Znanje strokovnjakov na Institutu Jožef Štefan podaljšuje delovanje satelita v orbiti Marsa

Satelit Evropske vesoljske agencije (Esa) Mars Express je skupaj z landerjem Beagle 2 v smeri rdečega planeta poletel že leta 2003. Lander je svojo kariero nesrečno sklenil še istega leta, njegov večji brat pa še danes uspešno krmari okoli našega soseda.

A po 14 letih se satelit izrabi, še najbolj na udaru je njegova baterija, ki se polni prek solarnih panelov. Inženirji pri Esi morajo pametno uporabljati energijo, da ohranjajo znanstvene instrumente pri ustrezni temperaturi v neprijazni okolici, kjer so temperaturni razponi ogromni, in da tako z dosežki, posnetki in meritvami upravičijo svoje znanstveno delovanje.

Baterija je iz leta v leto slabša, proizvodnja energije pa vse manjša, in na tej točki so v zgodbo uspešne vesoljske misije vskočili strokovnjaki z Instituta Jožefa Stefana (IJS). Lani je namreč ekipa MMMe8 z Oddelka za tehnologijo znanja zmagala v Esinem izzivu, v katerem so sodelovale ekipe iz celega sveta. Ekipe so morale iz podatkov za tri marsovska leta (eno marskovsko leto šteje 687 naših dni) razviti model napovedovanja porabe električne energije za naslednje marsovsko leto.

Model je uspešen in ga Esina inženirka Luke Lucas, ki upravlja s plovilom, že, kot so predstavili na predavanju na institutu, s pridom uporablja, a model bi lahko še dodelali, je poudaril Sašo Džeroski, redni profesor in znanstveni svetnik na IJS, in dodal, da si zato želijo nadaljnjega sodelovanja z Eso, katere pridružena članica je tudi Slovenija.

''Zanimanje za sodelovanje je veliko, saj so rezultati naše skupine za njih relevantni. Slišali smo lahko, da s tem modelom prihranijo 20 W, kar je dovolj za operacijo določenega instrumenta na satelitu, ki se mu izteka življenjska doba. To torej pomeni, da lahko naredijo nekaj več znanosti,'' je bil jasen Džeroski in dodal, da so trenutno v teku pogovori o morebitnem financiranju. Tudi sicer je po njegovih besedah znotraj Ese veliko interesa za nove tehnologije strojnega učenja (ang. machine learning) in umetne inteligence, na tem področju pa imamo pri nas veliko znanja in tako si lahko na IJS zagotovo obetajo razširitev sodelovanja z Eso v prihodnjem oziroma prihodnjih letih.

Kakšen model je ekipa razvila in zakaj je tako pomemben za satelit?

''Morda bi si kdo mislil, da v vesolju ni pomembno, da je satelit ogrevan, a dejstvo je, da tam zunaj temperature dosežejo tudi absolutno ničlo, določeni instrumenti, da delujejo, pa morajo biti ogrevani na zemeljsko sobno temperaturo. Tako se je Esa zavedala potrebe po napovedovanju porabe električne energije,'' je pojasnil Džeroski.

Esa je tako pripravila ''open source'' tekmovanje, kjer so bili sodelujočim na voljo podatki o operacijah satelita v zadnjih treh letih, cilj pa je bil čim bolj natančno napovedati porabo za četrto marsovsko leto.

''Kot ste videli, je inženirka imela na roke narejeno napoved in obstajala je drastična razlika v točnosti napovedi. To pomeni, da prej (pred IJS modelom op.a.) s to energijo niso razpolagali, ker so se držali varne poti - s preveliko porabo energije bi lahko ogrozili varnost satelita - zdaj pa lahko s temi zelo natančnimi napovedmi lažje razporejajo energijski proračun za posamezne operacije. Posledično to pomeni, da lahko delajo tudi posnetke, ki jih prej niso. Naši modeli jim torej povedo točno oziroma zelo točno, koliko energije bodo potrebovali, preostanek pa lahko uporabijo za instrumente, kamere, spektometre in podobno,'' je razložil.

Model je že v uporabi, lahko bi ga še dodelali

Inženirka zmagovalni model že uporablja in napovedi s pridom upošteva pri načrtovanju porabe, ''ni pa model še v tako lepi obliki, kot bi lahko bil,'' je pojasnil Džeroski in nadaljeval, da ''ravno na tej točki tečejo pogovori, kako bi zagotovili podporo za to delo, da se za uporabnika izdela čim bolj prijazno orodje''. 

