Naše minisérie článků o nákladech na palubě lunárního landeru Blue Ghost od Firefly Aerospace se pomalu blíží k závěru a samotný lander by se dnes ráno mohl vydat na 45 dní dlouhou cestu k Měsíci. V dnešním článku si posvítíme hned na dva zajímavé náklady – na rozdíl od minulých článků tentokrát nebude řeč o vědeckých přístrojích, ale o technologických demonstrátorech. Na jejich význam při kosmických misích bychom neměli zapomínat, protože často testují nové technologie, které je potřeba prověřit v reálných podmínkách, aby se mohly začít používat na budoucích misích. Nejprve si představíme odběrné zařízené LPV (Lunar PlanetVac) a ve druhé části bude následovat radiačně odolný počítač RadPC.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Mezi technologickými výzvami, které jsou spojené s výpravami na povrch jiných světů, najdeme i efektivní sběr a analýzu vzorků kamenů a prachu. Schopnost rychle a přitom důkladně odebrat a analyzovat vzorky bude potřebná nejen při pilotovaných výpravách z programu Artemis, ale i při budoucích výpravách na Mars a další kosmická tělesa. NASA proto usiluje o změnu paradigmatu v technikách, které umožní nákladově efektivnější získávání vzorků, aby mohly probíhat zkoušky přímo na místě – ať s dohledem astronautů nebo bez něj – a umožní v reálném čase odesílat data o vzorcích výzkumníkům na Zemi.
Právě tento úkol je cílem inovativního technologického demonstrátoru LPV (LunarPlanetVac), který je jedním z deseti nákladů od NASA, které má k Měsíci dopravit další dodávka z programu CLPS (Commercial Lunar Payload Services). LPV má na povrch Měsíce dopravit první exemplář lunárního landeru Blue Ghost od Firefly Aerospace. LPV, jehož vývoj obstarala firma Honeybee Robotics, je pneumatický systém, který k odběru a přemístění vzorků využívá stlačeného plynu. Je to v podstatě vysavač, který si s sebou nese vlastní plyn. Je navržen tak, aby účinně odebíral a přepravoval lunární regolit z povrchu k dalším vědeckým přístrojům, či do pouzder určených k dopravě na Zemi, přičemž jeho fungování není závislé na úrovni gravitace.
Odběrná hlava LPV využije stlačený plyn k rozvíření regolitu a vytvoří malé tornádo. Pokud se vše podaří, bude materiál z prachového oblaku pomocí sekundárních pneumatických trysek usměrněn do přepravní trubice a ve speciálním pouzdru dojde k jeho zachycení. Celá autonomní operace zabere jen pár sekund a zachovává všechna pravidla planetární ochrany. Odebraný regolit (včetně částic až do velikosti 1 cm), bude v odběrném pouzdře proset a vyfotografován, přičemž výsledky se poté odešlou na Zemi v reálném čase.
Inovativní přístup k odběru vzorků a testování přímo na místě by ve výsledku mohl změnit doposud zavedená pravidla, uvedl Dennis Harris, který spravuje zařízení LPV pro program CLPS na Marshallově středisku v alabamském Huntsville. „Není tam žádné kopání, žádná robotická paže, která se opotřebovává, případně může vyžadovat opravu, nebo dokonce výměnu. Funguje to podobně jako vysavač,“ vysvětluje Harris a dodává: „Technologie na tomto přístroji by mohla pomocí při pátrání po vodě, heliu, či dalších zdrojích a poskytne jasnější představu o lokálních materiálech dostupných pro NASA a její partnery pro výrobu lunárních habitatů, startovních ramp, či rozšíření vědeckých znalostí a praktického průzkumu Sluneční soustavy.“
Palubní počítače jsou kriticky důležitou součástí kosmického průzkumu. Závisí na nich prakticky všechny činnosti kosmických sond – od pohonných, přes navigační systémy až po podporu života, sběr vědeckých dat, či komunikaci. Jenže počítače v kosmickém prostředí jsou náchylné na ionizující záření ze Slunce i vzdálenějších zdrojů. Pouhá jedna vysokoenergetická částice může spustit tzv. efekt jedné události (single event effect), který způsobí drobné chyby v datech, jež vedou ke kaskádovým poruchám, zhroucení systému a trvalému poškození. NASA již dlouho hledá nákladově efektivní řešení, jak zmírnit účinky záření na počítače, aby zajistila bezpečnost a úspěšnost misí.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Na scénu proto přichází technologický demonstrátor RadPC (Radiation Tolerant Computer), který na povrch Měsíce dopraví lander Blue Ghost. RadPC, vyvinutý na Montana State University ve městě Bozeman, má demonstrovat obnovu počítače po poruchách způsobených efektem jedné události od ionizujícího záření. Počítač je navržen tak, aby sám v reálném čase sledoval a měřil svůj stav pomocí redundantních procesorů implementovaných na hotových integrovaných obvodech zvaných pole programovatelných hradlových polí. Tyto dlaždicové logické bloky lze snadno vyměnit po potvrzeném zásahu ionizujícími částicemi. V případě zásahu částicí dokáží patentované postupy obnovy RadPC identifikovat místo závady a problém na pozadí opravit.
