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 Cislunar Autônomo da NASA, ou CAPSTONE, validou e aprimorou 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 espaçonave 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 uma trajetória lunar estável. Ela se tornou a primeira espaçonave a voar e caracterizar essa órbita para futuras missões de exploração e de ciência. De propriedade e operada pela Advanced Space, a espaçonave do tamanho de um micro-ondas recebeu então uma extensão de missão de 15 meses, tornando-se uma base de testes para comunicações avançadas, redes, navegação autônoma e tecnologias de satélite definidas por software.
---BLOCO---
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 espaçonave 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 espaçonave em uma plataforma de demonstração de tecnologia lunar flexível e de baixo custo. A divisão da NASA SCaN (Space Communications and Navigation) usará agora os dados para demonstrar técnicas inovadoras de redes e navegação em futuros experimentos.
“Operar múltiplos experimentos simultaneamente a bordo da mesma espaçonave permite que a NASA avalie como essas tecnologias se comportam em conjunto em um ambiente lunar real”, disse Greg Stover, diretor da Advanced Research and Technology Division 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 de espaço profundo. O software de Navegação, Orientação e Controle autônomos, ou autoNGC, foi desenvolvido para permitir que uma espaçonave determine onde está, para onde está indo e como chegar onde precisa 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 colocá-lo para voar”, disse Sun Hur-Diaz, investigador principal do projeto de desenvolvimento da tecnologia autoNGC no NASA Goddard Space Flight Center, em Greenbelt, Maryland. “O ambiente real é a chave.”
To really demonstrate that something works you have to fly it. The real environment is key.
Sun Hur-Diaz
Investigador Principal do Projeto autoNGC, NASA Goddard Space Flight Center
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 alguns contatos 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 rastreador de estrelas 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 de espaço profundo.
Além dos testes de navegação autônoma, a CAPSTONE também testou redes tolerantes a atrasos/interrupções (DTN), uma arquitetura de comunicações projetada para o espaço profundo. Diferentemente dos sistemas de internet baseados na Terra, as comunicações de espaço profundo precisam funcionar apesar de longos atrasos e de falhas frequentes de sinal. O sistema DTN enfrenta esses desafios armazenando informações na espaçonave 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 sistema central de voo da NASA, um arcabouço de código aberto que pode ser implementado em qualquer espaçonave.
Em uma demonstração, os engenheiros começaram a transmitir dados da CAPSTONE para a Terra, mas a conexão foi encerrada antes de a transferência ser concluída. A espaçonave armazenou os dados restantes até a próxima oportunidade de comunicações, e a transmissão foi retomada automaticamente. Cada pedaço de dado chegou ao destino.
---BLOCO---
Ilustração artística mostrando astronautas, habitats, rovers e sistemas de energia, além de operações de carga que apoiam atividades humanas sustentadas na Base Lunar perto do polo sul lunar. As tecnologias que a CAPSTONE testou podem ser fundamentais para a infraestrutura crescente 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 NASA Goddard Space Flight Center, 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 da tecnologia, as atividades da NASA na CAPSTONE foram concluídas em junho de 2026, enquanto a Advanced Space continuará a usar a espaçonave como base de testes para desenvolvimento de tecnologia.
A espaçonave 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, sediado no NASA Ames Research Center, na Califórnia, no Vale do Silício. Elementos do conjunto de tecnologias da CAPSTONE foram apoiados pelo programa Small Business Innovation Research da NASA. As demonstrações de autoNGC e DTN realizadas durante a missão estendida foram gerenciadas pela divisão da NASA SCaN, sediada na sede da agência em Washington.
