Artificial Intelligence for Space: AI4SPACE: Trends, Applications, and Perspectives es un libro que explora las tendencias, aplicaciones y perspectivas del uso de la inteligencia artificial (AI) en el sector espacial. Algunas de las ideas principales del libro incluyen:
- La creciente importancia de la IA en el sector espacial, tanto en la observación de la Tierra como en la exploración robótica del espacio.
- Las aplicaciones de la IA en astrofísica, servicios en órbita y seguridad en el turismo espacial.
- Las oportunidades y desafíos del uso de la IA en el sector espacial, incluyendo la gestión de grandes volúmenes de datos y la necesidad de algoritmos fiables y seguros.
- Las perspectivas futuras del uso de la IA en el sector espacial, incluyendo la posibilidad de colonizar otros planetas y la necesidad de una gobernanza adecuada para garantizar el uso responsable de la IA en el espacio.
«La esencia del espíritu humano se encuentra en la exploración».
Trece días después de que el Apolo 8 alunizara, Frank Borman, su comandante, proclamó estas palabras ante el Congreso de los Estados Unidos el 9 de enero de 1969. La humanidad, impulsada por el deseo de descubrir, se enfrenta ahora al desafío de integrar la rápida evolución de la Inteligencia Artificial (IA). Este avance tecnológico, complejo y en constante evolución, ofrece tanto promesas como preocupaciones.
La IA, como herramienta, puede mejorar significativamente nuestras vidas, pero su rápido progreso y su potencial para tomar decisiones plantean cuestiones éticas y de responsabilidad. Sin embargo, la integración de la IA en la exploración espacial promete revolucionar nuestra comprensión del universo.
La IA puede impulsar una nueva era de exploración espacial humana, permitiendo el desarrollo de sistemas autónomos para entornos desafiantes como Marte. Esto no solo mejora la eficiencia de las misiones, sino que también impulsa el crecimiento económico en el espacio.
Las tecnologías espaciales impulsadas por IA tienen aplicaciones beneficiosas en la Tierra, desde abordar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas hasta monitorear el cambio climático. Sin embargo, existen limitaciones críticas, como la falta de inteligencia emocional y la dependencia de la calidad de los datos.
Es crucial comprender estas limitaciones y mantener un compromiso con la ética y la moralidad en el desarrollo y uso de la IA. A pesar de las diferencias entre humanos y IA, debemos cooperar para aprovechar su potencial y avanzar en la exploración y el conocimiento científico.
La convergencia entre la IA y la exploración espacial puede ser un catalizador para la cooperación global y la búsqueda de un futuro sostenible. Este libro explora las profundidades de la IA en el espacio, destacando sus implicaciones y potencial transformador.
Introducción a AI4SPACE
La industria espacial está en un punto crucial, según KPMG. Muchas empresas multinacionales están integrando los valores del sector espacial en sus actividades, y se prevé que para 2030 todas las empresas sean «empresas espaciales». Ejemplos como Microsoft lanzaron Azure Space en 2020, conectando el espacio con la nube para cliente (ver El Software-as-a-Service se impondrá en el sector espacial).
Setenta países tienen programas espaciales activos y veinte de ellos tienen un presupuesto de más de $100 millones. La actividad espacial comercial es central en la carrera espacial moderna, con avances tecnológicos como la miniaturización de satélites y la inteligencia artificial reduciendo los costos. La IA es clave para la revolución del mercado espacial, automatizando tareas y desafiando modelos de riesgo.
El valor se está moviendo del hardware a la adquisición y análisis de datos. Los servicios satelitales ofrecen valor a diversas industrias y propósitos. La interacción entre usuarios finales y organizaciones espaciales es crucial para maximizar el beneficio del espacio. El desarrollo futuro del mercado también incluirá servicios que ocurran completamente en el espacio. Las tecnologías emergentes pueden volverse críticas en el futuro.
Según la OCDE, la economía espacial abarca actividades que crean valor y beneficios para los humanos, desde la exploración hasta la gestión del espacio. El espacio ya no es exclusivo de los gobiernos, con ramificaciones en sectores como la agricultura, la farmacéutica y el turismo. La SpaceTech Industry identifica más de diez mil empresas relacionadas, cinco mil inversores, ciento cincuenta centros de I+D y ciento treinta organizaciones gubernamentales, con la navegación como un sector prominente y la IA en crecimiento.
