Solar Sail Interplanetary Transfer: Part II- Hybrid Layered Evolving Neural Network Based Global Optimization

Il viaggio nello spazio profondo è stato a lungo immaginato come un percorso alimentato da enormi serbatoi di carburante chimico, un metodo che limita quanto carico una navicella spaziale possa trasportare e quanto lontano possa spingersi. Un'alternativa più elegante è la vela solare, un sistema di propulsione che non richiede alcun tipo di carburante. Invece di bruciare propellente, una vela solare cattura la delicata pressione della luce solare, proprio come una barca a vela cattura la brezza. Questa spinta continua e rinnovabile permette a una navicella spaziale di accelerare nel tempo, raggiungendo potenzialmente velocità elevate e trasportando carichi utili più grandi rispetto ai razzi tradizionali. Tuttavia, tracciare una rotta per una vela solare è una sfida formidabile. Poiché la vela deve costantemente regolare il proprio angolo per sfruttare la luce del Sole, trovare il percorso perfetto verso un altro pianeta comporta la risoluzione di un complesso puzzle matematico con innumerevoli variabili. I metodi tradizionali spesso si bloccano in soluzioni locali, perdendo la rotta davvero migliore perché si affidano a un tentativo iniziale che sia già molto vicino alla risposta.

Un team di ricercatori provenienti da Malaysia, Giappone e Russia ha sviluppato un nuovo modo per risolvere questo puzzle, uno che combina il potere di apprendimento dell'intelligenza artificiale con la forza del metodo del tentativi ed errori degli algoritmi evolutivi. In uno studio focalizzato sull'invio di una vela solare dalla Terra a Marte, hanno creato un sistema ibrido in cui un programma per computer funge da agente di apprendimento. Questo agente utilizza una rete neurale, un tipo di modello informatico ispirato al cervello umano, per decidere come guidare la vela in ogni momento del viaggio. A differenza dei metodi più vecchi che necessitano di un tentativo iniziale perfetto, questo sistema impara attraverso l'evoluzione. Genera migliaia di potenziali percorsi di volo, testandoli in una simulazione per vedere quali si avvicinino di più all'obiettivo nel minor tempo possibile. I percorsi più riusciti vengono poi ulteriormente perfezionati utilizzando uno strumento di ricerca locale per rifinire i dettagli. I ricercatori hanno scoperto che questo approccio è in grado di scoprire un percorso di volo significativamente più veloce di quelli trovati negli studi precedenti, riducendo il tempo di viaggio verso Marte di quasi il diciannove per cento rispetto alle stime più elevate presenti nella letteratura esistente.

La simulazione ha dimostrato un viaggio in cui una vela solare, capace di generare un livello specifico di accelerazione, partiva dalla Terra e arrivava a Marte in poco meno di 365 giorni. Questo è stato un netto miglioramento rispetto ai 400 o 450 giorni tipicamente previsti per una missione simile utilizzando i metodi consolidati. Il sistema non ha solo trovato una rotta più veloce; ha anche determinato la data di lancio ottimale, individuando una finestra a metà luglio 2020 come il momento ideale per la partenza. Durante il volo, l'intelligenza artificiale ha regolato continuamente l'orientamento della vela, inclinandola per catturare la luce solare agli angoli più efficienti. La traiettoria risultante era fluida e continua, guidando la navicella spaziale ad arrivare vicino a Marte con una velocità relativa sufficientemente bassa da essere catturata dalla gravità del pianeta. La distanza finale tra la navicella spaziale e Marte era entro la sfera d'influenza del pianeta, e la velocità relativa rimaneva ben entro i limiti di sicurezza per un incontro ravvicinato.

Oltre al percorso di volo stesso, lo studio ha offerto un aspetto pratico su quale tipo di veicolo spaziale potrebbe effettivamente compiere questa impresa. I ricercatori hanno analizzato la relazione tra la dimensione della vela, la massa del carico utile che può trasportare e le prestazioni della missione. Hanno determinato che per una vela con un lato di circa 100 metri, considerata una dimensione realistica per la tecnologia del prossimo futuro, un carico utile di circa 10 chilogrammi può essere consegnato con successo a Marte. Ciò suggerisce che, sebbene la missione sia impegnativa, rientra nell'ambito di possibilità per piccole sonde specializzate. Lo studio conferma che, utilizzando questo approccio di rete neurale ibrida, gli ingegneri possono navigare la complessa dinamica non lineare della navigazione a vela solare per trovare soluzioni precedentemente fuori portata, aprendo la porta a missioni interplanetarie più efficienti e capaci.