Sciami di piccoli satelliti potrebbero comunicare tra loro per raccogliere dati su importanti modelli meteorologici in diversi momenti della giornata o dell'anno, e da più angolazioni. Tali sciami, utilizzando algoritmi di apprendimento automatico, potrebbe rivoluzionare la comprensione degli scienziati del tempo e dei cambiamenti climatici.

L'ingegnere Sabrina Thompson sta lavorando su un software per abilitare piccoli veicoli spaziali, o SmallSat, per comunicare tra loro, identificare obiettivi di osservazione di alto valore, e coordinare atteggiamento e tempismo per ottenere punti di vista diversi sullo stesso obiettivo.

"Sappiamo già che la polvere del Sahara che soffia sulle foreste pluviali amazzoniche influenza la formazione di nubi sull'Oceano Atlantico in determinati periodi dell'anno, " ha detto Thompson, che lavora al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Come si cattura quella formazione di nubi? Come si fa a dire a uno sciame di satelliti quale regione e ora del giorno è la migliore per osservare quel fenomeno?"

Secondo il piano di Thompson, gli scienziati stabilirebbero una serie di requisiti per le osservazioni e definirebbero obiettivi di alto valore. Quindi il software prenderebbe il sopravvento, consentendo a uno sciame di veicoli spaziali di capire come muoversi l'uno rispetto all'altro per osservare al meglio questi obiettivi. Le strategie possono anche cambiare in base all'ora del giorno, stagione, o la regione osservata. La navicella utilizzerebbe anche l'apprendimento automatico a bordo per migliorare le strategie di visualizzazione nel tempo.

"Ci sono diversi tipi di configurazione a sciame presi in considerazione, "Ha detto Thompson. "Uno potrebbe essere uno sciame in cui i satelliti saranno in orbite diverse, che consentirà loro di visualizzare una nuvola o un altro fenomeno da diverse angolazioni. Un altro sciame potrebbe vedere gli stessi fenomeni con una vista simile, ma in momenti diversi della giornata. Un terzo tipo di sciame potrebbe combinare entrambi, con alcuni satelliti nella stessa orbita, si susseguono con un certo sfasamento temporale, e altri satelliti che possono trovarsi in orbite con diverse altitudini e/o inclinazioni."

Mentre uno sciame starebbe all'interno della stessa orbita, i singoli veicoli spaziali potrebbero persino usare qualcosa chiamato controllo della resistenza differenziale, manipolando le forze causate dall'atmosfera terrestre che si trascina contro il veicolo orbitante, per controllare la separazione temporale tra ogni veicolo spaziale rispetto agli altri nello sciame, lei disse. "Il tempo necessario per eseguire una manovra di trascinamento differenziale dipende dalla massa e dall'area del veicolo spaziale, così come l'altitudine orbitale. Ad esempio, può richiedere fino a un anno o meno di un paio di giorni, anche ore».

"Con più veicoli spaziali in una formazione per vedere lo stesso bersaglio, "Thompson ha detto, "puoi vedere una nuvola, ad esempio, non solo dall'alto, ma anche dai lati." In una formazione diversa, puoi vedere quel cloud in diverse fasi del suo ciclo di vita da più SmallSat che passano in momenti diversi.

Lavorando con il professore dell'Università del Maryland-Baltimore County (UMBC) Jose Vanderlei Martins, Thompson ha contribuito a sviluppare il CubeSat Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP) lanciato dalla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) poco più di un anno fa. Una versione aggiornata della sua strumentazione, chiamato ARPA2, volerà sul plancton, Aerosol, Nube, La missione ocean Ecosystem (PACE) prevista per il lancio nel 2023.

Uno sciame di SmallSat come HARP, condividere le informazioni e coordinare la copertura, potrebbe anticipare le previsioni del tempo, segnalazione di disastri, e modelli climatici a lungo termine, Vanderlei Martins ha detto. Per arrivarci, gli scienziati hanno bisogno della combinazione di campi visivi ampi e ristretti e immagini ad alta risoluzione per comprendere meglio le dinamiche dello sviluppo del sistema meteorologico.

"Idealmente, Mi piace avere un satellite con un ampio campo visivo che osserva fenomeni più grandi, " ha detto. "Tuttavia, un piccolo satellite che copre una vasta area non può effettuare osservazioni ad alta risoluzione spaziale. Tuttavia, puoi usarlo come un satellite di tipo geometra per identificare l'area di interesse. Poi ne hai altri con un campo visivo più ristretto, ottenere una risoluzione maggiore, ottenendo molti più dettagli."

Consentire allo sciame di prendere decisioni e condividere informazioni è fondamentale. Vanderlei Martins ha detto:"Questo tipo di decisioni devono essere prese in pochi minuti. Non hai tempo per coinvolgere il controllo a terra."

Thompson ha osservato che ridurre la dipendenza dal controllo a terra e dalle reti di comunicazione libera anche risorse per le missioni SmallSat con budget limitati.

In qualità di ingegnere aerospaziale che lavora per conseguire una laurea in fisica dell'atmosfera presso l'Università del Maryland, Contea di Baltimora, Thompson è tornata a scuola per saperne di più sui requisiti delle scienze della Terra che guidano il suo lavoro come innovatrice. "Volevo anche davvero capire il cambiamento climatico".

Il modo in cui le particelle di aerosol e le nuvole interagiscono è fondamentale per comprendere il cambiamento climatico. I polarimetri possono fornire una grande quantità di dati sulle particelle sospese nell'atmosfera, dal fumo, cenere, e polvere in gocce d'acqua e ghiaccio, ogni specie di particella polarizza la luce riflessa da essa in modi rilevabili.

"A livello di base, la mia ricerca consiste nel valutare la geometria tra gli strumenti sul satellite e il sole, "Ha detto Thompson. "Questi strumenti sono passivi. Richiedono una certa geometria rispetto al bersaglio terrestre e al Sole per recuperare i dati scientifici che vogliamo".

I suoi algoritmi determineranno le combinazioni più adatte di orbita e campo visivo dello strumento per dare la più grande probabilità di osservare una nuvola con la geometria appropriata per recuperare i dati scientifici. Quindi pianificherebbe ed eseguirebbe schemi di manovra per ciascun veicolo spaziale per ottenere quelle geometrie relative agli altri satelliti nello sciame.

Questo lavoro per comprendere la struttura e lo sviluppo delle nuvole è legato all'Atmosphere Observing System, o AOS, (ex Aerosol e Nuvole, Studio di convezione e precipitazioni identificato come una priorità nell'Earth Decadal Survey 2017. Vanderlei Martins e Thompson credono che la loro tecnologia a sciame integri gli obiettivi scientifici di AOS e possa migliorare le prossime missioni scientifiche della NASA sulla Terra.