Roboternavigationstechnologie wird die Tiefsee erkunden

Der Tauchroboter Orpheus wird vom Woods Hole Oceanographic Institute und JPL entwickelt, um die Tiefsee autonom zu erkunden. Orpheus nutzt eine visionsbasierte Navigation, die ähnlich funktioniert wie die Navigation des Ingenuity Mars Helicopter während des Fluges.

Das Tauchboot kann die extremsten Tiefen des Ozeans erkunden und 3D-Karten des Meeresbodens erstellen. Auf diesem Foto während einer früheren Expedition ist Orpheus viel kleiner als andere Tauchboote, was den Transport und Betrieb erleichtert.

Die geländebezogene Navigation half Perseverance, autonom auf dem Mars zu landen – und Ingenuity zu fliegen. Jetzt ist es an der Zeit, ein ähnliches System zu testen und gleichzeitig neue Grenzen zu erkunden.

Am 14. Mai wird das Schiff Okeanos Explorer der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) von Port Canaveral in Florida zu einer zweiwöchigen Expedition unter der Leitung von NOAA Ocean Exploration aufbrechen, bei der es um die Technologiedemonstration eines autonomen Unterwasserfahrzeugs geht. Diese neue Klasse von Tauchrobotern mit dem Namen Orpheus wird ein System vorstellen, das ihnen dabei hilft, ihren Weg zu finden und interessante wissenschaftliche Merkmale auf dem Meeresboden zu identifizieren.

Die geländebezogene Navigation war maßgeblich daran beteiligt, dass der Marsrover Mars 2020 Perseverance der NASA am 18. Februar präzise auf dem Roten Planeten aufsetzen konnte. Das System ermöglichte es dem absteigenden Roboter, die Marslandschaft visuell zu kartieren, Gefahren zu identifizieren und dann einen sicheren Ort auszuwählen ohne menschliche Hilfe zu landen. In ähnlicher Weise nutzt der Ingenuity Mars Helicopter der Agentur ein visionsbasiertes Navigationssystem, um während des Fluges Oberflächenmerkmale am Boden zu verfolgen und so seine Bewegungen über die Marsoberfläche abzuschätzen.

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Entwickelt von Ingenieuren des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, wird eine Weiterentwicklung der visionsbasierten Navigation, die auf dem Mars eingesetzt wurde, nun etwas näher an der Heimat einem Probelauf unterzogen: vor der US-Ostküste im Atlantischen Ozean.

Normalerweise wären große, leistungsstarke Ortungsgeräte wie Sonar erforderlich, um durch die dunklen und oft trüben Gewässer in der Nähe des Meeresbodens zu navigieren. Durch den Einsatz eines Kamera- und Beleuchtungssystems mit geringem Stromverbrauch sowie fortschrittlicher Software ist Orpheus um eine Größenordnung leichter als die meisten Tiefsee-Tauchboote. Orpheus ist kleiner als ein Quad und wiegt etwa 250 Kilogramm. Er ist flink, einfach zu bedienen und robust und ermöglicht die Erkundung von Tiefen, die für die meisten Fahrzeuge unzugänglich sind.

Die Demonstration der Orpheus-Technologie wird an Bord des NOAA-Schiffes Okeanos Explorer durchgeführt. Nach ihrer Abreise aus Port Canaveral in Florida am 14. Mai erkundet die zweiwöchige Expedition die Gewässer vor der US-Ostküste.

Orpheus wurde von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) in Zusammenarbeit mit JPL entwickelt und kann fast überall im Ozean, auch in den extremsten Tiefen, ungebunden arbeiten. Letztendlich hofft das Projektteam, einen Schwarm dieser Unterwasserroboter als Team zusammenarbeiten zu sehen, um 3D-Karten der riesigen Regionen des unerforschten Meeresbodens in der Hadal-Zone zu erstellen – Regionen, die tiefer als 20.000 Fuß (6.000 Meter) sind. Doch bevor der Roboter diese Tiefen erkunden kann, muss er sich zunächst in flacheren Gewässern auf Herz und Nieren testen.

