Il ritorno dell’uomo sulla Luna è l’obiettivo al quale lavorano la NASA e molte società. La riuscita della missione richiede lo sviluppo di soluzioni tecnologiche avanzate e l’impiego di sistemi di intelligenza artificiale.

È giunto il tempo di una nuova missione sulla Luna. Dopo la prima, storica, impresa datata 1969 che portò l’uomo a passeggiare sul suolo lunare, è previsto che un altro equipaggio umano torni a calcare il suolo lunare nel 2026, come annunciato a gennaio 2024 dalla NASA.

Intanto, la società statunitense di esplorazione spaziale Intuitive Machines ha ufficializzato il decollo della missione IM-1: il 14 febbraio 2024 dal Kennedy Space Center della NASA, in Florida. Se tutto andrà bene, sarà il primo atterraggio per gli Stati Uniti dall’ultima missione Apollo del 1972 e il primo veicolo spaziale commerciale ad atterrare sulla superficie lunare.

L’obiettivo, però, che si pone l’Agenzia governativa USA per le attività aeronautiche e aerospaziali è di riportarvi l’uomo. Anzi, come specifica la stessa, a proposito della missione lunare Artemis, intende farvi sbarcare anche la prima donna.

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Takeaway

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Perché si vuole tornare sulla Luna

Che cosa motiva una nuova missione sulla Luna? Si torna «per fare scoperte scientifiche, per i vantaggi economici offerti e come motivo d’ispirazione per una nuova generazione di esploratori» rileva sempre la NASA. Tutto ciò che si imparerà sulla Luna servirà «per fare il prossimo passo da gigante: inviare i primi astronauti su Marte», fornendo l’esperienza e la tecnologia necessarie per condurre le prime missioni umane sul quarto pianeta del Sistema Solare.

Gli impatti economici e occupazionali generati grazie alla lunar economy sono vari e sensibili: secondo l’Agenzia spaziale europea, nei prossimi anni saranno avviate centinaia di missioni sulla Luna. L’ESA, inoltre, riporta alcune stime sulle opportunità create: le «entrate lunari totali» potrebbero superare i 40 miliardi di euro già nel prossimo decennio, ma si prevede che si raggiungerà una cifra complessiva di 170 miliardi di dollari al 2040.

Già solo i benefici potenziali che produrrà Artemis in termini di programmi Moon to Mars negli Stati Uniti saranno significativi: più di 69mila posti di lavoro, più di 14 miliardi di dollari di produzione economica totale e circa 1,5 miliardi di dollari in entrate fiscali federali, statali e locali a livello nazionale [fonte: NASA]

Per consentire di raggiungere l’obiettivo, è fondamentale il contributo della tecnologia più avanzata e l’impiego di tecniche di intelligenza artificiale per svariati aspetti e fasi.

Lunar economy e ruolo della robotica

Programmare una missione umana sulla Luna rientra tra le attività legate alla lunar economy, che comprende diverse iniziative capaci di generare un effetto economico significativo e opportunità di mercato sempre crescenti.

La società di consulenza Pwc ha pubblicato uno studio dedicato alla valutazione del “mercato lunare”, in cui ha individuato tre aree chiave per misurare l’impatto in termini produttivi dell’economia lunare e del mercato generato: trasporto di esseri umani e di risorse tra la Luna e la Terra; sfruttamento terrestre dei dati lunari; utilizzo delle risorse in termini di estrazione mineraria, produzione, esportazioni e progetti infrastrutturali (edilizia lunare, produzione energetica ecc.).

Nello stesso documento sono stati evidenziati i settori industriali in grado di svolgere un ruolo determinante: tra questi l’industria robotica. Essa parteciperà allo sviluppo di tecnologie automatizzate e di robot pensati per le missioni spaziali.

Ci sarà spazio, a questo proposito, per grandi imprese, ma anche per startup della robotica. Alcune di esse hanno già svolto attività sin dal 2018, con il lancio del progetto giapponese Avatar X e stanno sviluppando robot umanoidi progettati per assistere gli astronauti nella loro missione sulla Luna.

Proprio di recente, l’Agenzia statunitense per i progetti di ricerca avanzata della difesa (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) ha selezionato una startup di robotica spaziale giapponese ideatrice di robot modulari in grado di eseguire compiti complessi in microgravità e nell’ambiente della superficie lunare.

Sempre a proposito di robot, va segnalato il progetto europeo CoRob-X (Cooperative Robots for Extreme Environments), che intende sviluppare tecnologie abilitanti per team robotici multi-agente. Simulando scenari di test impegnativi, il progetto ha migliorato la fattibilità di nuove missioni robotiche, nonché la loro applicabilità sulla Terra.

