Linux nas incursões espaciais americanas no século 21

295 | Uma reflexão sobre as publicações científicas e a aderência brasileira ao paradigma da indústria 4.0 A Revista Processando o Saber (eISSN: 2179-5150) é publicada pela FATEC Praia Grande Multidisciplinar - Revisão por pares - Acesso aberto - www.fatecpg.edu.br/revista - [email protected] eISSN 2179-5150 FATEC Praia Grande • fatecpg.edu.br/revista submetido: Jan/2021 • aceito: Mar/2021 • publicado: Jun/2021 Uma imagem contendo Interface gráfica do usuário Descrição gerada automaticamente Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Linux in american space forays into the 21st century Marcos Paulo da Rocha Moura Miúdo [email protected] Simone Maria Viana Romano [email protected] Angelo Werthmuller Fondello Silva [email protected] RESUMO A tecnologia espacial é um dos setores que mais investe em automação e integração de estruturas e equipamentos. Envolvendo um enorme número de empresas diferentes, sempre apresentou um desafio entre integração de software e hardware das mais diversas áreas. Os computadores necessários para controlar e processar toda essa estrutura necessitam ser ágeis, confiáveis e capazes de executar todos os desafios propostos por esta tecnologia. Controlando estes computadores, o sistema operacional Linux mostrou-se capaz de realizar esta missão, sendo atualmente utilizado nos grandes foguetes reutilizáveis ou em drones sob solo marciano. Este estudo exploratório, realizado como revisão bibliográfica, destaca a aplicação do Linux, assim como a tecnologia espacial e seus desafios. Os dados obtidos durante a pesquisa possibilitaram afirmar que a NASA e a SpaceX mudaram a forma como equipes e empresas atuam nas missões espaciais. O Linux vem permitindo que equipes de cientistas em universidades ou empresas de tecnologia de pequeno porte atuem de forma importante para o sucesso da nova era espacial. A missão espacial DM-2 ocorrida em maio de 2020, é a prova do sucesso da utilização do Linux. PALAVRAS-CHAVE: NASA. Linux. SpaceX. Espaço. ABSTRACT Space technology is one of the sectors that most invests in automation and integration of structures and equipment. Involving a huge number of different companies, it has always presented a challenge between integrating software and hardware from the most diverse areas. The computers needed to control and process this entire structure need to be agile, reliable and able to perform all challenges. The Linux operating system proved to be capable of accomplishing this mission, and is currently used in large reusable rockets or drones under Martian soil. This study, carried out with a bibliographic review, highlights the history and increase in the application of Linux, as well as space technology and its great challenges. The data obtained make it possible to state that NASA and SpaceX have changed the way teams and companies operate in space missions. Linux has enabled teams of scientists at universities or high-tech companies, but small, without large resources, to act in a vital way for the success of the new space age. The DM-2 space mission, from May 30, 2020, became proof of the success of using Linux. KEY-WORDS: NASA. Linux. SpaceX. Space. 296 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 INTRODUÇÃO O século XXI é um ponto marcante da história em relação aos equipamentos, e independente da área, sempre haverá alguma tecnologia nos auxiliando. No mundo, a inovação é importante, pois sem ela uma tecnologia pode ficar ultrapassada. A maioria dos equipamentos possuem, em comum, um sistema operacional. Este sistema interage com diversos componentes e acessórios, o hardware do computador. Seja nos equipamentos diversos ou nos computadores, é possível dizer que há uma falta de confiança e conhecimento para sistemas operacionais gratuitos. Apesar disto, o Linux, um sistema operacional open source e gratuito, apresentou um crescimento em 2020, em parte, por causa do encerramento do suporte ao popular Windows 7 (uma versão do sistema operacional Windows, desenvolvido pela empresa Microsoft em 1985) (W3SCHOOLS, 2020). O presente trabalho tem como objetivo estudar o sistema operacional Linux e sua aplicação tecnológica na área espacial, demonstrando a confiança no uso deste sistema em programas especiais, dado o perigo que uma falha nesta tecnologia acarretaria, incluindo prejuízos físicos, ambientas e humanos, muitas