Solar Sail Interplanetary Transfer: Part I - Earth-Mars Rendezvous Using Evolutionary Neural Network

L'esplorazione dello spazio profondo è stata a lungo un gioco di razzi chimici, enormi motori che bruciano carburante per spingere le navi spaziali in avanti, solo per poi procedere per inerzia per il resto del viaggio. Ma è emersa una diversa tipologia di propulsione, che non richiede alcun combustibile. Invece di bruciare propellente, queste navi spaziali utilizzano la pressione della luce solare stessa. Immaginate un gigantesco specchio scintillante che fluttua nello spazio; mentre i fotoni del sole colpiscono la sua superficie, trasferiscono una minuscola quantità di quantità di moto, spingendo l'astronave in avanti. Questa è la vela solare. Sebbene il concetto sia stato testato negli ultimi anni da missioni del Giappone, degli Stati Uniti e di altre organizzazioni, trasformare questa spinta dolce e continua in un percorso preciso verso un altro pianeta rimane una sfida formidabile. La matematica coinvolta è incredibilmente complessa, piena di complicazioni non lineari che rendono difficile trovare la rotta perfetta per i computer tradizionali. Se un'astronave manca il bersaglio anche di un margine minimo, potrebbe scivolare oltre il suo obiettivo per sempre.

Per risolvere questo problema, i ricercatori Renuganth Varatharaj-ajo, Amirul Fiqri Abdullah e Yury Razoumny hanno sviluppato un nuovo modo per pianificare questi viaggi. Hanno combinato due strumenti potenti: un algoritmo evolutivo, che imita il processo di selezione naturale per testare migliaia di possibili soluzioni, e una rete neurale, un tipo di programma informatico ispirato al cervello umano capace di imparare a prendere decisioni. Nel loro studio, si sono posti l'obiettivo di vedere se questo sistema ibrido potesse guidare una vela solare dalla Terra a Marte. Non hanno costruito una nave fisica; al contrario, hanno creato una dettagliata simulazione digitale del sistema solare. In questo ambiente virtuale, hanno incaricato il computer di trovare le migliori angolazioni di sterzata per la vela per raggiungere Marte, arrivando con la velocità e la posizione corrette per incontrare il pianeta. L'obiettivo era minimizzare il tempo necessario per arrivarci, assicurandosi al contempo che l'astronave non volasse troppo oltre o troppo indietro rispetto al suo bersaglio.

I ricercatori hanno testato il loro metodo in tre diverse condizioni, che rappresentano vele solari con diversi livelli di prestazioni. Il primo scenario utilizzava una vela altamente efficiente, capace di generare una spinta forte. In questo caso, il computer è riuscito a tracciare una rotta che ha portato l'astronave su Marte in poco meno di 400 giorni. Il secondo test utilizzava una vela con metà delle prestazioni della prima. Questo è stato più difficile, richiedendo al computer di lavorare di più per trovare un percorso, e il viaggio è durato quasi 600 giorni. Il test finale e più impegnativo coinvolgeva una vela dalle prestazioni molto basse, che produce solo una frazione infinitesimale della spinta della prima. In questo caso, il viaggio si è esteso a quasi 2.400 giorni. Questi risultati hanno dimostrato che il sistema poteva trovare una soluzione anche quando l'astronave era molto debole, ma richiedeva significativamente più tempo per raggiungere la destinazione.

Una parte fondamentale della loro scoperta riguardava il modo in cui il computer imparava a navigare. I ricercatori hanno scoperto che il numero di punti dati che il computer utilizzava per controllare i propri progressi contava molto. Quando utilizzavano un numero esiguo di checkpoint, il computer riusciva a trovare un percorso rapidamente, ma l'arrivo era meno preciso. Quando aumentavano il numero di checkpoint, il computer poteva effettuare aggiustamenti più fini, migliorando l'accuratezza della velocità di arrivo. Tuttavia, hanno scoperto un compromesso. Aumentare il numero di checkpoint non rendeva sempre la missione complessiva migliore. In alcuni casi, migliorare la velocità di arrivo significava che l'astronave arrivava a una distanza leggermente peggiore dal pianeta, o che il tempo totale di viaggio aumentava. Il sistema sembrava dare priorità a un obiettivo rispetto a un altro a seconda di come veniva impostato. Ciò suggerisce che non esiste un'unica impostazione "perfetta" per ogni missione; invece, i pianificatori di missioni devono bilanciare la necessità di precisione rispetto alla potenza di calcolo disponibile e ai requisiti specifici del viaggio.

Lo studio dimostra che questo approccio di rete neurale evolutiva è un modo valido per risolvere l'enigma complesso della navigazione a vela solare. Permettendo al computer di esplorare una vasta gamma di possibilità e di imparare dai propri errori, esso può trovare rotte che i metodi tradizionali potrebbero mancare. I ricercatori hanno dimostrato che questo metodo funziona bene per un viaggio verso Marte, anche con una vela a basse prestazioni, e che può adattarsi a diversi vincoli di missione. Sebbene i risultati siano attualmente limitati alle simulazioni al computer, il framework è progettato per essere flessibile. Potrebbe potenzialmente essere adattato per missioni verso altri pianeti o asteroidi, offrendo un nuovo strumento per i futuri esploratori che desiderano viaggiare nel sistema solare utilizzando la potenza del sole. Il lavoro conferma che, con gli strumenti computazionali giusti, la dolce spinta della luce solare può essere sfruttata per guidare un'astronave attraverso le vaste distanze tra i mondi.