Software, Open Source

Er der æg på Mars?

Foto: NASA/JPL-Caltech

Forskere på DTU spiller en nøglerolle i missionen til Mars, men på en god dag modtager de kun 6 megabyte data fra vores naboplanet. Ud fra det materiale skal de på kort tid vurdere, hvilke ordrer der via scripts og makroer skal sendes tilbage til Mars. En kompleks og udfordrende opgave, der har krævet mange overvejelser i arbejdet med software, fortæller professor John Leif Jørgensen. Og så er der alle påskeæggene.

Kort tid efter offentliggørelsen af de første billeder fra Mars-landingen begyndte teorier om en skjult besked at sprede sig på internettet. Faldskærmens sektionsopdelte, rød-hvide design fik det til at krible i fingrene hos kodeknækkere, og på bare seks timer var de hemmelige budskaber afsløret.

Den skjulte, binære kode i faldskærmens tre inderste cirkler dannede et citat fra USA’s tidligere præsident Franklin D. Roosevelt.

”Dare mighty things”, stod der. I faldskærmens yderste kant stod der ”34°11'58'N 118°10'31'W”, som er koordinaterne for NASA’s Jet Propultion Laboratorium i Californien (JPL).

Det er kun det mest nødvendige software, der er med fra starten

Faldskærmen, der bragte Perseverance det sidste stykke ned til overfladen af Mars, indeholdt en skjult, binær kode i faldskærmens tre inderste cirkler. Koden, som her er oversat til bogstaver og tal, danner et citat fra USA’s tidligere præsident Franklin D. Roosevelt: ”Dare mighty things”. I yderkanten står GPS-koordinaterne for NASA’s Jet Propultion Laboratorium i Californien. Illustration: NASA/RITZAU/SCANPIX

JPL har udviklet robotten Perseverance, der nu kører rundt på overfladen af Mars med et kamera fra DTU Space og leder efter spor af nuværende eller tidligere livsformer. I spidsen for udviklingen af det avancerede kamera står professor ved DTU Space John Leif Jørgensen. 

– Det her projekt er hjertebarn for mange, og der er en stor faglig stolthed i det. Mange har arbejdet i rigtig mange år på det og vil gerne sætte deres signatur på projektet – i bogstaveligste forstand. Det forstår jeg godt, siger han.

Landingen på Mars set oppe fra. På det tidspunkt er farten nedbragt fra 20.000 km/t til 0 i løbet af syv farefulde minutter. Foto: NASA/JPL-CALTECH

Den tidligere Mars-rover, Curiosity, havde små huller i hjulene, så det efterlod et aftryk, når den kørte. ”JPL”, skrev den i gruset på Mars. NASA ville ikke have synlige symboler, så i stedet satte JPL huller i hjulet, som skrev bogstaverne med morsekode. 

På Perseverance har NASA frabedt sig alle symboler. Derfor måtte JPL være mere opfindsomme. Faldskærmen slog sig ud, Perseverance landede sikkert, koden blev knækket, og nu er John Leif Jørgensen klar til endnu en mission ude i rummet. Er der, eller har der været, liv på Mars? Det skal hans kamera PIXL finde ud af.

Flytter menneskeheden fremad

Gennem tiden har John Leif Jørgensen lavet udstyr til mere end 100 rumfartøjer. Nogle kredser om Mars, andre om Jupiter. I 2018 blev GRACE-FO sendt i kredsløb om Jorden for at måle vandets cyklus. Det giver indsigt i tykkelsen af havisen og vandstanden i havene.

Ganske vist er det en bedrift i sig selv at sende satellitter i kredsløb og lande på planeter 500 millioner kilometer væk, men med John Leif Jørgensens erfaring er det – næsten – blevet hverdag. Dér, hvor han selv fascineres, er i den forskning, der kun er mulig efter en rejse ud i rummet.

– Det handler om et bedre liv. Rumfart er dyrt, og der er uden tvivl konkurrence og prestige involveret, men for mig handler det mere om de dybere forhold for menneskeheden. Vi udvikler udstyr, der skal være med til at give resultater, som vi ikke ville få her på Jorden, selv hvis vi forskede i 10.000 år. For mig er det forskningen, der er det spændende, siger John Leif Jørgensen, som har kontor lige over for kontrolrummet på DTU.

Herfra sender forskerholdet scripts og makroer afsted til roveren på Mars. Der er 30 minutters forsinkelse, fra en ordre er sendt afsted, til man på Jorden kan se et resultat. Derfor er der ingen navigation i realtid.

– Vi giver den helt basale kommandoer, der får den til at køre et bestemt sted hen, finde den rette belysning og tage et billede af noget helt konkret. Vi har et meget lille vindue til det, og når vi først har sendt scriptet, så er det for sent at gøre mere. Først dagen efter ser vi resultatet, forklarer John Leif Jørgensen.

PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) er udviklet af DTU og er ifølge NASA ”på størrelse med en madkasse”. Den vejer 4,5 kilo, hvor tilsvarende instrumenter i laboratorier på Jorden vejer 50 gange så meget og er på størrelse med ”en stor strandkøletaske”. Foto: NASA/JPL-Caltech

Kompliceret kode

John Leif Jørgensen sammenligner softwaren med den, der er i selvkørende biler. Roverens software er bare meget mere kompleks. En bil skal have relativt simple kommandoer til at bevæge sig i tre frihedsgrader; frem-tilbage, højre-venstre og hurtigere-langsommere. PIXL på roveren har derimod hele ni frihedsgrader.

– Det, vi har lavet på PIXL, svarer i virkeligheden til at programmere en autopilot, der kan flyve et jetfly rundt inde mellem bygningerne i en storby. Er der en sten på overfladen, der stikker blot en centimeter op, kan det være en forhindring for roveren. Når vi sender besked om, at den skal køre et sted hen, så skal den selv kunne navigere udenom alle bump på vejen. Det er os, der er nået længst i verden med den slags autopilot, siger John Leif Jørgensen.

Meget af koden er udviklet af DTU selv. Udover autopiloten er operativsystemet til PIXL også udviklet af John Leif Jørgensen og hans team. Den komplicerede software har taget 2-3 år at udvikle og teste, før den var helt klar til at blive sendt afsted.

– Det lyder måske som lang tid, men til et projekt som dette, så er det faktisk ret kort tid. Vi bruger meget tid på verifikation og nul-fejls metoder. Derfor har vi også måttet kigge på open source-løsninger, der har kunnet hjælpe projektet på vej, siger John Leif Jørgensen.

Men det er ikke kun et spørgsmål om mangel på tid, der får NASA og deres samarbejdspartnere til at kigge på open source. I mange tilfælde kan det være det mest sikre valg. Det gælder eksempelvis softwaren til at komprimere billeder, inden de sendes fra Mars.

– Når vi kun modtager op mod 6 megabyte om dagen, så gælder det om at udnytte båndbredden bedst. Derfor komprimerer vi billederne med et open source-værktøj, der reducerer størrelsen, uden at vi mister noget data. Det er en optimal lossless komprimering af den billedtype, vi får fra Mars, som vi ikke selv ville kunne udvikle og teste med den tid, vi har til rådighed. Hvorfor skulle vi også gøre det, når der er software tilgængeligt, som er gennemtestet af tusindvis andre før os, siger John Leif Jørgensen.

Perseverance blev opsendt fra Cape Canaveral i Florida 30. juli 2020. Landede i Jezero-krateret på Mars 18. februar og skal minimum trille rundt i ét Mars-år. Dens mission er at lede efter tegn på liv og indsamle jordprøver, som kan hentes ned til Jorden i fremtiden. Foto: NASA/JPL-Caltech

Stråling ændrer koden

Kommunikationen mellem kontrolrummet på Jorden og Perseverance foregår via fire satellitter i kredsløb om Mars. De taler sammen med tre 72 meter høje antenner på Jorden på skift – afhængig af Jordens position. Antennerne, der står i Spanien, USA og Australien, kan opnå en hastighed på 6,8 gigabit i døgnet, og de deles med over 20 andre deep space-missioner.

Mange har arbejdet i rigtig mange år på projektet og vil gerne sætte deres signatur på det – i bogstaveligste forstand

Lige nu har missionen på Mars første prioritet. Når man starter en mission, dedikeres alle kanaler til missionen, fordi der blandt andet skal sendes software op til udstyret, forklarer DTU-professoren.

– I den første uge brugte vi meget tid på at sende data til udstyret. Strålingen ude fra rummet kan ændre i den binære kode, så 0 bliver til 1, og 1 bliver til 0. Det udgør en risiko for, at der sker vanvittige ting under landingen, som jo er et meget kritisk tidspunkt. Derfor er det kun det mest nødvendige software, der er med fra starten, siger John Leif Jørgensen.

Med over 200 forskellige, enkeltstående enheder, der hver kræver sin egen software, tager det en rum tid, før missionen for alvor kan starte. Alle enheder og deres software skal testes og kalibreres for at sikre, at intet er gået galt under kommunikationen med udstyret på roveren.

Koden ude i rummet er ganske enkelt mere tilbøjelig til at foretage et bitflip, ligesom en computer på Jorden kan gøre det. Det sker bare ikke så tit, fordi Jordens atmosfære beskytter med, hvad der svarer til 10 meter vand. I rummet er beskyttelsen kun et par millimeter aluminium.

Af samme årsag har man eksempelvis valgt at bruge en processor fra den neonfarvede iMac fra 1990, som ifølge John Leif Jørgensen har en bygningskonstruktion, der gør den mere robust over for stråling. 

Ét spørgsmål til oraklet

Roveren kører kun om dagen, da en sten kan få hjulet til at splintre i Mars’ 120 nattefrostgrader. Softwaren er beskyttet mod stråling, det samme er hardwaren. Alle valg bunder i et mantra om, at man optimerer sandsynligheden for, at man får så præcise svar som muligt.

– Forestil dig, at du har ét spørgsmål til rådighed hos et orakel, der ikke må lyve, og du gerne vil vide, hvor gammel du bliver. Oraklet må kun svare ja eller nej. Spørger du, om du bliver 140 år, vil svaret med sikkerhed være nej, og så er du ikke blevet klogere på, hvor gammel du bliver. Spørger du derimod, om du bliver ældre end gennemsnitsalderen, så er du meget tættere på et brugbart svar. Det er de tanker, vi har siddet med, hver gang vi har skullet træffe et valg, siger John Leif Jørgensen.

Aluminiumspladen belagt med guld og sølv er et kalibreringstarget udviklet af forskere på Niels Bohr Instituttet. Det hjælper med at indstille farvebalancen korrekt, når Perseverance tager billeder. På pladen står der ”Two Worlds – One Beginning” sammen med tegninger af udviklingen af liv på Jorden. Foto: Nasa/New York Times/Ritzau Scanpix

Det gælder også, når PIXL skal finde ud af, om der er eller har været liv på Mars. Roveren er landet det sted på Mars, hvor der har været vand i længst tid. PIXL leder ikke efter liv, men efter rester af enzymer, der er et af grundlagene for alt liv. »

– Der findes ikke liv på Jorden uden enzymer. Finder du en forstening, der er mange millioner år gammel, og alt andet genetisk materiale er væk, så vil enzymerne stadig være der, siger John Leif Jørgensen.

Kameraet bruger hyperspectral belysning og vil med røntgenstrålingsfluorescens kunne bestemme indholdet af 26 grundstoffer. Det er meget kompliceret teknologi, der også bruges i DTU’s stjernekameraer. Noget af teknologien i kameraerne kan dog sagtens gå hen og blive allemandseje en dag. 

– Det vil det blive, det er der ingen tvivl om. Jeg forestiller mig, at vores teknologi til billedstabilisering meget hurtigt vil finde vej til andre produkter. Selvkørende biler vil også hurtigt få implementeret teknologien, fordi den nuværende laser-ranger-teknologi er meget dyr, siger John Leif Jørgensen.

CO2 udgør 96% af luften på Mars, mens oxygen kun udgør 0,13%. MOXIE skal udvinde ilt på Mars på samme måde som træer. Den inhalerer CO2 og udånder ilt – op til 10 gram i timen. En teknologi, som kan blive vital for fremtidige bemandede Mars-ekspeditioner. Foto: NASA/JPL-Caltech

Gå selv på opdagelse

Det er ikke sjældent, at opfindelser i NASA-regi finder vej til den almindelige forbruger her på Jorden. Det infrarøde øretermometer, ridsefrie brilleglas, TEMPUR-skum og solceller er i dag at finde i mange hjem. NASA udgav i 2014 et katalog over 1.400 stykker software, som de har gjort tilgængelig for alle.

– Det, der er avanceret i dag, er standard i morgen, siger John Leif Jørgensen.

Den avancerede teknologi sender allerede massevis af billeder ned til Jorden, som kan ses på NASA’s hjemmeside. Billeder af den nu knækkede kode på faldskærmen, billeder af landskabet, og ikke mindst billeder af flere sjove budskaber.

For mig handler det mere om de dybere forhold for menneskeheden

På overfladen af Perseverance kan man se dens fire søskende afbilledet i stil med de populære postkasseklistermærker, hvor far, mor og børn er tegnet som tegneseriefigurer. Hele familien samlet i endnu et easter egg.

Dem er der flere af – også på PIXL, indrømmer John Leif Jørgensen. Han vil bare ikke fortælle, hvad det er.

– Det må dem, der har lyst til det, jo gå på opdagelse i, siger John Leif Jørgensen.

Familieportrættet af de tidligere Mars-rovere, som er monteret på køretøjet. Fra venstre Sojourner, Spirit, Opportunity, Curiosity samt Perseverance og den medfølgende helikopter Ingenuity. Foto: NASA/JPL-Caltech

Professor John Leif Jørgensen

John Leif Jørgensen har været professor i rumfartsteknologi ved DTU siden 2005. Inden Mars 2020-missionen har han blandt andet været involveret i udviklingen af Ørsted-satellitten og stjernekameraet til sonden Juno, der i 2016 gik i kredsløb om solsystemets største planet Jupiter. Foto: DTU

Den røde planet

Mars er den tætteste planet til Jorden med en afstand på 54,6 millioner kilometer. Med en diameter på 6.791 kilometer er den omtrent halvt så stor som Jorden. Gennemsnits­temperaturen er minus 63 grader. Et år på Mars svarer til 687 dage på Jorden. Foto: NASA/Zuma/Ritzau Scanpix

 

Kommentarer

Log på Mit PROSA for at se eller skrive en kommentar til artiklen