vezes irreversíveis. A segurança e a alta performance exigida para o sucesso de uma missão espacial requer atenção em todos os detalhes, incluindo os sistemas operacionais integrados aos milhares de componentes de uma nave espacial. Este artigo, por meio de uma pesquisa exploratória e de revisão bibliográfica em artigos referentes a utilização do Linux na engenharia espacial, revela a evolução deste sistema operacional, assim como a ampliação de sua utilização e versatilidade, apontado que o Linux está cada vez mais predominante na tecnologia espacial. Para isso, será primeiramente contextualizado o tema, mostrando um pouco da história da exploração espacial; posteriormente serão detalhadas as especificações técnicas e composição do Linux. Em seguida, será descrito o início do uso do sistema e como ele foi escolhido e utilizado na maior agência espacial do planeta. Em destaque, o voo da SpaceX (Space Exploration Technologies Corp, uma empresa americana com foco em veículos e aeronaves espaciais), que já é um marco histórico, foi realizado utilizando Linux e outras tecnologias de código livre. 297 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 1. CONCEITOS INICIAIS O homem observa as estrelas desde o princípio dos tempos e, com a evolução tecnológica, foi possível aperfeiçoar o conhecimento dessa área com lunetas, telescópios; hoje, existem grandes observatórios espaciais desvendado o espaço. Ao longo do tempo, apenas observar de longe, tornou-se algo insuficiente para o ser humano. Então foram idealizados e criados os satélites artificiais, que nada mais são do que dispositivos com determinadas funcionalidades que foram lançados ao espaço pela raça humana a fim de contemplar diversos objetivos dos governos, tais como monitoramentos, implementações de conexão, mapeamento de dados científicos entre muitas outras utilizações. Observar o espaço de perto já era uma realidade, então foram surgindo ideias de expedições espaciais. Com tanta curiosidade e avanços nesta área, o homem precisava de mais segurança, confiabilidade, otimização e uma melhor manutenção para realizar estas expedições. Uma vez que a área de tecnologia requer a utilização de vários termos técnicos neste artigo, é importante que sejam abordados alguns conceitos voltados para a funcionalidade prática dos componentes de informática e outros conceitos relacionados ao tema e suas aplicações. Esses conceitos são o kernel e o sistema operacional. Um exemplo de sistema operacional, é o Windows, um sistema muito conhecido por estar instalado na maioria dos computadores. O nome kernel vem do inglês, e significa “núcleo”. Em linhas gerais, o kernel é o “cérebro” do computador. Peça fundamental dos sistemas operacionais, ele é a ligação entre o processamento dos dados e os programas. Mesmo estando presente no Windows e no MacOS, por exemplo, ele ficou mais conhecido com o desenvolvimento do Linux. (SACRAMENTO, 2014). Outro exemplo de sistema operacional é o Macintosh Operating System (MacOS), sistema operacional usado e desenvolvido pela empresa norte americana Apple, difundido e usado nos MacBooks (notebooks da marca Apple) e iPhones (celulares da marca Apple), ou ainda é possível citar o Android (um sistema operacional de smartphones, o Android é baseado no Kernel Linux) como outra opção de sistemas operacionais. Seguindo uma linha de raciocínio parecida, Plaza (2014) afirma que: “podemos definir o sistema operacional como um software primário que opera entre o hardware do dispositivo e milhares de outros software, os aplicativos”. Fazendo uma analogia, pode-se comparar uma nave espacial a um sistema operacional, pois, é um artefato ou veículo que uma pessoa consegue ver (parte visual) e manipular (parte de sistema e controles). Mas, para que essa nave possa ser controlada e manipulada para 298 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 funcionar corretamente, ela precisa de um motor. Esse motor da nave seria o kernel, sendo a parte lógica por trás do sistema operacional o que permite a boa funcionalidade e manipulação desse sistema. O kernel em questão é o Kernel Linux, que roda a base de um código aberto e que depende de uma comunidade (pessoas dispostas à manutenção deste código). Este kernel e os sistemas baseados nele, são, na maioria, gratuitos. Sistemas baseados em código aberto são mais conhecidos como open source, termo em inglês que descreve um