As “rajadas de dados” da nuvem no espaço aproximam os astronautas de Marte e melhoram a vida na Terra

Quando Michael Collins espiou por um portal no módulo de comando da Apollo 11, que orbitava apenas a lua enquanto Neil Armstrong e Buzz Aldrin realizavam seu passeio histórico sob a Lua, ele viu um planeta azul e branco sem fronteiras. Ocorreu-lhe que os humanos teriam um futuro melhor se os líderes políticos também pudessem ver o mundo dessa forma, como um globo inteiro, e aprender a colaborar.

Mas ele não seria capaz de compartilhar suas famosas reflexões com o povo de seu país até que colocasse os pés de volta na Terra, em parte devido à conectividade muito limitada entre a espaçonave e o controle terrestre.

Engenheiros de software e pesquisadores de todas as empresas estão trabalhando juntos para mudar isso com uma nova parceria que visa melhorar a comunicação e permitir experimentos que impulsionarão os astronautas para o espaço enquanto melhoram a vida das pessoas na Terra. É tudo baseado em uma nova plataforma que inclui um supercomputador do tamanho de um pequeno forno de micro-ondas que se conecta à nuvem a partir do espaço.

“Cresci com o espaço no noticiário noturno e agora estamos de volta com uma nova corrida espacial, movida a novas tecnologias”, diz Christine Kretz, vice-presidente de programas e parcerias do Laboratório Nacional da Estação Espacial Internacional dos Estados Unidos. Os novos foguetes reutilizáveis ​​tornam a exploração espacial mais acessível e abrem para mais jogadores, diz ele, “e esse é o novo espaço. Derrubar rivalidades e divisões”.

A organização de Kretz tem sido liderada pela NASA, através do Congresso, para gerenciar o Laboratório Nacional dos Estados Unidos a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS), e seu trabalho é procurar grupos, de universidades a startups e gigantes da tecnologia, que “farão o melhor uso possível da tecnologia para esta espaçonave, que se tornou um laboratório flutuante que dá a volta ao mundo. ”

Remover a gravidade da equação fez uma enorme diferença para os cientistas que pesquisam de tudo, desde motores de combustão a sistemas de purificação de ar e tratamentos de câncer. Em seus 21 anos de ocupação humana, a estação espacial já hospedou mais de 3.000 experimentos, de mais de 4.000 pesquisadores, de mais de 100 países.

Com mais de centenas de ideias em andamento, os cientistas precisam de uma infraestrutura e conexão fortes para executar e acessar seus experimentos. É isso que a nova parceria entre a Hewlett Packard Enterprise (HPE) e a Microsoft, com o Azure Cloud and Environment Computing, pretende oferecer.

Até agora, os dados de pesquisa coletados da estação espacial eram transmitidos por gotículas, devido às prioridades concorrentes para a conectividade limitada disponível. Quando os pesquisadores obtiveram seus dados, já era tarde demais para fazer os ajustes necessários no processo de coleta ou reagir a quaisquer surpresas que pudessem surgir fora da influência da gravidade.

Essa conectividade restrita também pode atrasar a comunicação de decisões críticas aos astronautas, que muitas vezes precisam esperar que as informações cheguem ao controle terrestre e sejam analisadas e depois devolvidas com as informações necessárias.

Isso é bastante difícil com a estação espacial, cuja órbita está a 250 milhas acima da Terra. Mas a lua está quase mil vezes mais longe do que isso. E em sua posição orbital mais distante, Marte é um milhão de vezes essa distância. Portanto, as missões que vão mais longe no espaço sideral precisarão de mais poder de computação disponível para os astronautas e melhores canais para compartilhar informações.

A HPE já havia começado a projetar supercomputadores para a NASA usar no planejamento das missões. Então, a empresa pegou uma das centenas de servidores de computação de alto desempenho que compõem um supercomputador, certificou-se de que caberia em um foguete e, em seguida, testou para ver se ele poderia sobreviver ao tremor e chocalho de um lançamento, ser instalado por pessoas não treinadas e funcionar no espaço, onde os raios cósmicos dispersos podem transformar o 1s em 0s de um computador, ou vice-versa, e causar estragos no sistema.

