Szoftveres feljesztéssel a holdi jég nyomában

Térinformatikai eszközökkel a holdi sarkvidéki leszállóhelyek és a vízjég nyomában – magyar kutatási eredmények.

Az Apollo-program óta nem történt emberes küldetés a Holdra. Az elmúlt évtizedekben főként távérzékeléses technikával történtek felmérések a Hold felszíni viszonyainak, valamint belső struktúrájának jobb megértését célzandó, de akadtak felszíni leszállóegységek is, melyek mintavételezést végeztek égi kísérőnkön. Napjaink egyik legfontosabb kérdése az, hogy a sarkvidéki területeken fellelhető vízjégből mennyi van kísérőnkön, és az pontosan milyen struktúrákhoz igazodva fordul elő.

A fagyott formában jelen lévő H₂O molekulákra egyrészt mint potenciális erőforrásra tekintenek, mivel szétbontva a hidrogén- és az oxigénatomok alapként szolgálhatnak a jövőben űreszközök és személyzetes űrbázis nyersanyagszükségleteinek (ivóvíz, üzemanyag, légzéshez oxigén) kielégítésére. A Külgazdasági és Külügyminisztérium Űrpolitikáért és Űrtevékenységért Felelős Főosztálya támogatásával megvalósuló H82 POLICETECH projekt keretében magyar térinformatikai kutatás kapcsolódik be az Európai Űrügynökség (ESA) és NASA közös CP22 küldetésébe. Ennek keretében az ESA PROSPECT fúróberendezését szállító NASA CLPS (korábban Roszkoszmosz Luna-27) űrszondának keresünk kutatási és műszerbiztonsági szempontból is megfelelő leszállóhelyet. Ez a berendezés a holdi regolit 1 méteres mélységéből tervez mintát venni és feldolgozni, ideális esetben a regolitban lévő jéggel együtt.

A biztonságos leszálláshoz, felszíni üzemeléshez, valamint a sikeres tudományos munkához és helyszíni erőforrások használatához összehasonlítani és rangsorolni kell a különböző területeket. Ezzel kapcsolatban jelent meg az elmúlt hónapokban két cikke ezen írás szerzőjének az Icarus és az Advances in Space Research folyóiratokban – alább tekintjük át, milyen módszerekkel lehet az ideális leszállóhelyeket azonosítani.

A HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetében zajló kutatás összetett szoftveres adatfeldolgozást, valamint az eredmények bolygótudományi értékelését is tartalmazó munkafolyamatokat foglal magába. A felhasznált térinformatikai módszerek az adatok összegyűjtésével, tárolásával, feldolgozásával és megjelenítésével foglalkoznak. A kutatáshoz szükséges adatokat korábbi keringő egységek mérései, valamint az azokból származtatott adatbázisok képezik. A NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) lézeres magasságmérője (Lunar Orbiter Laser Altimeter, LOLA) digitális domborzatmodellt készít, míg a nagy felbontású (1 méter/pixel) optikai kamerája (Narrow Angle Camera, NAC) pedig kisebb formák azonosítására alkalmas fényképeket rögzít.

Apertúraszintézises radarméréseket (SAR) mind az LRO fedélzetén lévő Miniature Radio-Frequency instrument (Mini-RF) eszköz, mind az indiai Csándráján-1 (Chandrayaan-1) szonda Mini-SAR műszere készített. Itt a kibocsátott rádiójelek polarizáltságának változása a felszín morfológiájáról, valamint szerkezetéről, érdességéről (kráterezettség és sziklával való borítottság) szolgáltat adatokat, továbbá még felszínközeli jég előfordulására is utalhat. A SELENE/Kaguya japán szonda Multi-band Imager eszköze által rögzített összetétel méréseiből származtatott Optical Maturity (OMAT) a felszíni regolit frissességét hivatott jelezni.

A domborzatmodell a lejtőszög meghatározása mellett a megvilágítás becslésében is szerephez jut, a domborzat árnyékoló hatása ugyanis markánsan mutatkozik a pólus régióját kis szögben elérő napsugárzástól. Mindez a biztonságos landolás, a napelemes energiaellátás, a Föld láthatósága, az eszköz vezérlése és vele folytatott kommunikáció miatt is fontos. Ezek az adatbázisok a beérkező sugárzás, valamint rádiójelek és a horizont magasságának adataiból származtathatóak. Az, hogy melyiket jelöli az aktuális területről származó SAR mérés, nagy felbontású optikai képekről tudható meg, amelyeket térbeli adatokkal ellátva (georeferálva) lehet fedésbe hozni a vonatkozó radarmérésekkel.

