Космические технологии в наших смартфонах
Если бы любой современный смартфон каким-то чудом оказался в середине 1960-х, его происхождение скорее всего связали бы с космосом, а точнее, приняли бы за инопланетное изобретение. И никому бы в голову не пришло, что разработка этого самого смартфона уже началась. Значительная часть технологий, используемых сегодня в любом гаджете, изначально разрабатывалась для той или иной космической программы…
Микропроцессор: детище лунной программы
Основой каждого современного девайса является CPU — центральный процессор, отвечающий за обработку данных. Если точнее, то это микропроцессор — процессор, состоящий из одной интегральной микросхемы. И если первые процессоры появились в середине 1940-х после описания Джоном фон Нейманом последовательной обработки данных, то их уменьшение до размеров одной схемы было предопределено космической программой «Аполлон».
Один из первых коммерческих микропроцессоров
Подобная эволюция более чем логична: полёты в космос требуют не только максимальной производительности, но и минимальной сложности конструкции.
Справедливости ради отметим, что крайне важным было применение микропроцессоров и в военном деле, однако для космической программы оно было не просто важным — определяющим. Процессоры в классическом виде были малопригодны для отправки в космос. Поэтому именно в бортовых компьютерах «Аполлонов» (Apollo Guidance Computer, AGC) впервые использовались микросхемы.
Процессор работал на частоте 2 МГц, а объём оперативной памяти составлял 64 КБ. Как мы знаем, таких смешных по сегодняшним меркам характеристик хватило для успешного проведения лунной миссии «Аполлон-11».
Бортовой компьютер «Аполлона-11»
Датой рождения процессора AGC можно считать август 1966 года, а первая потребительская электроника (калькуляторы), работающая на микропроцессорах, появилась только в 1970-х. С годами микропроцессоры становились всё более миниатюрными, до тех пор, пока наконец не поместились в наладонные компьютеры в 2000-х, откуда и перекочевали в смартфоны.
Фотоматрица CMOS: от марсохода до смартфона
Несколько менее важным элементом, без которого всё же нельзя представить себе ни одно современное мобильное устройство, является камера. Никогда не задумывались, за счёт чего крошечный, пусть даже слегка выпирающий за пределы корпуса объектив способен фиксировать изображение, значительно превосходящее по качеству и разрешению любую фотографию, сделанную до 1990-х годов? Всё дело в КМОП — CMOS-матрице, размер которой и определяется миллионами пикселей, или мегапикселями.
Аббревиатура CMOS переводится и расшифровывается как «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник» и представляет собой технологию построения микросхем. Главное их преимущество — светочувствительность — стало востребованным только в середине 1990-х, когда технологии доросли до производства достаточно миниатюрных электронных компонентов.
По сути, CMOS-матрица — это микросхема, которая способна принимать и обрабатывать световые импульсы. И впервые такая матрица была создана сотрудником лаборатории NASA Эриком Фоссумом в рамках ряда экспериментов с технологией.
Она обладала рядом неоспоримых преимуществ: меньшие размеры, меньшее энергопотребление, большая светочувствительность по сравнению с существующими решениями.
Уже в 1995 году Эрик Фоссум сообразил, насколько перспективна данная технология не только в науке, но и в жизни, и создал компанию Photobit, занимающуюся производством и продажей сенсоров. А начиная с конца 1990-х камеры с CMOS-матрицами устанавливались во все космические аппараты NASA. В частности, знаменитые селфи марсоходов сняты на камеры именно с таким сенсором.
«Селфи» марсохода Curiosity
К слову, подобные фотографии сделаны с помощью манипуляторов, которые можно назвать отдалёнными предками моноподов, или в просторечии — селфи-палок.
GPS и ГЛОНАСС: подарок от военных
«Маршрут до дома построен» — сегодня мало кто задумывается над тем, что предшествует этой радостной новости, которую сообщает навигатор.
А происходит вот что: устройство при посредничестве многочисленных антенн и ретрансляторов получает данные о местонахождении спутников GPS, или ГЛОНАСС, или, например, Beidou. Далее программа обрабатывает данные: показывает пользователю текущее местоположение и рассчитывает дорогу домой.
Суть технологии очень проста и представляет собой частный случай эффекта Допплера: при приближении спутника сигнал на приёмник от него приходит чаще. Таким образом, зная точное местоположение и скорость спутника, можно без проблем узнать свои координаты и скорость. Технология стала полноценно применяться только в 1970-1980-е годы, когда был запущен первый блок GPS-спутников.
Первоначально GPS был сугубо военным проектом. Но после трагедии 1983 года, когда советским истребителем был сбит по ошибке залетевший на территорию СССР южнокорейский Боинг-747 с 269 людьми на борту, Рональд Рейган разрешил использование системы для гражданских целей по всему миру.