Si impernia sullo sviluppo di un rover autonomo leggero per esplorare le regioni polari della Luna un altro progetto europeo, LUVMI-X, che ha già sviluppato con successo un prototipo. Il veicolo è in grado di identificare l’acqua sulla superficie lunare, costituendo uno strumento utile a svolgere una missione sulla Luna con equipaggio umano.

L’impiego dell’AI nella nuova missione sulla Luna

L’interesse che la missione sulla Luna sta generando ha portato la stessa Agenzia spaziale europea a indire una ricerca tramite manifestazione di interesse – terminata proprio questa settimana – riguardante le diverse applicazioni di economia lunare. ESA sta elaborando il modo migliore per facilitare l’esplorazione, incoraggiando le compagnie spaziali europee a sviluppare servizi di comunicazioni e navigazione dedicati.

Le opportunità di business sono significative: secondo la stessa European Space Agency, si prevedono più di 400 missioni sulla Luna avviate tra il 2022 e il 2032, comprese missioni scientifiche, robotiche e con equipaggio umano. Si svilupperanno molteplici attività: edilizia, produzione di energia, infrastrutture, sanità, ricerca di acqua.

Sono tante le soluzioni da pensare per creare condizioni di vita durature sul suolo lunare.  Ed è qui che diventa determinante l’impiego dell’intelligenza artificiale. Un ambito di adozione riguarda il primo rover lunare robotico Viper della NASA: esso verrà fatto atterrare sulla superficie lunare per comprendere meglio l’ambiente in cui dovranno poi muoversi gli astronauti. È parte della già citata missione Artemis.

Il team di scienziati che lavora al mezzo ha sviluppato e utilizzato algoritmi AI per aiutare a valutare il rischio e ottimizzare il processo decisionale. Come spiega l’Agenzia spaziale statunitense, durante le operazioni della missione Viper, che durerà circa 100 giorni dopo l’atterraggio in un’area vicina al Polo Sud lunare, l’équipe prevede di utilizzare tecniche AI per aiutare a mappare vari percorsi tra cui i membri del team operativo possono scegliere, mediante il sistema Sherpa – System health enabled real-time planning advisor.

Esso è in grado di elaborare svariati fattori e complessità e di presentare ai ricercatori diverse opzioni durante la pianificazione della traversata del rover prima delle operazioni di missione.

Grazie all’applicazione dell’AI, sarà possibile fornire un modello che potrà essere considerato e analizzato dallo staff dedicato. Qualsiasi modifica apportata viene, quindi, sottoposta a Sherpa per determinare se è fattibile o se sussistono problemi. 

Focus su tecniche di machine learning e deep learning

Per pianificare gli spostamenti e il percorso del rover lunare, un team di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università di Houston ha adottato un approccio di deep learning.

Il metodo proposto consente di considerare in maniera simultanea uno spettro più ampio di vincoli rispetto ai metodi convenzionalmente adottati, permettendo una maggiore accuratezza di spostamenti [fonte: A Deep Learning Approach to Lunar Rover Global Path Planning Using Environmental Constraints and the Rover Internal Resource Status – National Library of Medicine].

Oltre alla programmazione degli spostamenti, la ricerca di risorse utili è un’altra attività di grande interesse da avviare in una missione sulla Luna, in quanto permette la costruzione di basi permanenti e la possibilità di attuare un insediamento umano.

Reperire risorse non è facile per svariati fattori, ma determinante. Si pensi alla possibilità di rilevare la presenza di metalli. Per analizzare i numerosi fattori che possono aiutare a individuarli, un team interdisciplinare di scienziati ha utilizzato il machine learning non supervisionato, in modo da cogliere segnali utili a questo proposito. Il loro studio è stato pubblicato in occasione del Workshop on Machine Learning and the Physical Sciences (NeurIPS).

Grazie all’impiego di uno autoencoder variazionale, sono riusciti a mettere a punto un metodo per isolare e mappare aree che potenzialmente hanno un’elevata conduttività termica relativa ai metalli, fornendo un contributo di significativo valore per l’esplorazione lunare guidata dai dati.

Sempre a proposito di approcci data-driven, va segnalato il progetto europeo Explore il cui obiettivo è utilizzare tecniche di machine learning e strumenti di visual analytics per sviluppare sei applicazioni di dati scientifici, due delle quali sono dedicate alle osservazioni, alle orbite e ai siti di atterraggio lunari.