Funcionou.

E agora, a segunda iteração, Spaceborne Computer-2, enviada à ISS em fevereiro, incorpora a abordagem comprovada da primeira missão, com um sistema muito mais avançado, que é projetado especificamente para ambientes hostis e para processamento de inteligência artificial e analítica, disse Mark Fernandez, investigador principal da HPE para o projeto.

O Spaceborne Computer-2 é poderoso o suficiente para fazer o trabalho de análise de dados na fonte de coleta, bem ali no espaço, com um processo chamado computação de ambiente. É como se sua mão enviasse informações para o cérebro e você tivesse que esperar a análise e a resposta antes de dar o sinal para sair do fogão quente e, então, de repente, você teria a capacidade de analisar a temperatura diretamente com a ponta do dedo e decidisse fazê-lo para recuar imediatamente com o calor.

Existem centenas de instrumentos na estação espacial, alguns que coletam dados constantemente e outros que requerem streaming de vídeo frequente. Reduzir a quantidade de dados que precisam ser transmitidos libera esse fluxo para mais experimentos científicos.

Ainda assim, cálculos mais longos devem ser enviados à Terra para obter ajuda.

Um dos experimentos que os parceiros estão realizando, por exemplo, atende às necessidades de saúde dos astronautas em missões espaciais mais longas. Os efeitos no corpo humano de estadias prolongadas no espaço não são totalmente compreendidos, portanto, a tecnologia que permite o monitoramento frequente das mudanças ao longo do tempo é de uma importância única.

Portanto, o experimento testa se os astronautas podem monitorar constantemente sua saúde em meio ao perigo potencial de exposição adicional à radiação a bordo de uma espaçonave, o que pode ser ainda mais arriscado quando um planeta como Marte está a sete meses de viagem sem tratamento médico. Os astronautas do experimento baixam seus genomas e os analisam em busca de anormalidades. Eles então são comparados ao banco de dados do Instituto Nacional de Saúde para descobrir se há novas mutações e se são benignas e a missão pode continuar, ou se são aquelas que estão frequentemente relacionadas ao câncer que podem exigir atenção imediata na Terra. É o teste definitivo da telemedicina que também é visto em locais remotos ao redor do mundo.

“O espaço está passando por um importante período de transformação.”

Mas o sequenciamento de um único genoma humano – cerca de 6 bilhões de caracteres – gera cerca de 200 gigabytes de dados brutos, e o Spaceborne Computer-2 recebe apenas duas horas de largura de banda de comunicação por semana para transmitir dados para a Terra, com uma velocidade máxima de download de 250 kilobytes por segundo. Isso é menos de 2 gigabytes por semana – nem mesmo o suficiente para baixar um filme da Netflix, o que significa que levaria dois anos para transmitir apenas um conjunto de dados genômicos.

“É como voltar a usar um modem dial-up na década de 1990”, diz David Weinstein, diretor sênior de engenharia de software da divisão Azure Space da Microsoft, que foi criada no ano passado para oferecer suporte àqueles que já estão no setor, integrando sua nuvem com plataformas de satélite de outras empresas.

Portanto, a equipe de Weinstein desenvolveu a ideia de mudar o que muitas organizações fazem agora, quando ficam sem espaço para cálculos em seus próprios sistemas de TI e temporariamente “estouram” o armazenamento da nuvem; é o mesmo padrão, diz ele, só que atinge a nuvem do espaço. Quando a estação espacial fica sem espaço de computação durante um experimento, ela automaticamente entra na enorme rede de computadores Azure para obter ajuda, conectar o espaço à Terra e resolver o problema na nuvem.

O Spaceborne Computer-2 pode rastrear dados a bordo, seguir o código escrito por engenheiros para encontrar eventos ou anomalias que precisam de escrutínio adicional, como mutações, no caso do experimento do genoma, e então pode enviar apenas esses bits de volta para a Terra e para Azure, em vez de trabalhar para enviar bilhões de dados. A partir daí, os cientistas em qualquer lugar do mundo podem usar o poder da computação em nuvem para executar seus algoritmos para análise e decisões, acessando milhões de computadores funcionando em paralelo e conectados por 165.000 milhas de cabos de fibra óptica, que conectam data centers do Azure espalhados por 65 regiões ao redor o mundo.