El desarrollo tecnológico ha ampliado la participación empresarial en el espacio, incluyendo nuevas constelaciones de satélites que impulsarán el mercado. La cadena de valor espacial se divide en upstream, midstream y downstream, con múltiples actores como empresas espaciales, agencias gubernamentales y empresas no espaciales afectadas por la comercialización espacial.
La I+D y los avances tecnológicos están transformando la cadena de valor, con ejemplos de integración horizontal y vertical, como ICEYE y Orbital EOS. Las Big Tech como Amazon y Google también están incursionando en el mercado espacial, ofreciendo servicios de almacenamiento y computación en la nube y expandiéndose hacia funcionalidades adicionales.
Formas principales de creación de valor en el espacio: datos, capacidades, recursos y mercados.
Se distinguen cuatro formas principales de creación de valor en el espacio: a través de datos, capacidades, recursos y mercados. Tecnologías avanzadas como la robótica, el aprendizaje automático y la inteligencia artificial desempeñan un papel crucial en este proceso. En la actualidad, la integración de datos espaciales es el enfoque predominante, con empresas, instituciones de investigación y agencias gubernamentales utilizando estos datos para respaldar diversas actividades, desde la navegación hasta la monitorización de la salud.
Capacidades espaciales únicas
Las capacidades espaciales únicas, como el vacío y la microgravedad, ofrecen oportunidades para la fabricación de productos de alta calidad, como semiconductores y fibra de vidrio fluorada. Además, se están explorando aplicaciones en áreas como la refrigeración de centros de datos en la Luna y la investigación farmacéutica.
Recursos espaciales in situ
La utilización de recursos espaciales in situ está en sus primeras etapas, con un enfoque inicial en la Luna. Numerosas empresas emergentes están desarrollando tecnologías para extraer minerales y agua de asteroides (ver New Space Economy y la esperanza de los asteroides), aunque el mercado aún se está desarrollando y su viabilidad es incierta debido a desafíos técnicos y legales.
En resumen, el espacio ofrece oportunidades significativas para la creación de valor a través de diversas formas, desde la integración de datos hasta la explotación de recursos in situ, lo que está transformando la forma en que interactuamos con el cosmos.
Se espera que el mercado del turismo espacial alcance los 400 mil millones de dólares en la próxima década, impulsando el desarrollo de entornos terrestres prósperos. La colaboración entre empresas y artistas busca humanizar el espacio, como lo hizo Axiom Space con Philippe Starck y ICON Technology con el grupo Bjarke Ingels para la misión Artemis de la NASA (ver Programa Artemis de la NASA: impacto en crecimiento económico y competitividad).
La economía espacial, valorada en 447 mil millones de dólares en 2020, experimenta un aumento del 55% en una década, con un crecimiento anual del gasto comercial en I+D del 22% en los últimos cinco años. Se han atraído inversiones de capital privado por unos 272 mil millones de dólares desde 2013 hasta finales de 2022, con un aumento significativo en el número de nuevas empresas relacionadas con el espacio.
Informes financieros destacan el potencial del sector, proyectando valores de hasta 1 billón de dólares en 2040 según Goldman Sachs, Morgan Stanley y el Bank of America – Merryl-Lynch. El sector espacial no solo es un sector emergente, sino también un facilitador clave del crecimiento en energía, telecomunicaciones, transporte, transporte marítimo, aviación y ciudades inteligentes, áreas que promueven el crecimiento en los próximos años.
Agricultura de precisión
El desarrollo de la agricultura de precisión se impulsa con el uso intensivo de datos espaciales para monitorear cultivos y amenazas potenciales. La NASA colabora con agricultores y empresas para ofrecer nuevos datos y servicios mediante inteligencia artificial y aprendizaje automático.
El mercado mundial de seguimiento de cultivos se proyecta alcanzar los 4,400 millones de dólares para 2025, impulsado por tecnologías como la inteligencia artificial y la robótica. Empresas como Canadian Farmers Edge y Airbus están desarrollando plataformas avanzadas para monitorear y analizar datos agrícolas.
Comunicaciones
En comunicaciones, las constelaciones de satélites LEO están revolucionando la conectividad a Internet, especialmente en áreas rurales y remotas. Empresas como SpaceX con Starlink y OneWeb están liderando esta transformación.
La vigilancia satelital del medio ambiente y la reducción de desastres se benefician de tecnologías avanzadas como la inteligencia artificial, que permiten monitorear cambios ambientales y prevenir desastres naturales como inundaciones.
