كيف سيتواصل البشر الأوائل على المريخ مع الأرض

إذا كنت تعتقد أنه من المؤلم الحصول على استقبال الخلايا عندما تزور أقاربك في دولة أخرى ، تخيل فقط محاولة التواصل مع الأشخاص الذين يبعدون 40 مليون ميل على الأقل ويتنقلون باستمرار بالنسبة إلى أنت. هذا ما سيتعين علينا التعامل معه إذا كنا نخطط لإرسال بشر إلى المريخ ، عندما لا تكون الاتصالات مهمة فقط - ستكون حيوية.

لمعرفة كيفية إنشاء شبكة اتصالات تغطي كوكب المريخ وما بعده ، وكيف يتم ترقية الأنظمة الحالية لمواجهة التحدي المتمثل في كميات البيانات المتزايدة باستمرار ، تحدثنا إلى خبيرين يعملان في نظام الاتصالات الحالي لوكالة ناسا - أحدهما على جانب الأرض والآخر على المريخ جانب.

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ، سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

الوصول إلى النظام الشمسي من خلال شبكة الفضاء العميقة

من أجل التواصل مع المهمات الحالية مثل المركبة المتجولة المثابرة على المريخ أو مهمات فوييجر المتوجهة في الفضاء بين النجوم ، تمتلك وكالة ناسا شبكة من الهوائيات المبنية في جميع أنحاء الكوكب تسمى شبكة الفضاء العميق ، أو DSN.

لدى DSN ثلاثة مواقع في كاليفورنيا وإسبانيا وأستراليا ، والتي تسلم واجبات الاتصالات بين بعضها البعض كل يوم. بهذه الطريقة ، هناك دائمًا موقع موجه في الاتجاه المطلوب ، بغض النظر عن كيفية دوران الأرض أو اهتزازها حول محورها. يوجد في كل موقع عدد من الهوائيات الراديوية التي يصل حجمها إلى 70 مترًا والتي تلتقط الإرسال من المهمات الفضائية وتنقل البيانات إلى أي مكان تريده على الأرض.

التعاون الدولي في مجال الاتصالات

يتم استخدام DSN لمهام ناسا ، ولكن هناك شبكات عالمية أخرى تستخدمها وكالات الفضاء المختلفة مثل وكالة الفضاء الأوروبية (ESA). بطريقة تفكير تقدمية ملحوظة ، تتبع كل هذه الشبكات المختلفة نفس المعايير الدولية لاتصالاتها ، لذلك يمكن لوكالات الفضاء استخدام شبكات بعضها البعض إذا دعت الحاجة.

"إنه مجتمع صغير إلى حد ما. لا يوجد سوى عدد قليل من الدول التي لديها القدرة على إرسال مركبات فضائية إلى المريخ ، على سبيل المثال ، “ليه قال دويتش ، نائب مدير الشبكة بين الكواكب ، التي تدير شبكة ديب سبيس ، لموقع ديجيتال اتجاهات. "إنه يتزايد ، لكنه لا يزال عددًا ضئيلًا. ويتعين علينا جميعًا ، نظرًا لأننا مجتمع صغير من المهام باهظة الثمن للغاية ، أن نحاول القيام بذلك معًا ".

هذا يعني أنه بالإضافة إلى الوكالات التي تعمل وكالة ناسا معها عن كثب ، مثل وكالة الفضاء الأوروبية ، حتى الوكالات التي ليس لديها علاقة معها ، مثل وكالة الفضاء الصينية ، لا تزال تتبع نفس المعايير.

وقال: "حتى الصين تؤيد مجموعة من المعايير الدولية التي ساعدنا في تطويرها على مر السنين ، بحيث تتواصل جميع بعثات الفضاء السحيق بالطريقة نفسها". للمركبة الفضائية تنسيقات راديو مماثلة والمحطات الأرضية لها أنواع متشابهة من الهوائيات والواجهات. حتى نتمكن من تتبع المركبات الفضائية لبعضنا البعض من خلال هذه الاتفاقيات. لقد تم تصميمها جميعًا لتكون قابلة للتشغيل المتبادل ".

التحدث إلى المريخ

هذه هي الطريقة التي نتلقى بها الإرسال على الأرض. لكن كيف ترسل إرسالات من المريخ؟ لإرسال اتصالات عبر هذه المسافة الكبيرة ، أنت بحاجة إلى راديو قوي. ويجب أن تكون المهمات مثل المركبات الجوالة صغيرة وخفيفة ، لذلك ليس هناك مجال لربط هوائي ضخم بها.