Fernández se lembra de ter ouvido sobre as frustrações de um pesquisador de que demoraria meses para obter seus dados da estação espacial. Ele se ofereceu para ajudar, e a Spaceborne Computer processou seu conjunto de dados em seis minutos, compactou-o e baixou um arquivo 20.000 vezes menor, diz ele.

“Assim, passamos de meses para minutos”, diz Fernández. “E foi então que a lâmpada apagou.”

A velocidade é ainda mais importante porque o Congresso autorizou apenas um orçamento para a estação espacial até 2024.

“Temos que fazer tudo o que pudermos no tempo que nos resta”, diz Kretz.

A HPE concluiu quatro experimentos iniciais até agora, incluindo o envio de dados para a nuvem da Microsoft, com uma mensagem bem-sucedida de “olá, mundo”, e tem outros quatro em andamento e outros 29 na fila, diz Fernandez. Alguns dos testes têm a ver com saúde, como o experimento do genoma e a transmissão de ultrassonografias e raios-x dos astronautas. Outros estão nas ciências da vida, como analisar colheitas a bordo para missões mais longas para determinar se uma batata de aparência estranha está apenas deformada devido à falta de gravidade, uma nova variável na biologia, ou está infectada com algo e precisa ser destruída. E outros lidam com viagens espaciais e comunicações satélite a satélite.

A atividade e a exploração do espaço têm um grande impacto na vida diária na Terra, seja por internet banda larga ou sinais de GPS de satélites que fornecem sinais de navegação e cronometragem, como os de redes financeiras para que um motorista passe seu cartão de crédito em um posto de gasolina. E as limitações das espaçonaves, que estão ficando menores e mais potentes, mas ainda precisam ser leves e totalmente autônomas, forçam os engenheiros e desenvolvedores a repensar as suposições sobre seus projetos.

Isso impulsiona inovações que levam a avanços na ciência aplicada com uma variedade de utilizações no terreno, diz Steve Kitay, que foi subsecretário adjunto para política espacial no Departamento de Defesa dos EUA antes de ingressar na Microsoft no ano passado para liderar o Azure. E o impacto disparou desde que a SpaceX e outras empresas introduziram novos foguetes, diz ele, incluindo alguns que podem ser reutilizados, reduzindo significativamente o custo de lançamento.

“Estamos de volta com uma nova corrida espacial, movida por uma nova tecnologia.”

“O espaço está passando por um importante período de transformação”, diz Kitay. “Em um nível histórico, tem sido um ambiente dominado pelos principais estados e governos, porque era muito caro construir e lançar sistemas espaciais. Mas o que está acontecendo agora é uma rápida comercialização do espaço que abre novas oportunidades para muitos mais protagonistas”.

O novo uso de software de código aberto, com código que é público para qualquer programador desenvolver e personalizar, tornou mais fácil criar programas que podem ser executados na estação espacial, diz Glenn Musa, engenheiro de software sênior do Azure Space. E como o Spaceborne Computer-2 tem uma conexão Azure com as mesmas ferramentas e linguagens padrão dos computadores na Terra, ele diz, os desenvolvedores “não precisam mais ser engenheiros espaciais especiais ou cientistas de foguetes” para criar aplicativos para a ISS, é possível fazer isso com as habilidades de um estudante de ciência da computação do ensino médio.

Os que trabalham na exploração do espaço hoje “nasceram tarde demais para a corrida espacial do século passado, mas cedo demais para se aventurar no espaço em nossa própria espaçonave”, diz Musa. “Mas assim que conseguirmos conectar dispositivos do espaço aos computadores que temos aqui na Terra, abrimos uma grande caixa de areia, vamos poder fazer parte da experimentação no espaço e do desenvolvimento de novas tecnologias que usaremos no futuro”.

“Isso não era possível antes, mas agora as possibilidades são infinitas.”