Tartu Ülikooli kosmosetehnoloogia nooremteadur Ric Dengel on üks kolmest Eesti doktorandist, kellel on oma projekt Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) tehnoloogilisi uuendusi otsivas programmis „Open Space Innovation Platform“. Selle aasta veedab ta külalisuurijana Hollandis ESA kosmoseuuringute ja -tehnoloogia keskuses ESTEC.
Kosmosetehnoloogia on saanud meie igapäevaelu lahutamatuks osaks. Kõige tuntavam on see tänu satelliitnavigatsioonile, -televisioonile, -internetile jne, kuid satelliite kasutatakse näiteks ka ilma ennustamiseks, luureks, ülemaailmseks kellade sünkroonimiseks ning isegi põhjavee kasutamisest tulenevate maapinna kuju muutuste määramiseks ja niitudel heina niitmise kontrollimiseks.
Kolm kosmosetehnoloogia terminit
FlyByGen – flyby image generation – avatud lähtekoodiga tööriist, mis genereerib tehisaru treenimiseks kosmosepilte. Asteroididest ja komeetidest ei ole piisavalt palju kvaliteetseid fotosid, FlyByGen aga loob ise realistlikke pilte, et aidata tehisarul erinevaid taevakehi paremini ära tunda.
FPGA – field programmable gate array – erilist tüüpi arvutikiip, mida saab pärast valmistamist ümber programmeerida, et täita ülikiiresti spetsiifilisi ülesandeid. Kosmoselaevadel ja -satelliitidel on seda vaja andmete töötlemiseks reaalajas, et vajaduse korral (nt möödasõidumissioonidel, maandumisel, ohtude vältimisel) ilma Maalt käsku saamata kohe õigesti reageerida.
OPIC – optical periscopic imager for comets – Eesti esimene süvakosmose missiooni instrument. Tegemist on optilise periskoopkaameraga, mis teeb komeedist pilte möödalennu ajal. Seadet arendatakse ja katsetatakse Tõraveres Tartu observatooriumis, plaanitud start kosmosesse on aastal 2029.
Allikas: Tartu observatoorium
Saksamaalt pärit Ric Dengeli ESA projekt kannab pealkirja „Masinõppe rakendamine kosmoses autonoomsetel möödalennumissioonidel“. Selle käigus arendab ja katsetab ta tehisarul põhinevaid süsteeme kõikvõimalike objektide pildistamiseks kosmoses.
Kaugem pilk tulevikku
Dengeli teadustööd Hollandis rahastab ESA, kes saab õiguse tema uurimistöö tulemusi kasutada. Dengeli põhieesmärk on välja selgitada, milline andmete töötlemise viis sobib kõige paremini kosmoseaparaatide erinevate ülesannete jaoks; ta keskendub kosmoses objektide tuvastamisele kaameraga. Selleks on tal vaja välja mõelda mitmesuguseid lahendusi andmete töötlemiseks ja koguda andmeid, mille põhjal neid lahendusi katsetada.
Praeguses faasis käib uurimistöö seniste tulemuste testimine ESA projektis „Comet Interceptor“ („Komeedipüüdur“). Täpsemalt püüab Dengel selleks loodud simuleeritud piltidelt leida komeedi tuuma. Aasta tagasi esitles ta oma doktorantuuri käigus Tartus välja töötatud tarkvara: modulaarset pildigeneraatorit FlyByGen, mis aitab seda ülesannet täita.
„Meil ei ole kosmosemissioonidelt piisavalt palju pilte, et masinõppe algoritme treenida. Minu väljatöötatud tarkvara suudab ise luua tuhandeid pilte eeldatavatest sihtmärkidest ja selle abil saame „õpetada“ kosmoses kasutatavat kaamerat erinevaid objekte tuvastama,“ selgitab Dengel.
Teisisõnu treenitakse tehisaru tohutu hulga piltide põhjal ära tundma konkreetseid objekte kosmoses. Seejärel katsetatakse: simuleeritakse arvutis näiteks möödalendu komeedist, asteroidist või planeedist ja jälgitakse, kuidas sond reageerib: kas see saab aru, mis objektiga on tegu ja milliseid andmeid on vaja lõpuks Maale saata.
„Komeedipüüduri“ missioonis püütakse esmakordselt ajaloos uurida Päikesesüsteemi äärealalt pärit komeete, et paremini mõista, mis tingimused valitsesid Päikesesüsteemis planeetide tekke ajal. Start on planeeritud aastasse 2029.
Missiooni käigus saadetakse kosmosesse kolm sondi, mis uurivad komeeti sellest mööda lennates ja kaardistavad selle kolmemõõtmeliselt.
Ühe sondi pardal on Eestis arendatav kaamerainstrument OPIC, mis peab mõneminutilise möödalennu ajal valima välja vaid kõige väärtuslikumad kaadrid. Kaadrite valimise tarkvara arendas selle missiooni jaoks välja Läti firma Bitlake Technologies, kuid tulevikus saaks seda objektituvastust teha tehisaruga, mida arendab Dengel.
Kosmoses töödeldakse andmeid reaalajas erilist tüüpi arvutikiibil (FPGA).
