RUMFART - opmåling af andre planeters overflade

Hvordan sikrer vi, at astronauter kan lande sikkert i et ukendt terræn, og navigere i kratere, der muligvis kan rumme væsentlige ressourcer til længere måneophold? 

Det er en udfordring, som ingen forskere har et præcist svar på, indtil nu. For svaret ligger i en banebrydende metode udviklet af Iris Fernandes, en tidligere ph.d. studerende fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. 

Det er en metode, der kan revolutionere, hvordan vi kortlægger ikke kun månen, men også Mars, asteroider og andre klippeplaneter i vores solsystem.

Iris er nu ansat som Postdoc på instituttet, og er med i den dansk ledede ”Máni-mission” som i den nærmeste fremtid forhåbentlig munder ud i en kommende rummission til Månen.

Fra skygger til et kort i høj opløsning

Hvis du har prøvet at fotografere når solen står lavt på himlen, så har du nok også bemærket, hvordan solen kaster længere og længere skygger efterhånden som solnedgangen skrider frem. Skyggerne kan bruges til meget mere end blot at skabe en smuk stemning i billedet, de kan nemlig også afsløre en masse om landskabet du fotograferer, et landskab med kratere, skråninger og klippevægge.

Forskere har længe vidst, at man kan bruge information om skyggerne til at lave pålidelige kort, men det har altid været en meget langsom proces, der har krævet en masse antagelser og computerkraft. Det er her Fernandes' metode kommer ind i billedet.

I stedet for at stole på forsøg og fejl for at finde ud af, hvad skygger betyder, knækkede Iris og hendes medforfatter, professor Klaus Mosegaard koden med en ligning, der direkte forbinder sollysvinkler med terræntræk.

Enkelt sagt har de fundet en metode til at kortlægge overfladen af ​​planetariske overflader med hidtil uset nøjagtighed, og på rekordtid, ved at bruge skyggerne i billedet.

Forestil dig en robot-rover, som dem på Mars, der forsøger at krydse et vanskeligt landskab. For at undgå at sidde fast eller vælte, har den brug for et præcist kort over terrænet. Det er præcis, hvad denne metode giver.

Og det handler ikke kun om at komme sikkert fra punkt A til punkt B – det handler også om at afdække en planets geologiske historie. For eksempel antyder runde sten gamle floder, og stejle kratere antyder, at lange skygger kan have skjult is under overfladen.

Sådan fungerer Iris' metode

Metoden, der kaldes 'shape-from-shading', går ud på at man tager billeder af det samme område af Månens overflade fra forskellige vinkler, og ved at se på, hvordan skyggerne ændrer sig, kan man genskabe kurverne og lave en tredimensionel model af overfladen.

En satellit, der flyver hen over horisonten på Månen, vil tage billeder af området i takt med at den flyver hele vejen hen over, indtil den går ned på den anden side. Vi vil gerne have 10 billeder af det samme område i takt med, at vi flyver hen over. Det bliver til 10 billeder taget med varierende vinkler mellem næsten 0 grader til 180 grader.

Billederne af området giver en kortlægning på cirka 0,5 gange 0,5 kilometer, og eftersom skyggerne og lyset varierer i hvert billede fra en ny vinkel, varierer intensiteten for hver pixel, og det er variationen i pixelintensiteten, som modellen kan oversætte til højdeforskelle.

Metoden kan også sige noget om underlaget under overfladen

Hvad nu, hvis rumfartøjet lander i et område med et løst underlag? Iris Fernandes og hendes kollegaer har udviklet videre på modellen, så den også kan forudsige ruheden af måneoverfladen, så vi kan også sige noget om stentypen og materialet i underlaget.

Dermed får kortet en opløsning på subpixelniveau, og som en ekstra bonus, så kræver modellen ikke ret meget computerkraft til udregning af modellen.

Når det næsten går galt - Nasa-missionen OSIRIS-REx

Det har tidligere ført til problemer, da man skulle lande på en asteroide. Videoen herunder viser NASAs første asteroide-mission, hvor de for første gang skulle opsamle en prøve.

Fartøjet landede i et område, hvor underlaget havde en hældning og ukendt ruhed der gjorde, at det næsten sank ned i overfladen. Det nåede dog at undslippe, men det var tæt på at gå galt.

Rumfartøjet blev sendt afsted i 2016, og landede i oktober 2020 på Bennu asteroiden, hvor det indsamlede omkring 250 gram materiale til levering til Jorden. 2 år og 4 måneder senere i september 2023 landede en kapsel med prøven i Utahs vestlige ørken.

Efter at have afleveret prøven gennem Jordens atmosfære, blev rumfartøjet omdøbt til OSIRIS-APEX og sendt på en ny mission for at udforske asteroiden Apophis i 2029.

Læs mere om Osiris-REx missionen 

Men det stopper ikke ved Månen

Den nye teknik blev først testet på Månen, og kombinationen af laser-højdemåler-data i lav opløsning, med billeder i høj opløsning fra NASAs Lunar Reconnaissance Orbiter, resulterede i et topografikort så detaljeret, at det kan afsløre kratere kun få meter på tværs.

Dette præcisionsniveau er afgørende for planlægning af missioner i rummet.

At kunne hjælpe forskere med at vælge de bedste landingssteder, at udtænke sikre ruter for rovere og udvælge områder, der kan indeholde værdifulde ressourcer som f.eks. vandis.

Denne teknik er allerede ved at blive udforsket til at kortlægge Mars, og kan en dag blive brugt på asteroider - eller endda måner, der kredser om andre planeter.

Mens vi forbereder os på at vende tilbage til Månen, og vove os længere og længere ud i rummet, så er det afgørende at have så nøjagtige kort som overhovedet muligt.

Tværfagligt samarbejde

Hvis du overvejer en fremtid inden for videnskab og teknologi, er denne forskning et perfekt eksempel på tværfagligt samarbejde, hvor matematik, fysik og geofysik kan føre til banebrydende og overraskende opdagelser.

Det, der startede som et problem med skygger i billeder af Stevns Klint, gav uventet Iris Fernandes billet til udforskningen af  fremtidens rumfart i vores solsystem.

"Det interessante med videnskab og forskning er, at nogle gange ender man et helt andet sted, end det man havde planlagt" slutter Iris Fernandes. Se videoen herunder, hvor hun fortæller om hendes vej til videnskabens verden som forsker i første række.