El uso de datos satelitales y la inteligencia artificial también está mejorando la protección forestal y la evaluación del riesgo de inundaciones, con proyectos como la Global Flood Database, que combina datos satelitales con IA para generar mapas de inundaciones casi en tiempo real.
Artificial Intelligence for Space: AI4SPACE presenta un enfoque interdisciplinario destacado. Cada capítulo se concibe de manera relativamente independiente, y cuenta con la contribución de destacados expertos en diversos campos relacionados con la integración de la IA en la industria espacial. La estructura del libro y su contenido se resumen de la siguiente manera:
Tendencias emergentes en la adopción de la IA en aplicaciones espaciales
El crecimiento y la adopción de la inteligencia artificial (IA) en aplicaciones espaciales están en aumento debido a los beneficios potenciales que ofrece. Los ingenieros aeroespaciales están revisando los algoritmos y procedimientos tradicionales para integrar la IA en misiones espaciales. Dada la amplitud de actividades relacionadas con la IA en el ámbito académico, la industria aeroespacial y las agencias espaciales, nos enfocaremos en las tendencias emergentes destacadas por el Equipo de Conceptos Avanzados de la Agencia Espacial Europea. Estas tendencias exploran temas avanzados que requieren una integración fundamental entre la IA y la exploración espacial.
Sistemas espaciales asistidos por IA y las computadoras cuánticas contribuyen al logro de los ODS
Los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible para 2030 de las Naciones Unidas establecen metas claras en diversas áreas. La capacidad para monitorear el progreso hacia estos objetivos depende en gran medida de los sistemas de detección espacial. Estos sistemas son fundamentales para identificar problemas, facilitar el progreso y alcanzar dichos objetivos.
Los avances en sistemas espaciales, junto con el procesamiento de datos mejorado, incluyendo el análisis de big data y la inteligencia artificial, ofrecen una comprensión casi en tiempo real de las actividades globales, tanto positivas como negativas. Más que los datos generados, la clave radica en la inteligencia avanzada y las técnicas de procesamiento de datos que pueden identificar rápidamente problemas ambientales o legales, riesgos estructurales, propagación de incendios o enfermedades vegetales, cambios demográficos, entre otros. Estos sistemas pueden ayudar a medir el progreso hacia objetivos positivos y respaldar la aplicación de regulaciones ambientales y el desarrollo global de maneras más rápidas y precisas.
Oportunidades potenciales de las tecnologías neuromórficas para la computación de borde y el aprendizaje en el espacio.
El éxito reciente de la inteligencia artificial (IA) ha generado una alta demanda de datos y energía. No obstante, este logro también ha renovado el interés en explorar la biología para desarrollar nuevas arquitecturas informáticas y sensores bioinspirados. Estas innovaciones prometen no solo reducir el consumo de energía y datos de las tecnologías actuales, sino también descubrir nuevos paradigmas y tecnologías.
En este capítulo, se analizan las oportunidades que ofrecen las tecnologías neuromórficas emergentes para la computación avanzada y el aprendizaje en el espacio, con un enfoque en la detección basada en eventos, las redes neuronales de picos y el hardware neuromórfico para aplicaciones espaciales.
Mejorar la precisión de la autoubicación de naves espaciales.
Este capítulo presenta el método Triangle Similarity Matching (TSM), que estima la ubicación de una nave espacial comparando los triángulos formados por los cráteres detectados en la imagen capturada por la cámara de la nave con los triángulos en el mapa de cráteres almacenado en la nave. Para mejorar la precisión de esta estimación, se propone un método TSM que selecciona los cráteres apropiados y elimina los cráteres cercanos en la imagen de la cámara, con el objetivo de investigar su efectividad a través de un experimento.
Los resultados muestran que el TSM mejorado supera al TSM original y al método de coincidencia de segmentos de línea (LSM) propuesto por JAXA en términos de precisión y capacidad para evitar coincidencias incorrectas de cráteres. Además, el TSM mejorado es robusto frente a anomalías en la cámara y grandes sombras debido a la baja elevación del sol.
Transformación del análisis de datos espaciales utilizando técnicas de aprendizaje automático no supervisadas.
El clima espacial abarca las condiciones alrededor de la Tierra, influenciadas por eventos solares repentinos como erupciones solares o eyecciones de masa coronal. Estos eventos pueden causar variaciones en el plasma y el campo electromagnético, afectando infraestructuras terrestres y satelitales. La capacidad de prever estos fenómenos es crucial para la resiliencia de la sociedad ante posibles pérdidas económicas.
