Kolonizacja Marsa? Naukowcy z Politechniki Warszawskiej chcą zrobić pierwszy krok

Opracowanie prototypu systemu, który pozwoli określić w jakiej perspektywie czasowej jesteśmy w stanie zmienić warunki na Marsie tak, by możliwa tam była budowa kolonii - to cel interdyscyplinarnego zespołu naukowców pod kierunkiem dr. hab. inż. Roberta Olszewskiego, prof. PW z Wydziału Geodezji i Kartografii.

Big idea

- Prototyp pozwoli nam w sposób numeryczny rozważyć, w jakiej perspektywie czasowej jesteśmy w stanie dokonać takiej terratransformacji Marsa, by już nie tylko pojawiały się tam misje, ale by możliwa była budowa kolonii - mówi prof. Robert Olszewski.  - W tym celu niezbędna jest budowa potężnych mocy obliczeniowych, stworzenie modelu, który przetworzy realne dane typu big data, a w zasadzie spatial big data, gdyż będziemy korzystać z danych o charakterze zdecydowanie przestrzennym - wyjaśnia. - Nie chcemy rzeczywiście wylądować na Marsie, ale chcemy, żeby był to wielki krok Politechniki Warszawskiej w tą stronę - podkreśla.

System będzie służył do wariantowych analiz terratransformacji Czerwonej Planety, by upodobnić ją do Ziemi i umożliwić istnienie na niej ziemskich form życia bez dalszej pomocy z zewnątrz. Mogą w tym pomóc rozważane w literaturze roztopienie czap lodowych czy rozpylenie gazów cieplarnianych.

Interdyscyplinarny zespół specjalistów

Aby sprostać temu wyzwaniu, niezbędna jest zróżnicowana wiedza informatyczna i geoinformatyczna, głównie w zakresie sztucznej inteligencji, spatial data mining, obrazowania przestrzennego i modelowania matematycznego oraz specjalistyczna wiedza z zakresu nauk planetarnych.

Badania prowadzone będą zatem przez interdyscyplinarny zespół naukowców z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Wydziału Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej, a także Grupy Marsjańskiej Międzywydziałowego Programu Badań Planetarnych Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG).

Cztery zadania badawcze

W ramach projektu zrealizowane zostaną cztery, wzajemnie zintegrowane zadania badawcze. W pierwszej fazie naukowcy opracują, wykorzystując metody maszynowego uczenia się, system analizy wieloźródłowych danych satelitarnych. Umożliwi on tworzenie wieloskalowych modeli rzeźby terenu Marsa.

W kolejnym etapie projektu powstanie system klasyfikacyjny wykorzystujący uczenie głębokie, wieloźródłowe dane i modele będące wynikiem wcześniejszych badań, a także pomiary planetarne zrealizowane przez łaziki marsjańskie Opportunity oraz Curiosity. Pozwoli to na automatyzację procesu klasyfikacji form terenowych na Marsie.

- Na orbicie Marsa znajduje się w tej chwili wiele różnego rodzaju detektorów. Dane z orbitera Mola, po części też z orbitera CTX, dostępne są dla całej planety, ale np. z Cassisa czy HiRISE nie. Zdjęcia gromadzone są przede wszystkim na serwerach NASA. Udostępniane są każdemu i bezpłatnie, natomiast wymagają dość dużej wiedzy specjalistycznej -  fotogrametrycznej, teledetekcyjnej, ale przede wszystkim informatycznej - wyjaśnia prof. Robert Olszewski.  - Przetworzenie ich, zbudowanie wielorozdzielczych modeli rzeźb terenu, modeli pochodnych, nachyleń, ekspozycji, energii rzeźby jest podstawą do tego, by w tym naszym drugim zadaniu, wykorzystując sieci głębokie uczenia i dane nie tylko pozyskiwane z orbiterów marsjańskich, ale także z łazików Opportunity czy Curiosity, zbudować cyfrową mapę geomorfologiczną Marsa - dodaje.

Globalny automat komórkowy

Finalnym etapem realizacji projektu będzie opracowanie systemu symulacyjnego wykorzystującego zgromadzone dane, formy terenowe, globalne modele atmosfery (opracowane przez Uniwersytet Jagielloński i IPAG) do analizy procesów potencjalnej terratransformacji Marsa. W systemie symulacyjnym wykorzystana zostanie m.in. idea globalnego automatu komórkowego o heksagonalnych polach podstawowych i zróżnicowanej rozdzielczości.

- Mars ma zdecydowanie mniejszą powierzchnię niż Ziemia, ale z drugiej strony jego powierzchnia jest mniej więcej równa powierzchni wszystkich kontynentów na Ziemi, to jest ok. 145 mln km². Jeśli chcemy pokryć to siecią heksagonalnych komórek, np. o powierzchni 1 km² każdy, to mamy do czynienia z gigantycznym zbiorem prawie 145 mln heksagonalnych komórek, z których każda oddziałuje na swoich sąsiadów i każda jest zasilana całym szeregiem różnego rodzaju parametrów mówiących o warunkach atmosferycznych, geologicznych, różnego rodzaju procesach, które występują bądź też mogą występować na powierzchni, w atmosferze Marsa - wyjaśnia prof. Robert Olszewski.  

Do obliczeń wykorzystywana będzie platforma CENAGIS, która powstała na Wydziale Geodezji i Kartografii. Umożliwia przetwarzanie danych o dużym wolumenie i bardzo dużej złożoności.

Wizualizacja wyników

Projekt uzupełni opracowanie metodyki wizualizacji obiektów zjawisk i procesów odniesionych przestrzennie do powierzchni Marsa z wykorzystaniem rzeczywistości wirtualnej.

- Chcemy przedstawić zdobytą wiedzę w sposób prosty, intuicyjny i informacyjny. Przekaz mają rozumieć z jednej strony specjaliści, ale z drugiej strony również zwykli odbiorcy, a także decydenci mający wpływ na misje z udziałem ludzi, które w najbliższej przyszłości prawdopodobnie na Marsa będą wysyłane - mówi prof. Robert Olszewski.

Projekt „Opracowanie koncepcji i prototypu systemy symulacji procesu terratransformacji Marsa” jest finansowany w ramach realizowanego w PW programu „Inicjatywa doskonałości - uczelnia badawcza”. Znalazł się w gronie laureatów konkursu na granty badawcze „CyberiADa-1” Centrum Badawczego POB Cyberbezpieczeństwo i analiza danych. Miał być realizowany do końca 2021 r., ale już wiadomo, że będzie kontynuowany z wykorzystaniem również innych źródeł.

- Stawiając na współpracę i interdyscyplinarność, zarówno w Politechnice Warszawskiej, jak i w skali międzynarodowej, chcemy przekształcić surowe dane w użyteczne informacje, wiedzę przestrzenną, co pozwoli nam w dalszej perspektywie nie tylko na cyfrową, ale i realną terratransformację Marsa - mówi prof. Robert Olszewski.  

Oprócz prof. Roberta Olszewskiego zespół badawczy z Politechniki Warszawskiej tworzą: prof. Mieczysław Muraszkiewicz i dr inż. Piotr Pałka z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, a także prof. Dariusz Gotlib, dr inż. Agnieszka Wendland, mgr inż. Magdalena Pilarska i mgr inż. Kamil Choromański z Wydziału Geodezji i Kartografii.