للتحايل على هذه المشكلة ، لدى المريخ نظام لترحيل الاتصالات ، يسمى شبكة ترحيل المريخ ، أو MRN. يتكون من مدارات مختلفة تسافر حاليًا حول الكوكب ويمكن استخدامها لالتقاطها عمليات الإرسال من المهمات على السطح (مثل المركبات الجوالة أو مركبات الإنزال أو الأشخاص في النهاية) وترحيل هذه البيانات مرة أخرى إلى أرض. يمكنك بالفعل رؤية الوضع الحالي لجميع المركبات في MRN باستخدام هذه محاكاة ناسا.

غالبية المدارات حول المريخ تقوم بواجب مزدوج. بالإضافة إلى عملياتهم العلمية ، فهم يعملون أيضًا كمرحلات - وهذا هو الحال مع كوكب المريخ التابع لناسا المركبة الفضائية الجوية والمتقلبة EvolutioN (MAVEN) والمركبة المدارية لاستطلاع المريخ ، والمريخ التابع لوكالة الفضاء الأوروبية يعبر. "معظم بعثاتنا التي أرسلناها [إلى المريخ] هي في مدارات منخفضة الارتفاع ، لذا فهي في مكان ما بين 300 و 400 كيلومتر فوق السطح. وتلك رائعة حقًا! " أخبر مدير MRN روي غلادين Digital Trends. "هذه أماكن رائعة للتواجد فيها ، لأنها لطيفة وقريبة ، ويمكنك نقل قدر كبير من البيانات بين أصل هبوط ومركبة مدارية في تلك البيئة."

ومع ذلك ، لا يمكن إضافة كل مهمة إلى شبكة الترحيل. إذا كان المدار على ارتفاع عالٍ جدًا ، أو إذا كان له مدار إهليلجي للغاية حيث يكون أحيانًا بالقرب من الكوكب وفي أوقات أخرى يكون بعيدًا ، قد لا يكون من المناسب أن تكون جزءًا من MRN. على سبيل المثال ، فإن مهمة الأمل التابعة لدولة الإمارات العربية المتحدة (الإمارات العربية المتحدة) على ارتفاع عالٍ جدًا حتى تتمكن من دراسة الغلاف الجوي العلوي لكوكب المريخ. ولكن هذا يعني أنه بعيد جدًا عن السطح ليكون مفيدًا كمرحلة.

البعثات المستقبلية إلى المريخ ، مثل Mars Ice Mapper التابع لناسا أو وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA) المخطط لها المهمة ، ستشمل أجهزة الاتصالات أيضًا ، لذلك كلما زاد عدد المهام التي نرسلها هناك ، زادت الشبكة بنيت خارجا.

أهمية التوقيت

تتمثل إحدى تحديات نقل الاتصالات من المريخ في حقيقة أن الكوكب يدور دائمًا ، وأن جميع المدارات التابعة لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية تتحرك حوله. هذه ليست مشكلة إذا احتاجت عربتك الجوالة إلى إرسال اتصالات مرتين في اليوم ، على سبيل المثال - هناك احتمالات كبيرة بأن العديد من المركبات المدارية سوف تمر فوقها في وقت ما. ولكن عندما تحتاج إلى تتبع حدث معين في وقت محدد ، يصبح الأمر أكثر صعوبة.

على سبيل المثال ، يعتبر هبوط مركبة على سطح الكوكب هو أصعب جزء في المهمة ، لذلك تريد ناسا دائمًا التركيز على الهبوط. بالنسبة لهبوط مركبة المثابرة الجوالة ، تم تعديل مدارات المركبات المدارية في MRN للتأكد من أنها ستكون في المكان المناسب في الوقت المناسب لالتقاط الهبوط. ولكن لتوفير الوقود الثمين ، لم يكن بإمكانهم سوى إجراء تعديلات صغيرة على مساراتهم ، لذا بدأت عملية الحصول على كل شيء في المكان المناسب قبل سنوات من حدوث الهبوط.

تتمثل إحدى طرق جعل هذه العملية أكثر كفاءة في استخدام أقمار صناعية مخصصة للترحيل لتسجيل الأحداث الرئيسية مثل عمليات الهبوط. عندما هبطت مركبة الإنزال InSight على سطح المريخ في عام 2018 ، كانت مصحوبة بمركبة قمرين صناعيين بحجم حقيبة الملفات يسمى MarCOs، من أجل Mars Cube One ، الذي كان بمثابة مرحلات. اتبعت هذه الأقمار الصناعية الصغيرة InSight في تحليق فوق المريخ ، ورصدت ونقل البيانات حول الهبوط ، ثم توجهت إلى الفضاء. "لقد تمكنا من استهدافهم إلى حيث أردناهم أن يكونوا حتى يتمكنوا من القيام بذلك التسجيل لالتقاط ذلك القياس عن بُعد للأحداث الهامة" ، قال غلادين ، "وبعد انتهاء الحدث ، انقلبوا ووجهوا هوائياتهم إلى الأرض ونقلوا ذلك بيانات."