Jako přidanou vědeckou hodnotu nese RadPC trojici dozimetrů, které budou měřit odlišné úrovně radiace v lunárním prostředí, přičemž každý z nich je vyladěn na odlišné úrovně citlivosti. Tyto dozimetry budou během cesty landeru k Měsíci nepřetržitě měřit interakci mezi zemskou magnetosférou a slunečním větrem. Poskytnou také podrobné radiační informace o místě přistání landeru Blue Ghost v oblasti Mare Crisium, což by mělo pomoci zvýšit bezpečnost budoucích pilotovaných výprav programu Artemis. „Jde o první výpravu RadPC do divočiny, dalo by se říct,“ uvedl Dennis Harris, který na Marshallově středisku zodpovídá za náklady z programu CLPS a dodává: „RadPC je pro program CLPS skvělou příležitostí, jak prověřit možnost radiačně odolného počítače, který by mohl udělat budoucí mise k Měsíci a Marsu bezpečnější a cenově efektivnější.“
Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/
Zdroje obrázků:
https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/RW9nT5ktjYDeN8CiSmhEBK-1200-80.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2025/01/lpv-on-a-lander-closeup-jpg.png
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2025/01/radpc-closeup-rotatencrop.jpg
Ten PlanetVac mě zaujal. Je to dlouhodobý projekt, na Kosmonautixu se o něm psalo už před skoro péti lety. A dál ho chtějí vylepšovat a např. použít i na Marsu.
No a pak by mě zajímalo, jak přesně funguje. Příměr k vysavači čili přístroji fungující díky většímu tlaku atmosféry v okolí, když jde o použití ve vakuu, mi přijde takový, ehm, ne úplně vysvětlující 🙂 A přitom to tak má na svých stránkách i NASA. Jediné, co mě napadlo, je sada dvou druhů trysek: jedny dole horizontálně foukají a dělají ty víry a druhé o kousek výš míří vzhůru směrem do nějakých trubek – zachytí zvířené částice a nafoukají je těmi trubkami nahoru do nějakého zásobníku. Ale je to opravdu přesně takto?
A co spotřeba? Tvrdí, jak je výhodné neopotřebovávat robotickou paži apod., ale najak dlouho vydrží jejich zásoby plynu na unášení těch částeček?
Popis vysavače nechává docela hodně prostoru k úvahám, jak to má fungovat v prostředí bez vnějšího tlaku. Patrně to bude podobný princip, jako odběrná hlava TAGSAM na OSIRIX-REX (https://www.asteroidmission.org/asteroid-operations/tagsam_head/).
Co mě ale opravdu zaujalo, je ten LTP port (asi na tiskárnu :-)) na RadPC a při bližším pohledu takové dost nedokonalé dílenské zpracování skříně toho RadPC. Hliníkové pásky v hranách vypadají, jako bych to lepil já a to jsem známý nešika, šrouby mají kolem sebe „odštěpy“, výřez na onen zmíněný port také jakoby nesedí tvarem. A přitom na technických univerzitách i tady u nás bývají komunitní dílny vybavené 3D tiskárnami, laserovými řezačkami, CNC frézami atp., takže člověk už nemusí být šikovný s lupénkovou pilkou a smirkem, aby výrobek vypadal profi.