''Vsa znanost, ki je potrebna, je že tu, vendar sta na eni strani znanost in znanje, na drugi pa uporabno orodje.''

''Pri Esi zdaj z našimi rezultati nekaj delajo 'peš', želimo pa jim olajšati uporabo napovedi. Pogovarjamo se o razvoju orodij za podporo odločanj, da bi torej že sami vzeli napovedi in na osnovi tega svetovali, da bi bilo morda dobro slikati, vklopiti spektometer,'' je razpredal profesor, ki se zaveda, da stroji (za zdaj) še niso na ravni človeka. ''To so bolj kompleksna vprašanja, saj ne gre več za podatke o operacijah samega satelita, ampak tudi o ciljih, ki jih ima človeški operater, kaj želi doseči,'' je poudaril.

Za koliko so podaljšali delovanje satelita, ni mogoče natančno povedati

Na vprašanje, za koliko je model podaljšal življenjsko dobo baterije in satelita, je težko odgovoriti, saj na to vpliva več faktorjev, je pojasnila inženirka Lucasova, ki je pri misiji Mars Express zadolžena za načrtovanje odprave in upravljanje polovila.

''Če vem, koliko energije imam, potem jo lahko bolj pravilno uporabljam in lahko naredim več znanosti. In to je bistvo. Financirani smo zaradi znanosti. V naslednjih petih letih je pred nami nekaj daljših mrkov in ti so najbolj kruti do baterij. Zdaj imam možnost izbire, kako uporabim energijo, ki je na voljo, in kako naj izberem, da bodo le-te najmanj trpele. Brez modelov bi zagotovo naredili manj znanosti,'' je dejala in naredila preprosto primerjavo.

''Če baterijo mobilnega telefona vseskozi prazniš do ničle, česar baterije ne marajo, tako ne bodo imele dolgega roka trajanja. Z znanjem, ki ga dobim iz modela, vem, koliko in kako porabiti energijo, da zdržala dlje, da bom dobila več znanosti in daljšo življenjsko dobo baterije.''

V nekem trenutku bo slovo od satelita zagotovo prišlo. Lucasova je pojasnila, da so zdaj v zadnji fazi delovanja, ko se že pojavljajo okvare. Zagotovo satelit ne bo pristal kot smet na površju rdečega planeta, je zatrdila. ''Veliko je sporazumov o zaščiti planeta, tako da strmoglavljenje na Mars ne pride v poštev. Glede na sovpadanje orbit, bomo najverjetneje strmoglavili na planetovo luno Fobos,'' je dejala in dodala, da je tudi to še stvar različnih faktorjev.

Podobne modele lahko uporabijo tudi v farmaciji in medicini

Skupina pod vodstvom Džeroskega se sicer na institutu ukvarja z razvojem metod za analizo kompleksnih podatkov. Pri konkretnem primeru satelita tako niso napovedovali le uporabe energije za celotni satelit, ampak za vsakega od 33 odjemnih mest.

S to metodologijo se lahko lotijo najrazličnejših drugih problemov. Denimo za napovedovanje učinkovitosti določenih zdravil, je dejal Džeroski. Na tem področju so sodelovali z nizozemsko univerzo in pri zdravilih je ključnega pomena, ne le učinkovitost, ampak tudi morebitna toksičnost. Opisal je primer okužbe celic z bakterijo tuberkuloze, ko se lahko zdravilo sicer uspešno spopade z bakterijami, a pri tem poškoduje tudi zdrave celice.

Tudi tu gre za kompleksen problem, saj je govora o številnih spojinah, o vrsti podatkov najrazličnejših testiranj te spojine in podobno, je pojasnil in dodal, da lahko z javno dostopnih podatkov izdelajo računalniške modele, ki napovejo učinkovitost zdravila, s tem pa zoožijo nabor zdravil, ki jih nato preizkusijo v laboratorijih. ''S temi pristopi, ki že vnaprej identificirajo bolj učinkovite kandidate, se drastično poveča uspeh,'' je povedal in dodal, da se s tem seveda znižajo tudi stroški. Na tem področju prav tako pripravljajo nov projekt s tržaškim institutom za genski inženiring in biotehnologijo, pri katerem bodo sodelovala tudi podjetja, ki jih zanima izkoriščanje takšnih modelov tudi v komercialne namene.