Aunque la predicción del clima espacial es un campo emergente, avanza rápidamente, especialmente con el apoyo de tecnologías de inteligencia artificial. Este capítulo analiza cómo la IA ha contribuido a diversas aplicaciones del clima espacial, fusionando enfoques físicos tradicionales con métodos modernos basados en datos.
Predicción del tiempo espacial y su avance mediante tecnologías de inteligencia artificial.
La ciencia espacial está generando enormes cantidades de datos, superando la capacidad humana para analizarlos. La inteligencia artificial (IA) ha emergido como una solución prometedora para este desafío. En este capítulo, se exploran los avances recientes en la aplicación de la IA al análisis de datos espaciales, con un enfoque en el proyecto AIDA Horizonte 2020.
Se destaca el potencial del aprendizaje automático (ML) no supervisado para descubrimientos fundamentales. A diferencia del ML supervisado, el ML no supervisado puede revelar nuevos hallazgos sin estar guiado por conocimientos previos, permitiendo el descubrimiento de correlaciones y leyes físicas que de otro modo podrían pasar desapercibidas. Este capítulo revisa algunas de las aplicaciones de ML no supervisado desarrolladas por AIDA.
Cuestiones legales y políticas asociadas con las tecnologías de IA.
La Inteligencia Artificial (IA) plantea tanto oportunidades como desafíos para las actividades espaciales y su marco legal. La creciente conectividad y colaboración entre humanos y máquinas inteligentes plantean importantes cuestiones legales, como la responsabilidad por daños derivados de acciones con IA avanzada en misiones espaciales.
La IA también ofrece posibilidades para la sostenibilidad espacial, pero plantea desafíos legales. Este capítulo describe los problemas legales relacionados con la IA y se enfoca en los sistemas de IA para operaciones espaciales, explorando cómo interactúan con los estándares legales existentes. Se aborda el papel de la IA en la sostenibilidad espacial, especialmente en relación con las Directrices UNCOPUOS de 2019, y se discute su aplicabilidad en la gestión del tráfico espacial y la prevención de colisiones en órbita.
Modelos de negocio para la industria espacial, desde las verticales establecidas hasta las emergentes en el mercado de servicios.
La creciente demanda de servicios espaciales, desde observación de la Tierra y telecomunicaciones hasta servicios en órbita, está generando oportunidades lucrativas en la industria. Con el aumento de satélites y la complejidad de las misiones, las arquitecturas de constelaciones y las cargas útiles múltiples son cada vez más populares. En este contexto dinámico, la necesidad de naves espaciales autónomas es crucial. Los sistemas tradicionales centrados en el control humano son obsoletos; los satélites deben evolucionar hacia sistemas inteligentes para maximizar el éxito de la misión.
La IA se vuelve esencial para la autoevaluación, autorreparación y gestión autónoma de la plataforma. Los avances en hardware permiten que incluso los satélites pequeños tengan capacidades computacionales impresionantes, lo que facilita el transporte de aplicaciones relevantes al entorno operativo. En este capítulo, se explora cómo la IA respaldará la próxima generación de misiones espaciales, desde el diseño hasta la entrega del servicio al cliente.
El futuro de la humanidad en el espacio y el significado de «volverse inteligente»
Con el abaratamiento del acceso al espacio y el aumento de la seguridad en las misiones espaciales, el sueño de hacer que el espacio sea accesible al público está más cerca que nunca. Esto implica que cualquiera pueda viajar al espacio por unas horas, unos días o incluso establecerse permanentemente en órbita, en la Luna o en Marte. El progreso tecnológico en el espacio nunca ha sido tan rápido, desde el vuelo de Yuri Gagarin en 1961. Para hacer que el espacio sea accesible, seguro y agradable, se requiere innovación en diversas áreas como ciencia de materiales, robótica, inteligencia artificial, química cuántica y propulsión.
Además, es crucial garantizar la sostenibilidad, la equidad y la accesibilidad en el espacio, mediante sistemas de circuito cerrado y el aprovechamiento de recursos lunares o asteroides. Es fundamental crear un ambiente espacial que sea acogedor y enriquecedor para la experiencia humana, con arte, música y formas de vida que se adapten a la microgravedad. Este capítulo se enfoca en el uso de la Inteligencia Artificial para proteger la salud y el bienestar de los humanos en el espacio, y para enriquecer su experiencia mental y emocional de manera memorable.