Gli ingegneri che progettano la missione di difesa planetaria Hera dell'ESA verso la coppia di asteroidi Didymos stanno sviluppando una tecnologia avanzata per consentire al veicolo spaziale di guidare da solo attraverso lo spazio, adottando un approccio simile alle auto a guida autonoma.

"Se pensi che le auto a guida autonoma siano il futuro sulla Terra, allora Hera è la pioniera dell'autonomia nello spazio profondo, " spiega Paolo Martino, capo ingegnere dei sistemi della missione Hera proposta dall'ESA. "Mentre la missione è progettata per essere azionata completamente manualmente da terra, la nuova tecnologia sarà testata una volta raggiunti gli obiettivi principali della missione e potranno essere assunti rischi maggiori".

Hera è attualmente oggetto di un lavoro di progettazione di dettaglio, prima di essere presentato ai ministri dello spazio europei al Consiglio ministeriale Space19+ di novembre. La navicella rileverà una minuscola luna di 160 m di diametro dell'asteroide Didymos di 780 m di diametro, all'indomani di un pionieristico esperimento di difesa planetaria.

"La navicella funzionerà come un veicolo autonomo, fondere i dati di diversi sensori per costruire un modello coerente dell'ambiente circostante, " dice la guida ESA, ingegnere di navigazione e controllo (GNC) Jesus Gil Fernandez.

"La fonte di dati più cruciale di Hera sarà la sua Asteroid Framing Camera, combinato con input da uno star-tracker, altimetro laser, termocamera a infrarossi più sensori inerziali inclusi accelerometri."

L'autonomia risultante dovrebbe consentire a Hera di navigare in sicurezza il più vicino a 200 metri dalla superficie dell'asteroide più piccolo 'Didymoon', consentendo l'acquisizione di osservazioni scientifiche ad alta risoluzione fino a 2 cm per pixel, focalizzate in particolare sul cratere da impatto lasciato dalla navicella spaziale statunitense DART che si è schiantata su Didymoon per deviare la sua orbita.

L'ingegnere GNC Massimo Casasco aggiunge:"Tutte le altre missioni nello spazio profondo, a confronto, hanno avuto un pilota preciso sulla Terra, con i comandi di navigazione pianificati al controllo della missione nel Centro operativo spaziale europeo dell'ESA, prima di essere collegato alla navicella spaziale ore dopo. Durante la fase sperimentale di Hera, decisioni equivalenti saranno eseguite a bordo su base autonoma in tempo reale".

Per la massima affidabilità di navigazione, Il computer di bordo principale di Hera sarà integrato da un'unità di elaborazione delle immagini dedicata – allo stesso modo in cui i PC desktop hanno spesso schede grafiche separate – prendendo in prestito tecniche di visione artificiale dalle telecamere industriali impiegate nelle linee di produzione.

Navigazione basata su immagini

Previsto per il lancio nell'ottobre 2023 e per il raggiungimento degli asteroidi vicini alla Terra Didymos tre anni dopo, La missione Hera proposta dall'ESA navigherà da sola in tre diverse modalità. All'avvicinamento iniziale, l'asteroide principale apparirà come una stella più brillante tra le tante.

"Da lontano, sarà solo un puntino, " spiega Gesù. "Dovremmo scattare diverse foto per osservarne il movimento sullo sfondo del campo stellato".

Questa tecnica di imaging è simile a quelle sviluppate per rilevare piccoli oggetti di detriti spaziali e alla fine consentire alle future missioni robotiche di rimozione dei detriti di incontrarsi con loro.

La prossima modalità sarà quella dominante per il grosso della missione di Hera tra 30 km e 8 km di distanza, con il più grande asteroide 'Didymain' inquadrato nella sua cinepresa come punto di riferimento generale.

"Questa modalità dipende dall'avere il grande asteroide più piccolo del campo visivo complessivo della nostra telecamera, e rilevando il contrasto dei suoi bordi che lasciano il posto allo spazio al di là, " dice Massimo. "Sfruttiamo la sua forma approssimativamente sferica per inserirlo all'interno di un cerchio e stimare la distanza in linea di vista tra il veicolo spaziale e il 'centroide' dell'asteroide".

Didymain è stato scelto come punto di riferimento per la navigazione in quanto è il corpo in cui si concentra la maggior parte della gravità del sistema, e si sa molto di più su di esso rispetto al più piccolo Didymoon.

Questo metodo diventerà impraticabile, tuttavia, una volta che Hera si avvicinerà a meno di 8 km da Didymain, e l'asteroide riempie il suo campo visivo. Poi arriva la modalità di navigazione più ambiziosa di tutte, basato sul tracciamento autonomo delle caratteristiche senza alcun riferimento assoluto.

Jesus spiega:"Si tratterà di immaginare le stesse caratteristiche - come massi e crateri - in immagini diverse per avere un'idea di come ci muoviamo rispetto alla superficie, combinato a sua volta con altre informazioni, inclusi gli accelerometri di bordo per la navigazione stimata e la termocamera a infrarossi per sorvolare il lato notturno dell'asteroide".

Il tracciamento delle caratteristiche verrà utilizzato anche per misurare la massa di Didymoon, misurando l''oscillazione' che provoca il suo genitore, rispetto al centro di gravità comune dell'intero sistema binario Didymos. Ciò sarà ottenuto identificando piccole variazioni su scala metrica nella rotazione di punti di riferimento fissi attorno a questo centro di gravità nel tempo.

In pratica, ci saranno senza dubbio sorprese, osserva Massimo:"Una superficie più piatta sarebbe peggio di qualcosa con molti massi ad alto contrasto, facilitando l'identificazione univoca delle caratteristiche. Inoltre, un corpo meno sferico con molte forme e ombre irregolari sarebbe più una sfida per il tipo di rilevamento dei bordi che stiamo impiegando".

Team di sviluppo a livello europeo

GMV in Spagna sta guidando lo sviluppo di questo sistema di navigazione basato sulla visione, supportato da OHB in Svezia con altri partner tra cui GMV in Polonia e Romania. Una replica dell'Asteroid Framing Camera su cui Hera farà affidamento è attualmente utilizzata per i test pratici del software insieme a un modello ad alta risoluzione di Didymos.

Questa tecnologia avrà usi più ampi in molte altre missioni, compreso il previsto Space Service Vehicle dell'ESA per la ristrutturazione dei satelliti e la rimozione dei detriti spaziali, così come l'ambiziosa missione Mars Sample Return, la cui tappa di ritorno prevede un rendez-vous autonomo nell'orbita di Marte. In definitiva, una volta provato, questa tecnologia sarebbe un elemento costitutivo abilitante per sonde planetarie a basso costo nello spazio profondo.