software ou sistema operacional que tem seu código fonte mantido por comunidade e sem custo de licença. Existe também o NT Kernel, ou Windows NT, que é o kernel utilizado pela Microsoft para o desenvolvimento do Windows. Neste caso, existe uma empresa por trás de todas as operações e esse kernel é a base para um sistema que exige uma licença para ser usado; portanto, é pago. Kernel Linux é um produto de código aberto e gratuito que foi disponibilizado por Linus Torvalds (Figura 01), em 1991, para o uso e base de desenvolvimento para os que se interessaram. A partir do Kernel Linux, foram surgindo algumas versões de sistemas operacionais com suas particularidades, como por exemplo Debian Linux. Segundo FernándezSanguino (2020), o Debian é uma das versões mais antigas e que quando foi lançado era a única distribuição aberta para a contribuição de todos os desenvolvedores e utilizadores. Essas duas versões de sistemas foram as bases para novas distribuições (versão modificada de um sistema operacional baseado em Kernel Linux). Há também uma distribuição que ocorreu a partir do Debian Linux, muito conhecida, o Ubuntu e o Red Hat que também serviram de base para outros sistemas operacionais, como por exemplo o Fedora. Figura 01 - Linus Torvalds Fonte: Linux Journal (2019) 299 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 2. LINUX e NASA A National Aeronautics and Space Administration (NASA), ou Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço, é a agência de ciência espacial americana, criada na Guerra Fria (1947-1991) com o intuito de enviar o homem à Lua. A criação da NASA foi totalmente relacionada à corrida espacial entre os Estados Unidos da América (EUA) e a União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) que já havia, também, criado o Programa Espacial Soviético. Segundo a Linux Foundation, os computadores contavam com uma versão do Windows chamada Windows XP como sistema operacional que, por motivos de falta de suporte técnico a distância, necessitavam de um sistema de fácil manutenção, maior segurança e estabilidade, que o líder da equipe de infraestrutura da United Alliance, empresa que a NASA contratou para os projetos que envolveram o Ônibus Espacial Discovery e da Estação Espacial Internacional (no original: International Space Station, ISS). Optou-se por utilizar um sistema operacional com kernel baseado em Linux. E foi assim que a NASA acabou decidindo utilizar uma versão um tanto antiga, porém estável do Debian Linux. Com o novo sistema operacional, a NASA conseguiu a estabilidade e a segurança que precisava para operar os seus sistemas. Ademais, trabalhou com sistemas Linux e aplicações de código aberto para redução considerável de custos na implantação do ambiente tecnológico. Fora maior estabilidade e menor custo, o sistema operacional Debian 6 também ofereceu um melhor desempenho para as máquinas, levando em consideração que não necessitava de equipamentos robustos para rodar perfeitamente (LINUX FOUNDATION, 2013). A segurança, a estabilidade e, principalmente, o maior desempenho oferecido pelo Debian Linux, também justificava a escolha de uma versão estável do sistema, levando em consideração que, na época da implantação, já estava para ser lançado o Debian 7; mesmo oferecendo algumas ferramentas adicionais, não poderia atender as necessidades da empresa, por não estar há tanto tempo no mercado. A nova versão do Debian Linux poderia apresentar eventuais instabilidades. A implantação do novo sistema operacional iniciou-se em 2011. Os astronautas começaram a utilizar notebooks com Linux e as máquinas receberam o codinome de Squeeze devido a sexta versão do Debian Linux, que tinha o mesmo apelido. Foram desenvolvidos dois cursos, em parceria com a Linux Foundation, para ensinar aos astronautas conceitos do Linux - do básico ao avançado e, também, para orientar os 300 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 envolvidos a desenvolver aplicações para o novo sistema. Somente, então, foram feitas as devidas substituições nos sistemas da Estação Espacial Internacional. As máquinas que, antes rodavam Windows, agora passaram a trabalhar com Debian. (uma sua sexta versão escolhida, dada sua maior estabilidade e tempo de uso pela comunidade). Com o tempo, a NASA seguiu com as aplicações Linux, usando o sistema em suas missões seguintes. A implantação e o uso do Linux passaram a integrar o sistema