Come la NASA sta hackerando la Voyager 1 per riportarla in vita

Il 14 novembre 2023, la sonda spaziale interstellare Voyager 1 della NASA ha iniziato a inviare messaggi senza senso sulla Terra. Per cinque mesi, la navicella spaziale ha trasmesso dati inutilizzabili equivalenti a un segnale di linea.

A marzo, gli ingegneri hanno scoperto la causa del problema di comunicazione: un pezzo bloccato in uno dei chip che compongono parte della memoria di bordo della Voyager. Il chip conteneva righe di codice utilizzate dal sottosistema dei dati di volo (FDS), uno dei tre computer a bordo della navicella spaziale e quello responsabile della raccolta e del confezionamento dei dati prima di inviarli sulla Terra.

Gli ingegneri del JPL hanno inviato un comando attraverso la Deep Space Network il 18 aprile per riposizionare la sezione di codice interessata in un’altra parte della memoria della navicella, sperando di risolvere il problema tecnico nell’arcaico sistema informatico. Circa 22,5 ore dopo, il segnale radio raggiunse la Voyager nello spazio interstellare e il giorno successivo fu chiaro che il comando aveva funzionato. La Voyager ha iniziato a fornire nuovamente dati utili il 20 aprile.

Gli ingegneri della NASA sono riusciti a diagnosticare e riparare la Voyager 1 da 24 miliardi di chilometri di distanza, il tutto lavorando entro i limiti della tecnologia vintage. “Ci erano rimaste alcune persone su cui potevamo contare [who] ricordavo di aver lavorato su parti dell’hardware”, afferma lo scienziato del progetto Linda Spicker. “Ma gran parte del lavoro risale a vecchi promemoria, come uno scavo archeologico per cercare di trovare informazioni sul modo migliore di procedere.”

Piccola memoria

La sonda Voyager 1 e la sua gemella Voyager 2, anch’essa ancora operativa, furono lanciate quasi 50 anni fa, nel 1977, per esplorare il sistema solare. Entrambi i veicoli spaziali hanno superato di gran lunga le loro missioni originali di visitare Giove e Saturno e nel 2012 sono entrati nello spazio interstellare.

“Quella missione ha letteralmente riscritto i libri di testo sul sistema solare”, afferma Jim Bell, scienziato planetario dell’Arizona State University e autore di un libro che racconta 40 anni di missione. “Non abbiamo mai rilevato nulla così lontano, quindi ogni bit di dati che inviano è nuovo.” La tecnologia degli anni ’60 e ’70, invece, è ormai antica.

Decenni dopo che la tecnologia è passata di moda, l’FDS utilizza ancora il linguaggio assembly e parole a 16 bit. “Si tratta di due veicoli spaziali decisamente geriatrici”, afferma Todd Barber, un ingegnere di propulsione della Voyager. Lavorare per risolvere i problemi, dice, è “come le cure palliative”.

Il sottosistema dei dati di volo (FDS) della Voyager e altri computer sono stati costruiti su misura per la missione dalla General Electric.Foto JPL 360-751AC

Per diagnosticare innanzitutto il problema, gli ingegneri della NASA hanno prima provato ad accendere e spegnere diversi strumenti, afferma Spilker. Quando ciò si è rivelato infruttuoso, hanno avviato una lettura completa della memoria dell’FDS. “Questo è ciò che ci ha portato a trovare quel pezzo di hardware che si era guastato e quel pezzo di memoria da 256 bit”, afferma. In un chip, gli ingegneri hanno trovato un bit bloccato, fissato allo stesso valore binario. È diventato chiaro che il chip era irreparabile, quindi il team ha dovuto identificare e ricollocare il codice interessato.

Tuttavia, nessuna singola posizione era abbastanza grande da contenere i 256 bit extra. “La dimensione della memoria è stata la sfida più grande in questa anomalia”, afferma Spilker. I computer della Voyager hanno ciascuno solo 69,63 kilobyte di memoria.

Per iniziare a risolvere il problema, il team ha cercato negli angoli della memoria della Voyager per posizionare segmenti di codice che consentissero la restituzione di dati ingegneristici, che includono informazioni sullo stato degli strumenti scientifici e della navicella stessa. Un modo in cui gli ingegneri hanno liberato spazio aggiuntivo è stato identificando i processi non più utilizzati. Ad esempio, la Voyager è stata programmata con diverse modalità dati – la velocità con cui i dati vengono inviati sulla Terra – perché la navicella spaziale poteva trasmettere i dati molto più velocemente quando era più vicina alla Terra. Su Giove, la sonda trasmetteva dati a 115,2 kilobit al secondo; ora, quella velocità è rallentata a 40 bit al secondo e le modalità più veloci possono essere sovrascritte. Tuttavia, gli ingegneri devono fare attenzione a non eliminare il codice utilizzato da più modalità dati.

Dopo aver restituito con successo i dati tecnici, il team sta lavorando per riposizionare il resto del codice interessato nelle prossime settimane. “Dobbiamo cercare un po’ più duramente per trovare lo spazio e prendere alcune decisioni chiave su cosa sovrascrivere”, afferma Spilker. Una volta completato, il team della Voyager spera di restituire nuovi dati scientifici, anche se sfortunatamente tutti i dati del periodo dell’anomalia sono andati perduti.

Costruito per durare

La causa del pezzo bloccato è un mistero, ma è probabile che il chip si sia consumato con l’età o sia stato colpito da una particella altamente energetica proveniente da un raggio cosmico. Dopo essere entrato nello spazio interstellare, “Voyager è immerso nei raggi cosmici”, dice Spilker. Fortunatamente, la navicella spaziale è stata costruita per trasportarlo, con i suoi componenti elettronici protetti dalla grande quantità di radiazioni presenti su Giove. “Ci sta servendo abbastanza bene ora nel mezzo interstellare.”

Il nastro a 8 tracce a bordo della Voyager memorizza dati su pianeti e plasma, non musica pop. NASA/JPL-Caltech

Quando fu costruita la Voyager, il viaggio di 12 anni verso Urano e Nettuno da solo era un “obiettivo apparentemente impossibile per un lancio del 1977”, afferma Barber. La longevità della Voyager è una testimonianza della sua ingegneria, che ha tenuto conto di molti imprevisti e ha aggiunto ridondanza. La missione comprendeva anche diversi primati, ad esempio il primo veicolo spaziale dotato di computer in grado di conservare temporaneamente i dati utilizzando la memoria volatile CMOS. (Un registratore digitale a 8 tracce integrato memorizza i dati quando vengono raccolti ad una velocità elevata.)

È importante sottolineare che è stata anche la prima missione con un computer riprogrammabile. “Ora lo diamo per scontato”, afferma Bell, ma prima della Voyager non era possibile regolare il software durante il volo. Questa capacità si è rivelata essenziale quando la missione è stata estesa, così come quando sono emersi problemi.

Andando avanti, il team della Voyager prevede di incontrare ulteriori problemi nell’invecchiamento della navicella spaziale, anche se sperano di arrivare al cinquantesimo anniversario prima del prossimo. “Con ogni anomalia, impariamo sempre di più su come lavorare con la navicella spaziale e rimaniamo stupiti dalle capacità che gli ingegneri hanno incorporato in essa utilizzando la tecnologia degli anni ’60 e ’70”, afferma Spilker. “È semplicemente fantastico.”