Az alábbi eredmények példákat mutatnak arra, milyen fajta térinformatikai elemzésekkel becsülhetők meg és hasonlíthatók össze az egyes leszállóhelyek adottságai, azok tudományos „értéke” és technikai elérhetősége a leszállás és az üzemelés biztonsága szempontjából.

1. kép: Ugyanazon 5 km × 5 km-es területek különböző mérések alapján a Hold déli sarkvidékén. A: nagy felbontású optikai kép (NAC), B: optikai érettség (OMAT), C: körkörösen polarizált rádióhullámok aránya (CPR), D: nagy felbontású optikai kép (NAC, nagyított rész 300 m × 300 m)

Az eltérő felbontású adatállományokat többlépcsős folyamat eredményeként lehet együtt kezelni és elemezni. Ha térbeli helyzetük külön koordináta-rendszerben van tárolva, azok egységesítése szükséges (általában fokról metrikus alapúra). Térbeli helyzetük információjával nem ellátott adatállományokba egy további, már koordinátákkal ellátott adatbázis alapján adható meg a lokáció, melyeket meghatározott adatpontokhoz lehet kapcsolni, Ezek után a program a köztes pixelekre kiszámolja azok elhelyezkedését. Eltérő felbontás esetén az újramintavételezés (Resampling) módszerével lehet egységes lefedettségűre alakítani az adatokat.

2. kép: Lejtőszög értékek a korábban tervezett nyolc leszállóhelyjelölt (30 km átmérőjű körök) területén. A fekete vonallal a biztonságos landolást biztosító érték felső határa, 8°. Ezeken a területeken biztonságos a leszállás

A célterületeket jellemző különböző statisztikai értékeket a térinformatikai (GIS) programok automatikusan generálják a raszteres (pixelekből álló) adatállományhoz, melyek lekérdezhetőek és numerikus statisztikai értékekhez kapcsolhatóak. Mindezek segítenek eltérő leszállóhelyek összehasonlításában.

3. kép: Nap általi megvilágítottság a déli pólusi régióban. Szürke háttérrel a nem megfelelő területek a lejtőszög, Föld láthatósága és hőmérséklet szempontjából. Színessel a megvilágítási arányok a többi paraméter szempontjából megfelelő területeken: barna: 10% alatt, sárga: 10–20% között, zöld: 20% felett

Az ún. multilayer evaluation módszer olyan logikai művelet, amelynek keretében több eltérő adatállományt különböző numerikus határértékek szerint kell együttesen mérlegelni, pl. ne csak lapos legyen a terület, de kellően hideg is, ugyanakkor időnként mégis kapjon napfényt a napelemtábla, és lehessen közvetlenül kommunikálni a Földdel. Itt a raszteres adatállományban az aktuálisan megfelelő értékhatárok közötti részeket az újraosztályozás (Reclassify) módszerével lehet kiválasztani. Az így leválogatott részt vektoros adatállományba szükséges konvertálni, ahol az érdekes részekre további számítások végezhetők. Végül az egyes osztályoknak a színátmenetes ábrázolása az emberi szem és agy érzékelési lehetőségének megfelelően történik az űrprogramban dolgozó szakemberek végső mérlegelése céljából.

Piaci rés az űrtevékenységben?

A fenti elemzések megvalósításához szoftveres tapasztalat és tudományos háttér ismerete egyaránt szükséges. Mindezek felett nem kevés munkaidő is kell, hogy az aprólékos digitális adatillesztést és értelmezést elvégezve, nagy holdi területekről homogén módon készítsünk interpretált, származtatott, numerikus értékeken alapuló elemzéseket. Az ilyen munka ideális „piaci rést” jelent hazánknak, ahol kisebb, de erősen speciális, egyedi szoftveres fejlesztésekkel (lekérdezési algoritmusok készítése, plug-in programozás stb.) űrszondás programok előkészítéséhez nyújthatunk nemzetközi szinten értékes támogatást.

A Hold déli pólusához az elkövetkezendő években több ország programjai keretében több különféle szondát terveznek küldeni. A kapcsolódó hazai kutatás (űrszondaleszállóhely-előkészítés) következő fázisában a becsapódásos kráterekből kidobódott törmelékek vastagságának, valamint az egyes rétegek korának becslése történik majd. Az eredmények segítenek ugyanis a megfelelő korú minták eléréséhez szükséges fúrási mélység meghatározásában. Ez a munkafolyamat automatizált eljárással, programozási környezetben valósul majd meg, és alapját képezheti majd más égitesteken végzett hasonló számításoknak.

Tomka Richárd
HUN-REN CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet