O open source chega a Marte

Mais de meio século depois da primeira missão para Marte, as projeções dos especialistas da University of New South Wales apontam que, somente a partir de 2050, os seres humanos devam começar a colonizar o Planeta Vermelho — e isso levando em conta apenas os fatores técnicos. Há um grande debate de como o ser humano, vindo de uma evolução para se adaptar à Terra de milhões de anos (ou bilhões dependendo de quando você começa a medir essa adaptação), e vivendo em simbiose com um ecossistema de microorganismos, poderia efetivamente colonizar Marte. De volta a 2021, no entanto, a tecnologiaopen source já deu um passo à frente na interação interplanetária. O que antes era apenas ficção científica, se tornou realidade com a ajuda do código aberto: sobrevoar o Planeta Vermelho com um drone.

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Quando o rover Perseverance da NASApousou em Marte recentemente, ele também levou o sistema operacional Linux para aquele planeta. O drone Ingenuity, parecido com um helicóptero, a bordo do rover Perseverance, usou uma estrutura de software com uma versão do Linux cujo código-fonte foi aberto pela agência espacial há alguns anos. Foi a primeira vez que voamos executando um sistema operacional do tipo em Marte e provavelmente a primeira vez que a agência norte-americana levou um dispositivo baseado em Linux para outro planeta. Os rovers anteriores usavam sistemas operacionais proprietários, em grande parte da empresa de software Wind River Systems.

O caso do Ingenuity é especial: a ideia de fazer uma POT (prova de tecnologia) de um equipamento autônomo voando em uma atmosfera com um centésimo da densidade atmosférica da Terra surgiu no final do projeto. Para isso, a NASA utilizou hardware padrão (um Qualcomm Snapdragon 801 por exemplo), Linux e o projeto de software desenvolvido como open source, publicado no GitHub. Provando que quando você precisa diminuir o tempo de desenvolvimento do projeto, utilizar Linux e open source é a melhor solução, permitindo a colaboração de desenvolvedores espalhados pelo mundo.

E a velocidade de desenvolvimento foi chave também para corrigir o helicóptero: testes que antecederam o primeiro voo mostraram uma anomalia. A decisão foi que a melhor correção possível viria com uma nova versão do software, implantada uma semana depois. Em 19 de abril, tivemos o glorioso primeiro voo do Ingenuity, mais um fato histórico registrando a fantástica capacidade humana de criar, identificar e corrigir problemas, provando que conseguimos vencer as barreiras que sempre aparecem em nosso caminho.

Para acelerar a nossa chegada a outros pontos do Sistema Solar, iniciativas de código aberto foram lançadas buscando dar a mais pessoas acesso à tecnologia espacial e democratizar o contato com o espaço. Os projetos de Conscientização Situacional no Espaço e o KubeSat são exemplos de soluções em container construídas com princípios nativos da nuvem e executadas no Red Hat OpenShift, que ajudam desenvolvedores com interesse em tecnologia espacial a levar iniciativas como essas para o próximo nível, com vários graus de colaboração de agências espaciais, universidades e empresas de tecnologia espacial.

Consciência Situacional Espacial

Somente em nosso planeta, a massa dos objetos produzidos e construídos pelo ser humano superou a massa das formas de vida em 2019, como mostra um estudo publicado pela revista científica Nature. Além deles, existem ainda dezenas de milhares de objetos espaciais antropogênicos (ASO) feitos pelo homem que orbitam ao redor da Terra. Com a privatização dos lançamentos de foguetes, a taxa na qual os ASOs são colocados em órbita deve aumentar drasticamente.

Os ASOs variam em tamanho, desde partículas de tinta com alguns centímetros de diâmetro até a Estação Espacial Internacional (ISS). O que os transforma em questão crucial para as futuras viagens pelo espaço, já que um pequeno pedaço de tinta pode não parecer perigoso em um primeiro momento, mas quando está viajando a velocidades em torno de 8.000 metros por segundo, em uma colisão com um satélite ou outro veículo tripulado pode ser catastrófico.

Com a proliferação de satélites de todos os tamanhos na órbita inferior do nosso planeta no espaço, enormes quantidades de dados serão produzidas e relacionadas à observação da Terra, ao gerenciamento do tráfego espacial e à consciência situacional do espaço. Essas informações precisam ser protegidas, analisadas, transportadas e correlacionadas. É aqui que o open source e a computação de borda no espaço podem fornecer recursos de inferência e filtragem, processando dados em satélites. A nuvem também entra em cena para receber os dados agregados e brutos por meio de estações terrestres para processamento posterior.

Métodos de última geração para previsão de órbitas contam com modelos baseados na física. Para ter sucesso, esses modelos requerem dados extremamente precisos sobre os ASOs e seu ambiente. O problema é que os dados de localização que obtemos sobre ASOs a partir de sensores na Terra são raros e barulhentos - além de complicados, principalmente porque ainda não entendemos totalmente como fenômenos, tais quais o clima espacial e a densidade atmosférica, afetam os ASOs.

O projeto Space Situational Awareness (SSA) — ou Consciência Situacional Espacial, em português — determina onde estão os ASOs (determinação da órbita) e onde estarão no futuro (previsão da órbita). Com o SSA, o propósito é melhorar a previsão da órbita usando métodos de Machine Learning (ML), não para prever órbitas, mas para criar modelos que aprendem quando os modelos físicos predizem incorretamente a localização futura de um ASO. Os modelos físicos oferecem uma perspectiva sobre a dinâmica orbital, então só precisamos aprender como eles erram.

Neste sentido, são utilizados dados fornecidos pelo Comando Estratégico dos Estados Unidos (USSTRATCOM) por meio do space-track.org e uma API (Application Programming Interface) para construir modelos de linhas de base. Os dados são disponibilizados no formato de conjunto de elementos de duas linhas, configuração de texto de largura fixa que contém os elementos orbitais Keplerianos de um ASO em um determinado momento. Para a maioria dos ASOs em órbita terrestre baixa (Low Earth Orbit, LEO), este conjunto de dados é atualizado apenas uma vez por dia, frequência insuficiente para um objeto em movimento.

Um projeto de interesse estratégico para a NASA, a demonstração da edge computing na ISS é fundamental porque abrirá as possibilidades de expandir o uso desta técnica em futuros satélites ou estações espaciais, particularmente na preparação para a exploração do espaço profundo. Como as missões futuras são planejadas para locais além da LEO da Terra — como o programa Artemis, que prevê uma presença sustentável na Lua em preparação para missões à Marte —, uma latência de rede muito maior associada à transmissão de dados para a Terra requer capacidade de computação de borda em órbita. A ISS é um laboratório espacial único em órbita ao redor do nosso planeta, construída por meio de uma colaboração entre várias nações.

Resultados em tempo real

Para lidar com os requisitos para acesso em tempo real aos dados, a chamada ‘latência’, e para a largura de banda, é necessária uma mudança de paradigma para a edge computing. A modalidade leva o processamento de dados para mais perto de onde as informações estão sendo produzidas a fim de obter resultados quase em tempo real e derivar valor de uma ação rápida sobre os dados. Não é por acaso que a computação de borda no espaço é uma das áreas focais da inovação: à medida que mais e mais satélites e naves espaciais são lançados e realizam tarefas como a observação da Terra, surge a necessidade de realizar cálculos na borda “no espaço”.

A demonstração bem-sucedida do uso de containers em órbita irá validar e impulsionar ainda mais o conceito de edge computing generalizada no espaço. Os resultados deste projeto também vão ajudar a determinar e agilizar as próximas etapas para o envio de sistemas de computação, armazenamento e rede aprimorados de última geração para a ISS.

Colaboração no espaço

O projeto de sequenciamento de DNA denominado Genes in Space-3, a bordo da ISS, é usado para identificar micróbios na ISS usando um dispositivo sequenciador de biomoléculas MinION. Esta pesquisa vai ajudar a identificar micróbios em voo para missões futuras. Atualmente, os resultados de cada execução são transferidos para o solo e levam semanas para chegar às mãos do pesquisador. Em seguida, requerem uma análise mais aprofundada, além de alinhamento e pós-processamento, um processo que pode levar várias semanas.

Neste contexto, a colaboração por meio do open source está ajudando a eliminar a necessidade de mover os dados massivos que estão sendo produzidos na ISS. Com o projeto DNA Sequencing, a iniciativa apresenta o código analítico em containers no local onde os dados estão sendo produzidos. Assim, com o Red Hat CodeReady Containers, que permite criar um ambiente mínimo de OpenShift 4 com apenas um único nó, é possível reduzir a dependência da Terra e o tempo para obter resultados. Esta solução se conecta de volta à nuvem, onde os pesquisadores podem desenvolver, testar e deixar seu código pronto para ser enviado à ISS.

Os resultados da análise de borda dos dados experimentais da ISS do usuário estarão disponíveis na ISS e também serão retransmitidos por meio de uma fila de mensagens para o solo. Cada execução de trabalho será sob demanda, otimizando assim o uso dos recursos do sistema. Na Terra, a nuvem é usada para processamento de computador quando a capacidade local é excedida ou quando a computação de borda é necessária, mas também para o desenvolvimento e teste de programas que, eventualmente, serão usados ​​em outro lugar. A colaboração no desenvolvimento avançado de recursos de processamento de sequência de DNA usando nuvens baseadas na Terra terá capacidade fornecida como containers até a “borda da borda” da ISS.

KubeSat, uma estrutura cognitiva autônoma

Startups e grupos de pesquisa podem usar grupos de satélites que trabalham juntos para realizar tarefas específicas, ou enxames, como uma alternativa modular e de baixo custo para um satélite maior e mais tradicional. Nesse caso, é necessária uma tecnologia subjacente que possa criar e controlar o enxame, bem como suportar software adicional para seus objetivos específicos. A inovação na indústria espacial pode se beneficiar desta estrutura, construindo a partir dela modelos de aprendizado de reforço para usos específicos, como o software subjacente para muitos grupos satélites. A colaboração e as comunicações entre esses enxames de satélites podem ser autônomas, permitindo que se integrem ou se separem conforme necessário. Esta criação modular é um componente-chave do software, permitindo que os satélites que o utilizam tenham o máximo impacto.

A NASA desenvolveu um framework open source para desenvolvimento rápido de software específico, mas não limitado, a sistemas de voos espaciais de pequena escala, como KubeSats, SmallSats e, agora, um helicóptero autônomo. Esse framework, chamado de F-prime ou F’ também está disponível no GitHub.

A estrutura de software desenvolvida para KubeSats e instrumentos que está voando no helicóptero de Marte é uma vitória para o open source. Afinal de contas, estamos lançando um sistema operacional de código aberto, uma estrutura de software de voo open source, e voando peças comerciais que podem ser adquiridas para projetos abertos ou proprietários. O equilíbrio e sinergia dessas tecnologias abertas vêm permitindo que a humanidade comece a realizar um sonho secular e, literalmente, alçar voos mais altos.

A colaboração em ciências

O projeto do Perseverance e do Ingenuity (que fazem parte da missão Mars 2020) envolveu mais de 6 mil pessoas e, de acordo com Adam Steltzner, engenheiro-chefe na NASA, só foi possível por causa da diversidade que é inerente de uma colaboração em larga escala: as melhores ideias da humanidade só são possíveis com visões distintas convergindo em um propósito. A SuperCam do Perseverance, por exemplo, foi desenvolvida em conjunto com a França, Espanha e Itália, além dos EUA.

A ciência ultrapassa barreiras territoriais e políticas, e os cientistas estão se esforçando para que o mundo todo esteja unido em apenas uma comunidade. Com isso, será possível obter mais resultados e de forma mais rápida porque a quantidade de informação gerada por telescópios, aceleradores de partículas, experiências genéticas é muito superior àquela que equipes que começaram esses experimentos conseguem lidar. Os dados do Telescópio Espacial Hubble, do acelerador de partículas LHC, e até amostras de rochas lunares estão sendo compartilhadas mundialmente para que exista essa colaboração e consequentemente uma grande aceleração das descobertas.

O desenvolvimento colaborativo do open source já se provou como a forma mais rápida de trazer inovações e novas tecnologias. E os cientistas já descobriram, como disse Ana Monnar, que o ato de compartilhar irá enriquecer a todos com mais conhecimento.