Üks FPGA-ga lahendatavaid probleeme, mida Dengel uurib, on andmete prioriseerimine. Soov on saavutada olukord, et kosmoseaparaat ei saadaks teadlastele enam kõiki toorandmeid, vaid analüüsiks neid enne ja edastaks ainult kõige olulisema või teeks andmete põhjal ise valikuid.
Kuidas ära tunda midagi, millega varasemat kokkupuudet pole? See on ülimalt põnev küsimus.
See vähendab andmeside kasutamist ning võimaldab teha kiiremaid otsuseid ilma Maalt käske ootamata. Mida pikem on satelliidi ja Maa vahemaa, seda rohkem energiat on andmete edastamiseks vaja – seega tasub tarbetut andmevahetust vähendada. Dengel tõdeb, et sellise lähenemise juures on omad proovikivid: võib juhtuda, et kõiki objekte ei suuda kaamera väljaõppest hoolimata siiski ära tunda.
„Kosmoses, eriti teistel planeetidel, on kindlasti palju võõrast, mida me varem näinud pole. Kui masin näeb näiteks tundmatut lendavat objekti, aga algoritmides pole midagi, mis suudaks seda tuvastada, mis siis saab? Kuidas ära tunda midagi, millega varasemat kokkupuudet pole, ja sellest teistele teada anda? See on kosmosetehnoloogias ülimalt põnev küsimus.“
Kallis tehnoloogia ja keerulised olud
Kui Maa peal näeb isesõitev auto tundmatut objekti, püüab ta seda võrrelda varem nähtud asjade ja olenditega, ja kui vastet ei leidu, saavad insenerid vähese vaevaga programmi muudatused teha. Kui kütus otsa saab, on võimalik sõidukit tankida või laadida; kui masin saab viga, tehakse remonti.
Kosmoses on seadmete hooldus ja uuendamine tehniliselt palju keerulisem. Probleemid tekivad juba viivitusest, mis on tingitud hiiglaslikest vahemaadest: kui Marsi lähedal olevale satelliidile saadetakse Maalt töökäsk, jõuab signaal küll umbes 20 minutiga kohale, aga selleks ajaks on satelliit juba edasi liikunud.
On veel mitu omavahel seotud keerdküsimust. Esiteks pole kosmosetehnoloogia odav lõbu. Materjalid peavad olema äärmiselt vastupidavad ja töökindlad ning maksavad palju. Et nende tootmine ja kasutamine oleks tõhusam, püütakse teha järjest väiksemaid kosmosesõidukeid, kuid kõiki komponente ei ole võimalik lõputult väiksemaks muuta.
Tuleb arvestada, et väiksemal masinal on vajaliku töö tegemiseks vähem arvutusjõudlust. Jõudlust on aga vaja, et andmeid koguda ja töödelda ning sõidukit juhtida. Lisaks on kosmose eripära see, et seal on väga keeruline seadmeid jahutada: kui sülearvutis jahutab protsessorit ventilaator, siis kosmoses selline lahendus ei toimi. Üleliigsest soojusest tuleb aga kuidagi lahti saada, sest vastasel korral kuumeneb seade lihtsalt üle ja lakkab töötamast.
Nende keerukate ülesannete lahendamiseks tuleb Maa peal kogu võimalik arendustöö ära teha ning anda kosmoseliikuritele palju iseseisvust. See on eriti oluline süvakosmose missioonidel, kus side puudumine muudab kosmosesõiduki ja sondide reaalajas juhtimise võimatuks.
Ric Dengel selgitab, et kosmosesõidukite autonoomsus saavutatakse mudelitega, mis põhinevad etteantud tõenäosustel, ja need ei mõtle iseenesest midagi uut välja.
„Päris omapäi mõtlev ja tegutsev tehisaru on ikkagi veel ulmeline stsenaarium. Näiteks ChatGPT võib meid üllatada ja see areneb tõesti kiiresti, aga tehisaru on siiski veel selles seisus, kus see modelleerib ja jäljendab.
Kui me jõuame hetke, kus tehisaru loob midagi, mida meie enam seletada ei oska – vaat siis peaksime muutuma ettevaatlikuks,“ arvab Dengel.
Eesti kosmosekeskus Tõraveres
Tartu Ülikooli Tartu observatooriumis tehakse teadus- ja arendustööd ning koolitatakse noorteadlasi astronoomias, kaugseires ja kosmosetehnoloogias. Observatoorium on ka tunnustatud partner rahvusvahelistes võrgustikes. Selle kosmosetehnoloogia osakond tegeleb mitmesuguste uudsete seadmete projekteerimise, ehitamise ja katsetamisega. Arendatavad seadmed leiavad rakendust nii kosmoses kui ka Maa peal.
Muu hulgas on observatooriumis akrediteeritud katselaborid, kus ettevõtted saavad oma seadmeid testida erinevates keskkonnatingimustes ja on võimalik kalibreerida optikaseadmeid. Kosmosemissioonide simuleerimise keskuses ehk Kosmosepunkris saab katsetada kosmoseinstrumente enne päris missioonile saatmist. Näiteks on seal tehtud juba ka katsemõõtmisi „Komeedipüüduri“ missiooni jaoks.
Lisa kommentaar