Необходимо упомянуть, что система ГЛОНАСС также изначально применялась исключительно в военных целях и была открыта для гражданского использования только в конце 2000-х.
Скафандр для гаджета
С тех пор как мобильные технологии распространились по всему миру, перед пользователями встал важный вопрос: как защитить своё устройство от переохлаждения или перегрева в тяжёлых температурных условиях?
Ответ нашёлся в виде «космического покрывала» — специального металлизированного материала, созданного NASA ещё в 1960-е годы для защиты от перепадов температур и радиации. Американец Ник Блэнтон вместе с другом из NASA Иглом Скоттом придумал использовать это покрытие для создания специальных защитных чехлов для смартфонов, планшетов и ноутбуков.
«Космическое покрывало» в сложенном виде
В 2014 году они запустили кампанию на «Кикстартере», собрали более $28000 и организовали продажу защитных чехлов под брендом Salt Cases. По уверению создателей, кейсы способны защитить девайсы от температуры ниже -32 °C и выше +95 °C.
Космическое качество домашних дисплеев
Экран смартфона — главный посредник при взаимодействии пользователя с мобильным гаджетом, поэтому крайне важно, чтобы он точно передавал цвета, не искажал их при отклонении от оси взгляда и так далее. Специально для этого каждое устройство проходит множество тестов, и один из них — TrueTest — использует измерительные приборы — колориметры, созданные под эгидой NASA.
Они разрабатывались для космических аппаратов (спутников и роверов), однако довольно быстро учёный из NASA Эндрю Уотсон придумал алгоритм, позволяющий сравнительно легко и точно выявить дефекты дисплеев, теперь он используется в сфере потребительской электроники.
Колориметр, используемый при тестировании TrueTest
«Облачные» сервисы: родом из туманности
Разработки в рамках космических программ повлияли не только на «железо», которым мы пользуемся, но и на софт. В 2008 году была представлена первая облачная технология — NASA.net, также известная как Nebula (туманность). В сущности она являлась внутренним веб-сервисом, по запросу удалённо предоставляющим услуги исследователям и разработчикам: доступ к базе данных, вычислительным мощностям и хранилищам NASA.
Очень быстро стала очевидна перспективность данного направления, и в июле 2010 года команда исследовательского центра NASA представила OpenStack — открытый инструментарий для разработки облачных сервисов. На сегодняшний день технологии OpenStack используются более чем 500 компаниями, включая Google, IBM, AMD, AT&T, Huawei и другими.
Подробная структура сервиса OpenStack.
Кстати, OpenStack — не единственная разработка NASA в данной сфере. Как известно, начиная с конца 1990-х годов космическое агентство выкладывает в открытый доступ все данные со своих космических аппаратов: фотоснимки, телеметрию, научные данные и тому подобное.
С годами объём информации и количество внешних запросов росло, что привело к разработке облачного сервиса NASA Earth Exchange, или NEX. Его функциональность ограничивалась доступом к базам данных NASA и вычислительным ресурсам суперкомпьютера Pleiades.
В 2013 году NASA и Amazon Web Services объявили о совместном проекте OpenNEX, в рамках которого Amazon открыто разместит на своих серверах геологические, радиометрические и климатические данные, полученные в ходе космических исследований с 1970 по 2005 годы.
Работают ли мобильные технологии в космосе?
Если вы подумываете слетать в отпуск на МКС, то вас наверняка интересует, будут ли там корректно работать мобильные устройства. Забегая вперёд, скажем: сами по себе будут, а вот их отдельные модули — нет.
Хорошо известно, что ноутбуки являются основными рабочими «машинами» на МКС, а для личных целей космонавты используют планшеты, в основном производства Apple (преимущественно американцы) или Samsung (русские). Пользоваться смартфонами на орбите фактически бесполезно: там банально нет сотовой связи — ни LTE, ни даже захудалого GPRS. То есть это будет планшет с очень маленьким экраном.
GPS или ГЛОНАСС-приёмник тоже не сыграет особой роли. Возможно, он и смог бы зафиксировать ваши координаты посредством спутников (с точки зрения физики этому ничто не препятствует), если бы не искусственное ограничение. Ни один потребительский GPS-приёмник не способен обрабатывать сигнал, если он движется быстрее 1900 км/ч или находится выше 18 км от поверхности Земли.
Ограничение введено во избежание использования приёмников GPS в ракетах потенциальными противниками. В свою очередь, МКС движется со скоростью примерно 27576 км/ч на высоте около 400 км. Впрочем, если вы каким-то образом окажетесь на борту станции, проще будет воспользоваться бортовой телеметрией — свой GPS-приёмник и не понадобится.