operacional para operar o R2 (Robonaut 2): um robô humanoide desenvolvido em parceria com a GM (General Motors), criado para operar as mesmas ferramentas que um humano seria capaz de operar. Uma réplica do R2 foi apresentada em 06 de fevereiro de 2011, em um Super Sunday, evento anual onde ocorriam importantes jogos da Liga de Futebol Americano nos Estados Unidos da América. Em 2011, foram cancelados os planos para lançamentos de naves tripuladas por humanos, voltando a serem feitas em 2020, onde Doug Hurley e Bob Behnken, os primeiros astronautas da NASA a voar para uma empresa privada, não chegaram no tradicional Astrovan, e, sim, em um Tesla Model X fabricado pela empresa de seu chefe (GUIMÓN, 2020). 2.1 LINUX NO ESPAÇO A NASA em conjunto com a SpaceX continuou com os estudos e lançamentos não tripulados. Um exemplo real foi o lançamento do próprio R2, um robô humanoide desenvolvido para auxiliar os astronautas em suas tarefas e, também, servir como companhia. Enquanto sua réplica estava em exibição no Super Sunday, o verdadeiro R2 estava a bordo do Discovery que aguardava seu lançamento, ocorrido em 24 de fevereiro de 2011, no Kennedy Space Center. Segundo Sneddon (2018), em 2018, foi apresentado o Crew Interactive Mobile CompaniON (CIMON) (apresentado na figura 02 a seguir), um assistente baseado em inteligência artificial que foi desenvolvido para rodar no Ubuntu. O CIMON é um assistente autônomo, alimentado por IA, que pode ver, ouvir, entender e falar com astronautas graças a uma série de câmeras, microfones, sensores e processadores on-board. Doze fans internos dão ao seu corpo, uma bola flutuante de 8kg, mobilidade direcional completa, incluindo a capacidade de acenar ou sacudir a cabeça (SNEDDON, 2018). Sneddon (2018) afirmou que a ideia começou com a iniciativa de ajudar os astronautas em momentos de ocupação, uma vez que o CIMON pode interagir através de comandos por 301 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 voz. Os astronautas estariam livres para concluir tarefas que ocupariam ambas as mãos, enquanto interagiam com o assistente. O assistente podia efetuar pesquisas e dar explicações para os astronautas, mas esse não era 100% do seu propósito. O CIMON desempenhava um papel social cuja finalidade foi pensada desde o seu desenvolvimento físico, contendo em sua estrutura uma cabeça arredondada e apresentando a tela um rosto amigável. A base de dados do assistente tem como origem uma cloud (um sistema de armazenamento em nuvem) da empresa International Business Machines Corporation (IBM), criada em 1911; a mesma utilizada para o IBM Watson (Inteligência artificial desenvolvida pela IBM). Figura 02 - CIMON Fonte: BBC (2018) Mesmo com todo investimento em explorações espaciais e ferramentas, para que isso fosse possível, Elon Musk, fundador, CEO (Chief Executive Officer, o Diretor Executivo) e CTO (Chief Technology Officer, o maior nível empresarial da área de tecnologia) da SpaceX, ainda queria mais. Depois de alguns estudos, decidiu investir pesadamente em uma área um pouco diferente. Assim surgiu o projeto Starlink (Figura 03), uma rede de satélites que tem o objetivo de fornecer internet de alta velocidade e baixa latência para usuários e com cobertura global de conexão. 302 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 Figura 03 - Satélite da SpaceX Fonte: BBC (2020) Quando um satélite apresenta defeitos que não podem ser reparados, a empresa rebaixa a órbita do satélite que é atraído pela gravidade da terra e este acaba entrando novamente na atmosfera do planeta, sendo, assim, completamente queimado no processo. A fase de testes apresentou como resultados iniciais que a conexão atinge uma velocidade que ultrapassa a marca de 100Mbps (Megabits por segundo) (BOYLE, 2020). O objetivo é chegar a 1Gbps (Gigabits por segundo) por usuário. A conexão será feita com terminais em solo, assim como a maioria dos dispositivos Wi-Fi (uma tecnologia que permite que aparelhos se conectem à internet sem a utilização de fios). O grandioso projeto tem se mostrado real e funcional. É possível ver da Terra a rede de satélites quando estão em uma órbita mais baixa, pois, refletem a luz solar aparecendo no céu como um “cordão estelar”. Esse “cordão estelar” gerou críticas de astrônomos que alegaram que isso dificultava a observação astronômica em solo, mas o CEO da SpaceX, afirmou que, futuramente, os satélites vão