L’utilizzo di tecniche AI si è rivelato utile anche per studiare la chimica della superficie lunare. Si tratta di un aspetto essenziale per rivelare le caratteristiche geologiche e comprendere l’evoluzione della Luna. In uno studio, pubblicato su Nature – “Comprehensive mapping of lunar surface chemistry by adding Chang’e-5 samples with deep learning” – è stato descritto il procedimento di mappatura delle abbondanze chimiche della superficie lunare per cui è stato progettato un metodo basato su deep learning, con una rete neurale convoluzionaleche ha fornito risultati con margini elevati di precisione. L’importanza è motivata dal fatto che la superficie della Luna permette di osservarne la composizione della crosta e di comprendere la storia stessa dell’unico satellite naturale della Terra.

Glimpses of Futures

Quale impatto avrà l’esplorazione della Luna? Se si considera l’obiettivo di arrivare su Marte, la Luna è una tappa di fondamentale importanza per riuscire ad adottare approcci, soluzioni e soprattutto a verificare la fattibilità di una permanenza umana su un pianeta (nel caso della Luna, un satellite) diverso dalla Terra.

Le complessità costituite dalla missione sulla Luna sono numerose. Si tratta di un ambiente estremo, a più di 380mila chilometri dal nostro pianeta, in assenza di atmosfera, con temperature tra i + 121 °C e i – 133 °C nazionale [fonte: NASA].

In ogni caso, tutte queste difficoltà potranno permettere di mettere a punto e sperimentare tecnologie utili anche sulla Terra. Come ricorda la stessa Agenzia aerospaziale statunitense, già l’attuazione della Stazione spaziale internazionale ha costituito un importante banco di prova e una piattaforma dimostrativa per Artemis. Nel corso della sua ventennale attività, ISS ha prodotto una serie di scoperte significative, con applicazioni in medicina, fisica, chimica, scienza dei materiali, tra le più importanti. 

Cercando di anticipare scenari futuri, con l’aiuto della matrice STEPS proviamo ora a immaginare gli impatti della futura missione lunare, in modo da focalizzarci su alcuni degli aspetti più significativi.

S – SOCIAL: quanto svolto in oltre cinquant’anni di attività umana nello spazio ha prodotto benefici sociali capaci di migliorare la qualità della vita sulla Terra, evidenzia la NASA. Per esempio, i primi satelliti, progettati per studiare l’ambiente spaziale e testare le capacità iniziali nell’orbita terrestre, hanno contribuito allo sviluppo delle telecomunicazioni satellitari e all’evoluzione delle previsioni meteorologiche.

T – TECHNOLOGICAL: l’ambito della ricerca e sviluppo finalizzato alle missioni lunari può generare nuove soluzioni tecnologiche in svariati campi. Pensiamo al cibo: quello per gli esploratori lunari potrebbe essere sviluppato utilizzando la biologia sintetica, data l’assenza di ingredienti organici tradizionali e metodi agricoli nello spazio. La produzione additiva nello spazio, compresi i pannelli solari stampati in 3D sulla superficie lunare, potrebbe generare progressi produttivi in grado di accelerare la creazione di infrastrutture spaziali e di trovare un impiego prezioso sulla Terra.

E – ECONOMIC: la buona riuscita dell’esplorazione lunare permetterebbe di dare ulteriore slancio all’indotto prodotto dalla space economy, che ha raggiunto a livello mondiale i 469 miliardi di dollari nel 2021 [fonte: Space Foundation].

P – POLITICAL: le missioni sulla Luna se, da una parte, possono generare attività internazionali di collaborazione (come quello che c’è tra Europa e USA con le due rispettive agenzie spaziali), dall’altro possono influenzare l’equilibrio geopolitico anche se, a distanza di 57 anni, resiste ancora l’Outer Space Treaty, il trattato internazionale sull’esplorazione e l’uso dello spazio extraatmosferico, compresa la luna e gli altri corpi celesti. In esso si dispone che tali attività devono essere effettuate «a beneficio e nell’interesse di tutti i Paesi, indipendentemente dal loro grado di sviluppo economico o scientifico, e saranno competenza di tutta l’umanità».

S – SUSTAINABILITY: le missioni sulla Luna possono aiutare a aumentare la consapevolezza pubblica sull’importanza della ricerca scientifica e dell’esplorazione spaziale. Offrono l’opportunità di studiare l’ambiente lunare e di condurre esperimenti scientifici che possono portare a una migliore comprensione del nostro pianeta oltre che dell’universo.