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

Diepe ruimtereis is al lang een spel van chemische raketten, enorme motoren die brandstof verbranden om een ruimtevaartuig vooruit te stuwen, om vervolgens de rest van de reis uit te zweven. Maar er is een ander soort voortstuwing opgekomen, een die helemaal geen brandstof nodig heeft. In plaats van drijfgas te verbranden, gebruiken deze ruimtevaartuigen de druk van het zonlicht zelf. Stel je een gigantische, glinsterende spiegel voor die in de ruimte zweeft; terwijl fotonen van de zon het oppervlak raken, dragen ze een piepkleine hoeveelheid momentum over, waardoor het vaartuig naar voren wordt geduwd. Dit is het zonnezeil. Hoewel het concept de afgelopen jaren is getest door missies van Japan, de Verenigde Staten en andere organisaties, blijft het om deze zachte, continue duw om te zetten in een nauwkeurig pad naar een andere planeet een enorme uitdaging. De bijbehorende wiskunde is ongelooflijk complex, vol met niet-lineaire kronkels die het voor traditionele computers moeilijk maken om de perfecte route te vinden. Als een ruimtevaartuig zelfs maar een kleine marge naast zijn doel zit, kan het voor altijd langs zijn doel uitdrijven.

Om dit op te lossen, hebben onderzoekers Renuganth Varatharajoo, Amirul Fiqri Abdullah en Yury Razoumny een nieuwe manier ontwikkeld om deze reizen te plannen. Ze combineerden twee krachtige instrumenten: een evolutionair algoritme, dat het proces van natuurlijke selectie nabootst om duizenden mogelijke oplossingen te testen, en een neuraal netwerk, een type computerprogramma geïnspireerd door het menselijk brein dat kan leren om beslissingen te nemen. In hun studie wilden ze zien of dit hybride systeem een zonnezeil van de Aarde naar Mars kon leiden. Ze bouwden geen fysiek schip; in plaats daarvan creëerden ze een gedetailleerde digitale simulatie van het zonnestelsel. In deze virtuele omgeving stelden ze de computer de taak om de beste stuurhoeken voor het zeil te vinden om Mars te bereiken, waarbij het met de juiste snelheid en positie bij de planeet aankomt. Het doel was om de tijd die nodig was om er te komen te minimaliseren, terwijl ze ervoor zorgden dat het ruimtevaartuig niet te ver voorbij of te ver achter het doel zou vliegen.

De onderzoekers testten hun methode onder drie verschillende omstandigheden, die zonnezeilen met variërende niveaus van prestaties vertegenwoordigden. Het eerste scenario gebruikte een zeer efficiënt zeil, één dat een sterke duw kon genereren. In dit geval slaagde de computer erin een koers uit te zetten die het ruimtevaartuig in minder dan 400 dagen bij Mars bracht. De tweede test gebruikte een zeil met de helft van de prestaties van de eerste. Dit was moeilijker en vereiste dat de computer harder werkte om een pad te vinden, en de reis duurde bijna 600 dagen. De laatste en meest uitdagende test betrof een zeil met een zeer lage prestatie, één die slechts een fractie van de stuwkracht van het eerste produceert. Hier strekte de reis zich uit tot bijna 2.400 dagen. Deze resultaten toonden aan dat het systeem een oplossing kon vinden, zelfs wanneer het ruimtevaartuig erg zwak was, maar dat het aanzienlijk meer tijd vereiste om de bestemming te bereiken.

Een cruciaal onderdeel van hun ontdekking betrof de manier waarop de computer leerde te navigeren. De onderzoekers ontdekten dat het aantal gegevenspunten dat de computer gebruikte om zijn voortgang te controleren, een groot belang toekende. Wanneer ze een klein aantal controlepunten gebruikten, kon de computer snel een pad vinden, maar was de aankomst minder precies. Wanneer ze het aantal controlepunten verhoogden, kon de computer fijnere aanpassingen maken, wat de nauwkeurigheid van de aankomstsnelheid verbeterde. Ze ontdekten echter een afruil. Het verhogen van het aantal controlepunten maakte de totale missie niet altijd beter. In sommige gevallen betekende het verbeteren van de snelheid bij aankomst dat het ruimtevaartuig met een iets slechtere afstand van de planeet aankwam, of dat de totale reistijd toenam. Het systeem leek één doel boven het andere te prioriteren, afhankelijk van hoe het was ingesteld. Dit suggereert dat er niet één "perfecte" instelling is voor elke missie; in plaats daarvan moeten missieplanners de behoefte aan precisie afwegen tegen de beschikbare rekenkracht en de specifieke vereisten van de reis.

De studie demonstreert dat deze evolutionaire neurale netwerkaanpak een levensvatbare manier is om het complexe puzzelstuk van de navigatie van zonnezeilen op te lossen. Door de computer een enorm bereik aan mogelijkheden te laten verkennen en te laten leren van zijn fouten, kan het routes vinden die traditionele methoden zouden missen. De onderzoekers toonden aan dat deze methode goed werkt voor een reis naar Mars, zelfs met een zeil met lage prestaties, en dat het kan worden aangepast aan verschillende missiebeperkingen. Hoewel de resultaten momenteel beperkt zijn tot computersimulaties, is het raamwerk zo ontworpen dat het flexibel is. Het zou potentieel aangepast kunnen worden voor missies naar andere planeten of asteroïden, waarmee het een nieuwe tool biedt voor toekomstige ontdekkingsreizigers die de zonnestelsel willen bereizen met de kracht van de zon. Het werk bevestigt dat met de juiste computationele tools, de zachte duw van zonlicht kan worden ingezet om een ruimtevaartuig door de enorme afstanden tussen werelden te leiden.