Eintauchen in die Zukunft

„Mit dieser Technologiedemo werden Daten gesammelt, um die Machbarkeit der geländebezogenen Navigation im Ozean zu demonstrieren und gleichzeitig zu zeigen, wie mehrere Roboter in extremen Umgebungen zusammenarbeiten“, sagte Russell Smith, Robotik-Maschinenbauingenieur am JPL. „Diese Tests werden uns auf den richtigen Weg bringen, künftige Tauchgänge in die Hadal-Zone zu starten und auf intelligente Weise nach aufregenden Regionen mit hoher biologischer Aktivität zu suchen.“

Entdecken Sie eine Galerie hochmoderner Roboterprototypen, die für die zukünftige Planetenerkundung entwickelt werden.

Orpheus‘ Version der visionsbasierten Navigation heißt Visual-Inertial Odometry oder xVIO und nutzt ein System aus fortschrittlichen Kameras und Mustervergleichssoftware sowie Instrumenten, die seine Ausrichtung und Bewegung präzise messen können. Während Orpheus über den Meeresboden reist, identifiziert xVIO Merkmale – wie Felsen, Muscheln und Korallen – unter dem Fahrzeug. Ähnlich wie beim Merken von Orientierungspunkten während einer Autofahrt erstellt xVIO 3D-Karten und verwendet diese Funktionen als Wegpunkte, um die Navigation zu erleichtern. Doch dieses System ist mehr als nur ein Mittel, um zu verhindern, dass der Tauchroboter verloren geht.

Die hochauflösenden Karten, die xVIO erstellt, werden im Speicher gespeichert, sodass Orpheus bei seiner Rückkehr in das Gebiet die einzigartige Verteilung der Merkmale erkennt und sie als Ausgangspunkt für die Ausweitung seiner Erkundung nutzt. Und bei der Arbeit mit Roboterfreunden können Karten geteilt, mit Querverweisen versehen und entwickelt werden, um schnell Bereiche von wissenschaftlichem Interesse zu identifizieren.

„In Zukunft werden einige der extremsten Meeresumgebungen in unserer Reichweite sein. Von Tiefseegräben bis hin zu hydrothermalen Quellen werden wir viele neue Ziele erkunden“, sagte Andy Klesh, Systemingenieur ebenfalls am JPL. „Indem wir klein bleiben, haben wir ein neues, vereinfachtes Werkzeug für Meeresforscher geschaffen – eines, das der NASA als analoges System für die autonome Weltraumforschung direkt zugute kommt.“

Aber Klesh wies auf einen weiteren Vorteil der Zusammenarbeit zwischen der NASA und Organisationen wie WHOI und NOAA mit ihrer umfassenden ozeanografischen Expertise hin: Die Technologien, die zur Erkundung der Ozeane der Erde mit intelligenten, kleinen und robusten autonomen Unterwasserfahrzeugen entwickelt werden, könnten letztendlich zur Erkundung der Ozeane genutzt werden andere Welten.

Erdanaloge werden oft als Ersatz für andere Standorte im Sonnensystem verwendet. Beispielsweise verfügt der Jupitermond Europa über einen unterirdischen Ozean, der günstige Bedingungen für Leben bieten könnte.

„In Hadal-Tiefen auf der Erde entsprechen die Drücke ungefähr dem Boden des unterirdischen Ozeans Europas, der vermutlich etwa 80 Kilometer [50 Meilen] tief ist“, sagte Tim Shank, der Biologe, der das HADEX-Programm (Hadal Exploration) des WHOI leitet. „Es ist eine tiefgründige Vorstellung, dass diese Expedition das Sprungbrett zu neuen Entdeckungen über unseren eigenen Planeten sein könnte, einschließlich der Beantwortung der grundlegendsten Frage: Gibt es Leben nur auf der Erde, oder gibt es andere Orte jenseits dieses blassblauen Punktes, an denen Leben möglich wäre?“ entstanden sind? Doch bevor wir Europa oder eine andere Meereswelt erkunden können, müssen wir zunächst unsere eigene Heimat besser verstehen.“

Weitere Informationen zur Technologiedemonstration finden Sie unter:

https://oceanexplorer.noaa.gov/okeanos/explorations/ex2102/welcome.html

Ian J. O'Neill

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien.

818-354-2649

[email protected]

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