ser equipados com quebra-sol para evitar a reflexão solar. Os engenheiros da SpaceX, responsáveis pela rede, afirmaram que existem mais de 480 satélites funcionando em órbita e cerca de 60 novos satélites são enviados a cada lançamento. Nesses lançamentos, existem cerca de 4 mil computadores que operam com sistema operacional Linux. Segundo Boyle (2020), que recebeu essas afirmações do próprio Mat Monson, participante do projeto Crew Dragon Endeavour (Figura 04), apesar de toda segurança por trás de sistemas operacionais baseados em Linux, ocorreram erros. Acrescentou, apenas, que atualizações de sistema foram suficientes para eliminar esses problemas. Esse fato prova a segurança e praticidade do Linux. As atualizações de sistema dos satélites são bem constantes. Em geral, a rede gera cerca de 5 TB (Terabytes) de dados por semana, em sua maioria são dados relacionados a telemetria. Alguns filtros são feitos para 303 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 reduzir a redundância e quantidade de dados armazenados, tudo deve ser bem calculado, pois a rede Starlink está sempre “conversando” com a Crew Dragon Endeavour. Como demonstrado no quadro 1, a seguir, a jornada do Linux até ganhar os céus foi vagarosa, mas aos poucos se tornou mais presente. Esses são dados de lançamentos de alguns dispositivos que usam Linux no início do século 21. Quadro 1 - Lista de dispositivos Nome Operador Data de Lançamento Detalhes QuakeSat QuakeFinderLLC 2003 Diamond Systems Prometheus PC/104x86 modulo CPU com Red Hat Linux UWE-11 Universidade de Würzburgo 2005 Hitachi H8S 2674 16-bit microprocessor, µClinux MidSTAR-1 Academia Naval dos Estados Unidos 2007 ARM Linux em um payload controller UWE-22 Universidade de Würzburgo 2009 Hitachi H8S 2674 16-bit microprocessor, µClinux X-Sat Universidade de Tecnologia de Nanyang 2011 Payload controller: Linux em vários processadores StrongArm SA1110 IPEX Cal Poly SanLuis Obispo,JPL 2013 400 MHz Atmel ARM9 CPU, Linux 2.6.3 STRaND-1 Centro Espacial Surrey 2013 Digi-Wi9C com µClinux e GoogleNexus One com Android PhoneSatsatellites NASA 2013 Google Nexus One e Nexus S com Android 2.2 Dove satellites Plannet 2013 Processadores COTS x86 de baixo consumo, Ubuntuserver LightSail-1 Sociedade Planetária 2015 Computador de placa única Tyvak Intrepid v6 Fonte: Adaptado de Leppinen (2017) Não é de domínio público encontrar as informações utilizadas nos códigos desses lançamentos, mas é possível identificar um padrão entre os lançamentos e comparar seus resultados e motivações. Em 2003, com o lançamento do QuakeSat, o objetivo era provar conceitos para detecção de sinais precursores de terremoto diretamente do espaço. Ele era um nanossatélite (Nanossatélite, nomenclatura de satélites com menos de 10kg). Em 2005, foi lançado outro nanossatélite, o UWE-1 (acrônimo de University Würzburg Experimental 1) do departamento de informática da universidade de Würzburg, mais uma vez com caráter experimental. Tinha como objetivo tirar fotos da Terra. Foi usado na missão da Agência Espacial Europeia de Plesetsk, na Rússia. Este é um dos chamados cubesat (uma 310 | Linux nas incursões espaciais americanas no século 21 Revista Processando o Saber - v.13 - p. 295-311 - 2021 frase de Musk sobre a possibilidade de Marte agora ser um alvo possível graças ao Linux, ou o engenheiro Tim Canham, da missão Perseverance, onde em uma das declarações dele foi a de que finalmente o Linux chegou em Marte. Por meio do Linux, foi possível otimizar os computadores, apoiando o avanço na exploração espacial, sendo que o próximo objetivo é levar uma missão tripulada a Marte. REFERÊNCIAS BBC. Por que o lançamento inaugural de nave da SpaceX é histórico também para a Nasa. 2020. Disponível em: https://www.bbc.com/portuguese/geral-52844579. Acesso em: 16 set. 2020. BOYLE, Alan. 5 trillion bytes a day: SpaceX engineers flash some facts about Starlink satellites GeekWire. Disponível em: https://www.geekwire.com/2020/5-trillion-bytes-dayspacex-engineers-flash-facts-starlink-satellites/. Acesso em: 24 mar. 2021. FERNÁNDEZ-SANGUINO, Javier et al. Uma Breve História da Debian. Debian. Disponível em: https://www.debian.org/doc/manuals/project-history/project-history.pt.pdf. Acesso em: 19 mai. 2021. GUIMÓN, Pablo. SpaceX coloca dois astronautas em órbita e realiza um feito na corrida espacial privada. 2020. 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