Отметим, что технология взаимной ориентации групп спутников признана перспективной после эксперимента 1998 года, когда с помощью только GPS-позиционирования была произведена успешная стыковка японских «Орихиме» и «Хикобоши».
Если брать с собой девайс для развлечений, то с книгами, музыкой и фильмами, конечно, никаких проблем не возникнет. Возможно, даже выйдет подключиться к спутниковому Интернету через внешний роутер.
Впрочем, поиграть в игры, требующие гироскоп, получится. Этот датчик определяет положение устройства в пространстве, основываясь только на массе элементов в микроэлектромеханической схеме и частоте их колебаний. И акселерометр, считывающий ускорение гаджета, на МКС будет вполне работоспособен.
Важно знать и то, что если вдруг вы заблудитесь на МКС, то встроенный датчик Холла, или магнитометр, вам не поможет (впрочем, как и самый обычный компас): магнитное поле на станции крайне слабое и нестабильное, поэтому стрелка точно не укажет, где север, а где юг.
Зачем смартфоны отправляют в космос?
Логичный вопрос: если вычислительные мощности первых бортовых компьютеров были столь небольшими, значит, для управления космическим кораблём теоретически можно использовать обычный смартфон или планшет, как в Star Trek?
Всё-таки в космосе нужна специализированная электроника, заточенная под особые задачи — и выполняющая их хорошо. Но для вспомогательных целей концепция универсального вычислительного устройства вполне применима.
Так, в 2012 году исследовательский центр NASA представил набор датчиков NODE, позволяющий определить состав любого вещества, точнее, выявить наличие или отсутствие тех или иных компонентов. Отличие от аналогичных устройств — то, что за обработку данных отвечает обыкновенный смартфон, работающий на базе iOS или Android.
Датчик NODE в работе
Девайс подключается к датчикам по Bluetooth, получает, интерпретирует и выводит информацию на экран. Это позволяет существенно упростить конструкцию датчиков, а также изрядно увеличить время работы от одного заряда АКБ. Данные показатели могут принципиально облегчить научно-исследовательские разработки в космосе.
Тем не менее на сегодняшний день ноутбуки остаются основными рабочими инструментами в космосе: они более мощные и функциональные.
Работа за ноутбуком на МКС
Однако всё может измениться в течение нескольких лет. Возможно, не за горами день, когда, например, Илон Маск представит софтверное решение для космической отрасли, аналогичное такому для автомобилей Tesla.
Смартфоны, побывавшие в космосе
Управление космическими аппаратами — не единственное, для чего может сгодиться современный мощный гаджет. Он даже способен стать (и уже несколько раз становился) частью одного из спутников.
В апреле 2013 года на орбиту Земли были выведены три аппарата, основу которых составляли самые обычные смартфоны Google Nexus, защищённые от радиации и больше никак не изменённые. Проект называется PhoneSat и является ответвлением от проекта CubeSat, в рамках которого на низкую околоземную орбиту (примерно 350 км от поверхности) выводятся небольшие спутники размером 10х10х10 см и весом около 1 кг.
PhoneSat на орбите Земли
Первые три спутника пробыли на орбите неделю и передали на Землю несколько фотографий и данные телеметрии. Последний спутник, запущенный в апреле 2014 года, PhoneSat 2.5, проработал на орбите целых шесть недель. Однако после этого проект заглох, вероятнее всего, из-за того, что выгоднее использовать в спутниках специально созданные для космоса системы, а не адаптировать потребительскую электронику.
Однако идея запускать аппараты в космос оказалась перспективной с рекламной точки зрения. Для демонстрации возможностей камеры своего нового флагмана компания LG отправила в стратосферу модель G2. Nokia пошла чуть дальше и записала на видео не только взлёт, но и падение девайса, которое длилось 27 с половиной минут. Что из этого получилось, можно увидеть на видео.
https://www.youtube.com/watch?v=cn6Jhta861g
Великий Рэй Брэдбери незадолго до своей смерти говорил: «...люди — идиоты. Они сделали кучу глупостей: придумывали костюмы для собак, должность рекламного менеджера и штуки вроде iPhone, не получив взамен ничего, кроме кислого послевкусия. А вот если бы мы развивали науку, осваивали Луну, Марс, Венеру...».
Безусловно, он был прав как фантаст, писавший и говоривший не о технологиях, но о людях. Но оказалось, что «штуки вроде iPhone» и освоение космоса связаны теснее, чем можно было предполагать. Не исключено, что не за горами то время, когда количество перерастёт в качество, и отправленный в космос смартфон действительно поможет выжить первым поселенцам на Марсе.
Автор текста: Макс Дворак, 4pda.ru