Obszary badań

Interdyscyplinarny Zespół Eksploracji Marsa PW

Obszary naszych badań

Interdyscyplinarny Zespół Eksploracji Marsa PW prowadzi naukowe badania laboratoryjne związane zarówno z cyfrowym modelowaniem procesu potencjalnej terraformacji Czerwonej Planety, jak i wykorzystaniem metod uczenia maszynowego do segmentacji i klasyfikacji form rzeźby terenu na Marsie. Członkowie zespołu, we współpracy z innymi jednostakim badawczymi, prowadzą również eksperymenty terenowe związane z wykorzystaniem roju autonomicznych łazików i dronów do naukowej eksploracji Marsa.

Terraformacja Marsa

Zespół Politechniki Warszawskiej we współpracy z NASA Ames Research Center tworzy zaawansowany model symulacyjny powierzchni i atmosfery Marsa, oparty na danych MOLA i MCD. Projekt pozwala analizować różne scenariusze terraformowania Czerwonej Planety, takie jak ogrzewanie biegunów, emisja gazów cieplarnianych czy zderzenie z asteroidą bogatą w amoniak. Symulacje wskazują, że pierwsze życie mogłoby pojawić się w kraterze Hellas – a wizja „pierwszego drzewa na Marsie” staje się symbolem tej naukowej przygody.

Nasz zespół we współpracy z NASA Ames Research Center tworzy globalny model przestrzenny powierzchni i atmosfery Marsa wraz z metodami jej modyfikacji. Model ten wykorzystuje dane wysokościowe dla Marsa opracowane przez NASA metodami altymetrii satelitarnej – MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) o rozdzielczości przestrzennej 463 m. W naszych symulacjach wykorzystujemy także model atmosferyczny MCD (Mars Climate Database) opracowany przez europejskich naukowców. W naszym modelu wykorzystujemy koncepcję dyskretyzacji czasu oraz przestrzeni. Zastępujemy różniczkowe równania adwekcji – dyfuzji metodą różnic skończonych i, wykorzystując moc obliczeniową infrastruktury CENAGIS, tworzymy pionierskie modele symulacyjne i prowadzimy złożone obliczenia. Do celów projektowych powierzchnia Marsa pokryta została polami o kształcie regularnych sześciokątów (heksagonów), tworzących strukturę zbliżoną do plastra miodu. Parametry atmosferyczne takie, jak temperatura, ciśnienie czy siła wiatru w poszczególnych heksagonach oddziałują na siebie wzajemnie i pozwalają na prognozowanie zmian w perspektywie, zarówno poszczególnych godzin, tygodni, miesięcy, jak i … tysięcy lat. W modelu tym sprawdzane są trzy alternatywne hipotezy „Co by się stało gdyby…?”. Gdyby ogrzać południowy biegun Marsa za pomocą ogromnego zestawu luster satelitarnych i roztopić „czapę” suchego lodu złożonego z zamarzniętego dwutlenku węgla? Gdyby zbudować marsjańską „fabrykę” gazów hipercieplarnianych i uwalniać je do marsjańskiej atmosfery? Czy wreszcie, gdyby sprowadzić z tzw. pasa planetoid znacznych rozmiarów obiekt skalisty o dużej zawartości amoniaku i doprowadzić do jego zderzenia z Marsem? Modele opracowane w Politechnice Warszawskiej pozwalają rozważyć każdą z powyższych możliwości, kładąc równocześnie nacisk na dogłębne rozważenie skutków i odpowiedź na kluczowe pytanie – czy (a raczej kiedy) uda się podnieść temperaturę na Marsie o 60⁰C, zagęścić atmosferę tej planety stukrotnie i czy (a raczej kiedy) nasze wnuki lub wnuki naszych wnuków zamieszkają na Marsie?

Według naszego modelu i obliczeń, pierwsze życie mogłoby funkcjonować na Marsie na jego południowej półkuli w kraterze Hellas, nie zaś jak powszechnie sądzono w strefie równikowej. Choć to wizja na przyszłość, nasze modele symulacyjne potrafią przewidywać jakie byłyby skutki wywołania efektu cieplarnianego na Marsie. Współpracujący z NASA artysta, który przybrał pseudonim Shrox zilustrował dla nas wizję pierwszego drzewa na Marsie. W jego wyobraźni to pierwsze drzewo jest efektem współpracy marsjańskich „Lasów Państwowych” oraz Uniwersytetu Olympus Mons. My wolimy myśleć, że to Politechnika Warszawska swą drugą, po płockiej, filię wzniesie w cieniu tej najwyższej góry Układu Słonecznego. Na razie „pierwsze drzewo na Marsie” figuruje na naszych posterach, a także … na noszonych przez nas T-shirtach.

Poniżej film pokazujący proces terraformacji Marsa – jeśli jeszcze go nie widzieliście na stronie głównej 😉

W badaniach dotyczących modelowania procesu terraformacji Marsa naszym głównym partnerem jest zespół naukowy NASA Ames Research Center, którym kieruje Prof. Christopher P. McKay.

Prof. MacKay jest specjalistą w zakresie astrobiologii, opowiada się za umiarkowanie biocentrycznym stanowiskiem w kwestii etyki terraformowania Marsa. Przeprowadził serię publicznych debat z Robertem Zubrinem, który opowiada się za umiarkowanie antropocentrycznym stanowiskiem w kwestii etyki terraformowania.

Nasz zespół współpracuje także z wywodzącą się z San Jose State University Prof. Alison Bridger (Meteorology and Climate Science Department) oraz dr Melindą Kahre z Ames, które specjalizują się w numerycznym modelowaniu warunków atmosferycznych panujących obecnie na Marsie.

Badnia dotyczące terraformacji Marsa nie byłyby możliwe bez prognozowania jakie ziemskie rośliny mogłyby jako pierwsze funkcjonować na „ogrzanym” Marsie. Specjalizujący się w botanice roślin wysokogórskich i florze stref arktycznych Prof. Christian Körner z Department of Environmental Sciences Uniwersytetu w Bazylei wspiera nas w zakresie badań związanych z modelowaniem wpływu zimnej atmosfery o niskiej gęstości i dużej zawartości CO₂ na możliwości przetrwania roślin na planecie o trzykrotniej niższej niż ziemska sile grawitacji.

Klasyfikacja form rzeźby terenu

Interdyscyplinarny Zespół Eksploracji Marsa PW wykorzystuje zdjęcia z systemu HIRISE oraz łazików NASA do tworzenia systemu automatycznej klasyfikacji form terenu na Marsie. Dzięki zastosowaniu uczenia głębokiego sieć neuronowa potrafi rozpoznawać charakterystyczne struktury, takie jak kratery czy wydmy eoliczne. W przyszłości technologia ta pozwoli szybko identyfikować bezpieczne miejsca pod przyszłe marsjańskie osady.

Od lat 60-tych XX w. powierzchnia Marsa obserwowana jest przez, stake udoskonalane, satelity, orbitery i lądowniki. Dane te mają różną rozdzielczość – od kilku kilometrów, do zaledwie kilku milimetrów. Jednak spełniające to osttanie kryterium dane gromadzone przez marsjańskiego drona Ingenuity obejmują zaledwie kilkadziesiąt hektarów. Powierzchnia Marsa wynosi zaś około 144 mln km2…

Obecnie jednym z najlepszych źródeł danych przestrzennych dla Marsa jest system pomiarowy HIRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) zainstalowany na sondzie Mars Reconnaissance Orbiter oraz łazik marsjańskie takie jak Perseverance, Spirit i Opportunity. Setki tysięcy zdjęć wykonanych przez kamery łazików i precyzyjne zobrazowanie satelitarne HIRISE o imponującej, nawet w warunkach ziemskich, rozdzielczości zaledwie 25 cm (!) mogą zostać wykorzystane do opracowania systemu automatycznej klasyfikacji form terenu na Marsie. Aby opracować taki system uzyskać ten efekt, Interdyscyplinarny Zespół Eksploracji Marsa PW wykorzystał zaawansowaną odmianę uczenia maszynowego (machine learning), tzw. uczenie głębokie (deep learning). W naszych badaniach udało nam się wytrenować sieć neuronową do rozpoznawania charakterystycznych dla Marsa form terenu takich, jak eoliczne ripple czy impaktowe kratery powstałe po uderzeniach meteorytów. Opracowywana aktualnie baza wiedzy umożliwi w przyszłości automatyczną klasyfikację form terenu na znacznie większych obszarach marsjańskiego krajobrazu i wybranie tych, na których można będzie bezpiecznie wznieść pierwsze budowle ziemskich osadników.

Nasz zespół od 2020 r. intensywnie współpracuje z naukowcami z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Wspólnie z zespołem kierowanym przez dr Joannę Kozakiewicz badamy ukształtowanie ziemskich geomorfologicznych form eolicznych o charakterystyce zbliżonej do marsjańskich ripplemarków. Dr Mateusz Sobucki wspierał nas specjalistyczną wiedzą geomorfologiczną podczas planowania pola testowego łazików marsjańskich w Józefosławiu.

Modele 3D i wizualizacja AR/VR

Nasz zespół zajmuje się nie tylko modelowaniem i klasyfikacją form rzeźby terenu występujących na Marsie, ale także ich wizualizacją wykorzystującą nowoczene narzędzia i technologie tzw. silniki gier oraz rozszerzoną i wirtualną rzeczywistość. Silniki gier, takie jak Unreal Engine, stanowią wydajne środowisko do wizualizacji modelu rzeźby terenu Marsa opartego na danych MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter). Dane wysokościowe MOLA, o rozdzielczości przestrzennej ok. 463 m, pozwalają na generowanie modeli terenu (NMT) obejmujących całą planetę. Modele te mogą być importowane do silnika gry jako siatka 3D z nałożonymi teksturami barwnymi lub cieniowaniem hipsometrycznym. Unreal zapewnia zaawansowane oświetlenie, cieniowanie i efekty atmosferyczne, co umożliwia realistyczne odwzorowanie marsjańskiego krajobrazu – od rozległych równin po ripplemarki, kratery uderzeniowe, klify i kaniony – oraz swobodną nawigację i interakcję użytkownika w czasie rzeczywistym. Rozszerzeniem takiej wizualizacji jest zastosowanie technologii AR/VR, które zapewniają głęboko immersyjne doświadczenia fizycznej obecności na Czerwonej Planecie. W środowisku VR użytkownik może „stanąć” na powierzchni Marsa, oglądać szczegółową rzeźbę terenu i zmieniać perspektywę. Możliwy jest także „lot” nad wielokrotnie większym od Wielkiego Kanionu kanionem Valles Marineris czy też „wspinaczka” na najwyższą górę Układu Słonecznego – Olympus Mons. Zastosowanie tej technologii umożliwia też prezentowanie fragmentów modelu Marsa jako „hologramów” w przestrzeni rzeczywistej, np. w sali wykładowej, co sprzyja edukacji i popularyzacji badań planetarnych.

Nasz zespół oprócz globalnego modelu MOLA wykorzystuje także (a czasem także tworzy) znacznie dokładniejsze lokalne modele rzeźby terenu, opracowane na podstawie zdjęć HIRISE (rozdzielczość ok. 27 cm), a także modele opracowane na podstawie obrazów wykonanych przez marsjańskiego drona Ingenuity. Pozwala to na płynne przejście od przeglądu globalnej topografii planety do szczegółowych analiz wybranych obszarów, np. miejsc lądowań czy tras łazików NASA. Połączenie silników gier z danymi MOLA, HIRISE i obrazami z Ingenuity tworzy elastyczną platformę badawczą i edukacyjną, której pierwsze wyniki zostały zaprezentowane przez nasz zespół podczas Międzynarodowej Konferencji Kartograficznej w Vancouver w 2025 r.

Nasze badania związane z analizą możliwości wykorzystania danych obrazowych pozyskanych przez marsjański dron Ingenuity do tworzenia precyzyjnej ortofotomapy oraz numerycznego modelu rzeźby terenu realizowane są we współpracy z zespołem NASA Jet Propulsion Laboratory bezpośrednio związanym z misją Ingenuity.

Rój autonomicznych łazików i dronów

Zespół Politechniki Warszawskiej wraz z NASA i firmą FictionLab rozwija technologię roju autonomicznych mini-łazików i dronów, które mogą samodzielnie badać powierzchnię Marsa. Dzięki współpracy na wzór roju owadów, te niewielkie, tanie i inteligentne maszyny potrafią szybko wykonywać pomiary i tworzyć modele 3D terenu bez potrzeby zdalnego sterowania z Ziemi. Testy prowadzone są na specjalnym polu marsjańskim CENAGIS oraz w ekstremalnych warunkach Sahary i pustyni Atakama, przygotowując grunt pod nową erę eksploracji planetarnej.

Łaziki marsjańskie takiej jak Spirit, Opportunity, czy obecnie Perseverance któremu towarzyszy pierwszy pozaziemski dron – Ingenuity, pozwalają na dokonywanie pionierskich badań i pomiarów Czerwonej Planety. Jednak ze względu na ich wielkość, cenę i konieczność sterowania z Ziemi, badania te prowadzone są bardzo wolno. Łazik Opportunity pokonał dystans nieznacznie przekraczający 40 km w ciągu 15 lat. To był najwolniejszy maraton w historii Układu Słonecznego…

Przyspieszenie procesu naukowej eksploracji Marsa i wykonywania pomiarów na tej planecie wymaga zatem innego podejścia. Niezbędne jest skonstruowanie roju miniaturowych mini-łazików, które w sposób autonomiczny mogłyby realizować pomiary na czerwonej Planecie. Interdyscyplinarny Zespół Eksploracji Marsa PW we współpracy naukowej z partnerami z NASA (Ames Research Center oraz JPL), a także we współpracy technologicznej z polską firmą FictionLab, rozwija technologię „roju” autonomicznych łazików i dronów.

W ośrodku CENAGIS Politechniki Warszawskiej w Józefosławiu przygotowane zostało pole testowe odzwierciedlające występujące na Marsie formy rzeźby terenu – zarówno eoliczne (utworzone przez wiatr), jak i impaktowe, tzn. powstałe na skutej uderzenia meteorytów. Na naszym obiekcie testowane są autonomiczne mini łaziki, które współpracując ze sobą na wzór roju owadów wykonują pomiary rzeźby terenu czy też parametrów atmosferycznych. Nie wymagają ręcznego sterowania z odległości milionów kilometrów. Autonomicznie dzielą się zadaniami, są małe, lekkie i tanie. Potrafią znacznie szybciej pomierzyć dowolny obszar, unikając przy tym niebezpiecznych rejonów.

Dlaczego to takie ważne? Obecnie każdy ruch łazika NASA na Marsie wymaga ręcznego sterowania i przekazania instrukcji na odległość, którą biegnący z prędkością światła sygnał przebywa w ciągu wielu minut. Czy można w bardziej efektywny sposób naukowo eksplorować Marsa? Użycie roju małych łazików, które nie tylko poruszają się w sposób autonomiczny, ale i same potrafią podzielić się zadaniami pozwoli na wykonanie pomiarów i utworzenie modeli i map terenu wielokrotnie szybciej i taniej. Dodatkowo wykorzystanie roju łazików i współpracujących z nimi autonomicznych dronów pozwoli na łatwe tworzenie trójwymiarowych modeli rzeźby terenu w czasie zbliżonym do rzeczywistego.

Jako zespół naukowy PW bardzo cenimy współpracę z polską firmą Fictionlab, która wytwarza innowacyjne, wielozadaniowe łaziki. Wywodząca się z Wrocławia firma została założona przez zwycięzców prestiżowego konkursu łazików marsjańskich i głównymi partnerami są amerykańskie i europejskie instytucje naukowe. Politechnika Warszawska jest pierwszą polską uczelnią współpracującą z FictionLab.