżyca. Te napędzane silnikami rakietowymi urządzenia mogą przelatywać nad obszarami niedostępnymi dla tradycyjnych łazików, dostarczając precyzyjnych danych. Przyczyni się to do eksploracji planetarnej w przyszłości, a zwłaszcza poszukiwania różnych zasobów.
– Dzięki słabej grawitacji Księżyca i braku atmosfery, drony mogą sprawnie pokonywać dalekie odległości. Zaprojektowany przez nas system nawigacyjny umożliwia 70-kilogramowemu dronowi ekonomiczne odkrywanie Księżyca. Wszystko za sprawą precyzyjnego sterowania lotem oraz płynnego startowania i lądowania. Dron, wyposażony w nawigację opartą na wizji oraz algorytmie SLAM, autonomicznie mapuje teren i dociera do wcześniej określonych celów. To znacząco obniża koszty misji księżycowych – dodaje Lutz Richter, Space Projects Expert w SoftServe.
Siła symulacji
Inżynierowie opierają się na symulacjach, aby efektywnie rozwijać technologie kosmiczne. Pozwalają one na testowanie i optymalizację systemów robotycznych w wirtualnych środowiskach, eliminując wysokie koszty i ryzyko związane z próbami w rzeczywistych warunkach. Polska jest jednym z krajów, które mają w swoim gronie najlepszych ekspertów i ekspertki w dziedzinie symulacji kosmicznych.
– Chcąc zwiększyć skuteczność, zawsze rekomendujemy podejście oparte na zasadzie „podstawą jest symulacja”. W takim modelu system jest najpierw projektowany, testowany i weryfikowany w środowisku symulacyjnym, a dopiero potem poddawany eksperymentom w rzeczywistych warunkach – mówi Mariusz Janiak, (Co-)simulation and Optimization Expert w SoftServe Poland.
Modele „high-fidelity” (o wysokiej wiarygodności) dokładnie odwzorowują rzeczywistość, umożliwiając firmom analizę różnych scenariuszy oraz optymalizację wydajności jeszcze przed budową prototypów. SoftServe wdrożyło podejście „podstawą jest symulacja” przy projektowaniu dronów księżycowych. Modelujemy przebieg lotu oraz system nawigacji oparty na algorytmie SLAM wraz ze wszystkimi niezbędnymi sensorami. Symulacje terenu księżycowego bazują na danych satelitarnych. Dzięki wykorzystaniu physical AI i narzędzi wizualizacji, inżynierowie wygenerowali chmury punktów i obrazy 3D, które później zostały przekształcone w trójwymiarową mapę terenu.
Przykładem wykorzystania symulacji są technologie budowlane stworzone na potrzeby ciągłego odkrywania Księżyca. Są one rozwijane przez konsorcjum 4 firm pod przewodnictwem Astroport Space Technologies z San Antonio w Teksasie. NASA zainwestowała w ten projekt 1,3 miliona dolarów. SoftServe w tym projekcie odpowiada za modelowanie robotów, które zbudują kosmodrom na powierzchni Księżyca. Prace obejmują również zaawansowane symulacje cyfrowe procesu budowy, uwzględniające właściwości i specyfikę księżycowego gruntu.
Największe wyzwania w obszarze robotyki
W ciągu ostatnich 3 lat w sektorze robotyki kosmicznej pojawiło się ponad 40 firm i pozyskało ponad 200 milionów dolarów finansowania wysokiego ryzyka. Robotyka kosmiczna, uznana przez GlobalData za rozwijającą się technologię, charakteryzuje się jednym z najszybciej rosnących wskaźników innowacji w branży. Jej wpływ wykracza poza eksplorację kosmosu, rewolucjonizując inne sektory, np. produkcję, opiekę zdrowotną i logistykę. Optymalizuje procesy operacyjne i obniża koszty.
Ostatnie badanie PIE pokazuje, że 77% małych i średnich przedsiębiorstw w Polsce postrzega robotyzację jako kluczową przewagę konkurencyjną.
Rozwój robotyki wiąże się jednak także z wyzwaniami. Robotyka i automatyzacja przemysłowa to dziedziny z natury multidyscyplinarne, wymagające wiedzy z różnych obszarów, jak np. fizyka, inżynieria, programowanie, a czasem również chemia.
– Nie skupiamy się wyłącznie na jednej dziedzinie. Jednego dnia możemy symulować rozkład temperatur na statku kosmicznym w trakcie misji, a następnego optymalizować działanie przemysłowej prasy – mówi Mariusz Janiak. Jego zespół dostarcza zaawansowane, oparte na badaniach rozwiązania, często w bardzo krótkich, 3-miesięcznych cyklach projektowych.
Niedobór wykwalifikowanych ekspertów dodatkowo zwiększa skalę tych wyzwań.
– Zazwyczaj osoby z odpowiednimi kompetencjami pracują na uczelniach, podczas gdy przemysł potrzebuje szybkich i praktycznych rozwiązań – podkreśla Mariusz Janiak.
Chcąc stać się ekspertem w dziedzinie robotyki, konieczne jest połączenie wiedzy akademickiej z obszarów fizyki, matematyki coraz teorii sterowania z umiejętnościami biznesowymi. Dzięki temu nasze technologie przekształcamy w opłacalne rozwiązania.