Holt v Montaně to pojali ve stylu „soustředíme se jen na to hlavní“ 🙂
A ta myšlenka je hodně zajímavá. Pokud jsem si správě udělal zpětný překlad do angličtiny, tak umějí udělat několik CPU na FPGA, které se navzájem hlídají a v případě poruchy umějí tuto geometricky nalézt chybná hradla a přegenerovat celé postižené CPU na tom FPGA se zadáním, ať se jim vyhne! To je opravdu inovativní přístup a moc jim fandím!
Tradiční řešení je stylem hlavní počítač/záložní počítač/záložní počítač záložního počítače (víc už jich snad nikde nebylo), vše pokud možno na z dnešního pohledu nesmyslně velkých „nanometrech“ pro větší radiační odolnost, tj. obří čip s malým výkonem. Porucha se pozná tak, že to přestane fungovat, nějaký kontrolní palubní systém to zkusí restartovat, pokud to nepomůže, tak přepne na další zálohu v pořadí. Výsledkem může být, že mám tři počítače, každý má vlivem ionizující částice zničený třeba jediný tranzistor a nefunguje nic. Metoda s programovatelným hradlovým polem s dostatečnou redundancí, aby šlo vadná hradla vynechat, dává skutečně úplně nové možnosti. Celé to může jet na soudobých technologiích výroby, tedy i soudobých výkonech a i při poškození třeba poloviny hradel to pořád ještě může fungovat na 100%. Takže tomu taky určitě fandím. Inspirací může být Ingenuity, který má v sobě čip z mobilu a stále funguje (i když se nelétá) i po přeletu na Mars a pobytu na planetě bez magnetosféry.
Ono to neni zas tak ruzove, jak to popisujete. Samozrejme FPGA maji proti ASIC spoustu zajimavych vlastnosti a potencialnich vyhod – ty popisujete, ale taky spoustu nevyhod – ktere jste uplne pominul.
Minimalne bude nutne se vyrovnat s nasledujicim:
* FPGA byva typicky 10x-100x pomalejsi nez ekvivalentni ASIC
* FPGA ma vetsi naroky na spotrebu energie (take je vetsi a tezsi)
* Moderni FPGA ma uvnitr take hard bloky, takove male ASIC uvnitr FPGA. Bud jich tam bude hodne do zasoby (achjo), nebo se bez nich bude muset obejit a pouzivat jen logicke bloky za cenu vetsiho zpomaleni.
* Predstava, ze FPGA muze obejit jednotliva poskozena hradla je zcestna. FPGA pracuje na urovni bloku, poskozene hradlo uvnitr bloku znamena vyrazeni celeho bloku. Tedy radove vetsi jednotky nez je hradlo.
* FPGA se krome logickych bloku sklada take z I/O bloku a routovacich cest mezi bloky. Predstava, ze se poskodi I/O blok nebo dokonce routovaci cesta ve me vyvolava mrazeni v zadech a je mi soufl od zaludku. Tuhle plechovku cervu nechci ani otevirat.
* FPGA bude muset byt stejne zalohovane na urovni cele komponenty.
* FPGA bude muset byt stejne stinene proti radiaci
* FPGA ze sve podstaty zvysuje komplexnost reseni, podpora reprogramovani neni zadarmo (podpurne obvody, uloziste, software, …)
To vsechno nelze pominout, FPGA nelze reprogramovat uprostred kriticke operace (treba navigacni manevr). Reprogramovani trva pomerne dlouhou dobu, nemusi byt uspesne. Nez se funkcnost FPGA obnovi, tak system musi bezet na zaloznim FPGA (kolik jich bude?).
Bohuzel zvysena odolnost neni zadarmo ale platime za ni rostouci slozitosti … a tedy i cenou. Ehm, proste stara znama pisnicka. Ano, treba se FPGA v sondach stane standardem, ale nebude to zadarmo a nebude to rozhodne brzy.
Díky za doplnění, to je všechno pravda. Ale také dodám, že u mnoha těch bodů platí dovětek: „za současných podmínek a běžného HW ‚z Alzy'“. A to je přesně to, co používá ta univerzita, protože jí jde o proof of concept, samozřejmě. Ale čekám, že do budoucna se to vyvine dvěma směry: