Enquanto a NASA se prepara para uma presença humana sustentada na Lua, as missões precisarão cada vez mais de naves espaciais capazes de navegar e se comunicar sem uma conexão direta com a Terra.
O experimento de Operações e Navegação do Sistema de Posicionamento Autônomo Cislunar da NASA, ou CAPSTONE, validou e avançou essas capacidades.
Projetada para testar e validar tecnologias em órbita lunar, a CAPSTONE foi lançada em junho de 2022 e se tornou a primeira missão comercial dos EUA na Lua. A nave espacial testou operações em órbitas de três corpos ao redor da Lua, usando a gravidade combinada da Terra e da Lua para reduzir o combustível necessário para manter um caminho lunar estável. Ela se tornou a primeira nave espacial a voar e caracterizar essa órbita para futuras missões de exploração e de ciência. De propriedade e operação da Advanced Space, a nave espacial do tamanho de um micro-ondas recebeu então uma extensão de missão de 15 meses, tornando-se uma plataforma de testes para comunicações avançadas, redes, navegação autônoma e tecnologias de satélite definidas por software.
Dylan Schmidt, líder de integração e testes de montagem da CAPSTONE, à direita, e Lachlan Moore, engenheiro de integração de sistemas, à esquerda, instalam painéis solares na nave espacial CAPSTONE na Tyvak Nano-Satellite Systems, Inc., em Irvine, Califórnia.
NASA/Dominic Hart
Em vez de lançar um novo satélite, a Diretoria de Missões de Pesquisa e Tecnologia da NASA demonstrou que o hardware existente da CAPSTONE poderia receber novas aplicações após o lançamento, transformando a nave espacial em uma plataforma de demonstração lunar de tecnologia flexível e com custo-benefício. A divisão SCaN (Space Communications and Navigation) da NASA agora usará os dados para demonstrar técnicas inovadoras de redes e navegação em futuros experimentos.
“Operar múltiplos experimentos simultaneamente a bordo da mesma nave espacial permite que a NASA avalie como essas tecnologias se comportam em conjunto em um ambiente lunar real”, disse Greg Stover, diretor da Divisão de Pesquisa e Tecnologia Avançada dentro da Diretoria de Missões de Pesquisa e Tecnologia da NASA, na sede da agência em Washington. “Investimentos em operações autônomas e em uma infraestrutura de comunicações resiliente são essenciais para garantir a liderança dos EUA à medida que as atividades em torno da Lua continuam a aumentar.”
Dois experimentos a bordo da CAPSTONE usaram infraestrutura definida por software para avançar dois itens essenciais para missões futuras: navegação autônoma e comunicações em espaço profundo. O software de Navegação, Guiagem e Controle autônomos, ou autoNGC, foi projetado para permitir que uma nave espacial determine onde está, para onde está indo e como chegar ao local necessário sem esperar instruções do solo. Embora partes do software já tivessem voado anteriormente em órbita terrestre, a CAPSTONE marcou a primeira vez que o autoNGC foi testado na Lua.
“Para realmente demonstrar que algo funciona, você precisa voar com isso”, disse Sun Hur-Diaz, investigador principal do projeto de desenvolvimento da tecnologia autoNGC no Goddard Space Flight Center da NASA, em Greenbelt, Maryland. “O ambiente real é a chave.”
Os pesquisadores também avaliaram como o autoNGC se comportou com contato limitado com a Terra. Enquanto as antenas da Deep Space Network apoiavam o voo de teste tripulado da Artemis II em torno da Lua, a janela de comunicações da CAPSTONE caiu para apenas algumas passagens por semana.
Essas lacunas se tornaram um dos testes mais valiosos do experimento. Sem dados da Terra, o autoNGC determinou a localização da CAPSTONE usando uma câmera de star tracker a bordo para imagear a Lua, a Terra e outros corpos celestes. O sistema baseado em câmera, conhecido como navegação óptica, em alguns momentos superou métodos baseados no solo para navegação a bordo em tempo real, avançando tecnologias para futuras missões em espaço profundo.
Além dos testes de navegação autônoma, a CAPSTONE também testou redes tolerantes a atraso/interrupção (DTN), uma arquitetura de comunicações voltada para espaço profundo. Diferentemente de sistemas de internet baseados na Terra, comunicações em espaço profundo precisam funcionar apesar de longos atrasos e de falhas frequentes de sinal. O sistema DTN enfrenta esses desafios armazenando informações na nave espacial quando não há conexão disponível e as encaminhando automaticamente quando as comunicações são restabelecidas. Com essas demonstrações, a CAPSTONE se tornou a primeira a voar os mais recentes protocolos DTN além da órbita terrestre e a primeira a executá-los no Flight System central da NASA, uma estrutura de código aberto que pode ser implementada em qualquer nave espacial.
Em uma demonstração, engenheiros começaram a transmitir dados da CAPSTONE para a Terra, mas a conexão terminou antes de a transferência ser concluída. A nave espacial armazenou os dados restantes até a próxima oportunidade de comunicações, e a transmissão foi retomada automaticamente. Cada pedaço de dado chegou ao destino.
Renderização artística mostrando astronautas, habitats, rovers, sistemas de energia e operações de carga apoiando atividades humanas sustentadas na Base Lunar próxima ao polo sul lunar. As tecnologias que a CAPSTONE testou podem ser fundamentais para a crescente infraestrutura de comunicações e navegação lunar da NASA.
NASA
“Você pode imaginar um astronauta caminhando atrás de uma colina lunar ou descendo para uma cratera e perdendo temporariamente a conectividade”, disse Ben Anderson, engenheiro de sistemas da Near Space Network no Goddard Space Flight Center da NASA, em Greenbelt, Maryland. “Essa tecnologia permite que esses dados sejam retransmitidos automaticamente assim que as comunicações forem restabelecidas.”
Além de suas principais conquistas, a segunda vida da CAPSTONE como plataforma de testes definida por software demonstrou que novas tecnologias podem ser testadas e comprovadas de forma acessível diretamente em seu ambiente operacional.
Após quase quatro anos de amadurecimento tecnológico, as atividades da NASA na CAPSTONE foram encerradas em junho de 2026, enquanto a Advanced Space continuará a usar a nave espacial como plataforma de testes para desenvolvimento de tecnologia.
A nave espacial CAPSTONE foi projetada e construída pela Terran Orbital e é de propriedade e operada pela Advanced Space. A Diretoria de Missões de Pesquisa e Tecnologia da NASA gerenciou a missão pelo programa Small Spacecraft and Distributed Systems, com base no Ames Research Center da NASA, no Vale do Silício, na Califórnia. Elementos do conjunto de tecnologias da CAPSTONE foram apoiados pelo programa Small Business Innovation Research da NASA. As demonstrações do autoNGC e do DTN realizadas durante a missão estendida da CAPSTONE foram gerenciadas pela divisão SCaN da NASA, com base na sede da agência em Washington.