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 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.

Denne historie handler ikke kun om videnskab, den handler også om hvordan matematik og opfindsomhed åbner nye grænser for fremtidens rumforskning, og udfordringerne ved at navigere i fremmede verdener.

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, hvor 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

Iris Fernandes og hendes kollegaer har udviklet videre på modellen, så den 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 så kræver modellen ikke meget computerkraft.

Vi kan sige, at det her område er fladt, og med en sikkerhed på 90 procent, at vi ikke har nogle sten, der er over en vis størrelse. 

Det er ekstremt vigtigt at vurdere, hvor sikker man er, når man sender udstyr afsted, der har kostet millioninvesteringer og taget mange år at udvikle og bygge.

En anden fordel med metoden er, at man kan udføre de her beregninger på en MacBook. Det kræver ikke en supercomputer eller lignende.

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 Benna 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: https://science.nasa.gov/mission/osiris-rex/ 

En ny æra for planetarisk udforskning

Denne nye teknik blev først testet på Månen, og den kombinerede laser-højdemåler-data med lav opløsning med billeder i høj opløsning fra NASAs Lunar Reconnaissance Orbiter. Resultatet blev 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 endda udvælge områder, der kan indeholde værdifulde ressourcer som f.eks. vandis.

Men det stopper ikke ved månen

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 menneskeheden forbereder sig på at vende tilbage til Månen, og vove sig længere og længere ud i rummet, så er det afgørende for både robot- og menneskelige opdagelsesrejsende at have så nøjagtige kort som overhovedet muligt.

Men hvorfor betyder dette noget for dig?

For dem af jer, der overvejer en fremtid inden for videnskab, teknologi eller udforskning, er denne forskning et perfekt eksempel på, hvordan tværfagligt samarbejde – hvor matematik, fysik og geofysik mødes – kan føre til banebrydende opdagelser.

Det der startede som et problem med skygger i billeder af Danmarks Stevns Klint, gav uventet Iris Fernandes en nøgle til at låse op for at udforske andre verdener. Døren til kosmos er åben. Det eneste, der skal til, er den rigtige nøgle/ligning for at låse den op.