كان استخدام MarCOs اختبارًا لقدرة مستقبلية ، حيث لم يتم استخدام الأقمار الصناعية مثل هذا من قبل. لكن الاختبار كان ناجحًا. قال غلادين: "لقد فعلوا بالضبط ما كانوا ينوون القيام به". كانت MarCOs عنصرًا يستخدم لمرة واحدة ، حيث لم يكن لديهم ما يكفي من الوقود لدخول المدار. لكن مثل هذه الأقمار الصناعية الصغيرة رخيصة نسبيًا وسهلة البناء ، وقد أثبتت شركة MarCOs أن هذه طريقة قابلة للتطبيق لمراقبة أحداث معينة دون الحاجة إلى إعادة ترتيب شبكة المريخ بأكملها.

الاتصالات للبعثات المأهولة

بالنسبة للبعثات المأهولة ، تعتبر الاتصالات المنتظمة أكثر أهمية. سيكون هناك دائمًا تأخير يصل إلى 20 دقيقة في الاتصالات بين الأرض والمريخ بسبب سرعة الضوء. لا توجد طريقة للتغلب على ذلك. ومع ذلك ، يمكننا بناء شبكة اتصالات حتى يتمكن الناس على المريخ من التحدث إلى الأرض أكثر من عدة مرات في اليوم ، بهدف الحصول على أقرب اتصال دائم متاح مثل ممكن.

القادم مهمة Mars Ice Mapper قال غلادين "نوع من الخطوة في هذا الاتجاه". "هدفنا هو إرسال كوكبة صغيرة من المركبات الفضائية التي ستكون مخصصة لمستخدمي الترحيل باستخدام Ice Mapper." هذا من شأنه هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام كوكبة في اتصالات المريخ ، ويمكن أن تكون لبنة بناء مرحل أكبر شبكة.

يتطلب مثل هذا المشروع قدرًا كبيرًا من الطاقة للتواصل عبر مسافات كبيرة بين الكواكب ، ولكنه ممكن تمامًا من الناحية التكنولوجية.

شبكة من الجيل التالي حول المريخ

قال غلادين عندما يتعلق الأمر بتصور مستقبل احتياجات الاتصالات خارج الكوكب ، "نحاول أن نتطلع إلى المستقبل". "نحاول التفكير فيما سنحتاجه في المستقبل. مع العلم بشكل خاص أننا نريد في النهاية إرسال أشخاص إلى هناك ".

قد ينطوي إنشاء شبكة اتصالات مستقبلية على المريخ على جعلها أكثر تشابهًا مع ما لدينا على كوكبنا ، عن طريق إضافة المزيد من المركبات الفضائية إلى الشبكة بقوة أكبر بشكل متزايد. "على الأرض ، نحل مشكلة الاتصالات لدينا عن طريق إرسال الكثير والكثير من المركبات الفضائية على ارتفاعات منخفضة هي أنظمة عالية الطاقة مع مصفوفات شمسية كبيرة ، مع أجهزة راديو معقدة للغاية يمكنها القيام بتوجيه الحزمة " قال. "في المريخ ، نريد نفس الشيء."

هناك تعقيدات في إنشاء شبكة يمكنها التعامل مع التأخيرات الطويلة ، وإنشاء معايير بيانات يمكن استخدامها بواسطة جميع شركات Mars ، لكن هذا ممكن. يمكن نظريًا توسيع شبكة الاتصالات هذه لتقوم بأكثر من مجرد توفير الاتصالات من الأرض إلى المريخ والعكس. يمكن استخدامه كنظام لتحديد المواقع للمساعدة في التنقل عبر المريخ أو ، مع بعض التعديلات على الأجهزة ، يمكن أن يوفر اتصالات عبر المريخ أيضًا.

لكن مثل هذه المركبات الفضائية القادرة كبيرة وثقيلة ، مما يجعل إطلاقها صعبًا. ويواجهون مشكلة أخرى: على عكس الأقمار الصناعية حول الأرض ، المحمية بواسطة الغلاف المغناطيسي لكوكبنا ، فإن الأقمار الصناعية في مدار حول المريخ ستتعرض للقصف بالإشعاع. هذا يعني أنهم بحاجة إلى الحماية ، الأمر الذي يتطلب المزيد من الوزن.

من الناحية التكنولوجية ، من الممكن حل هذه المشكلات وإنشاء شبكة حول المريخ مماثلة لتلك الموجودة حول الأرض. ومع ذلك ، "كيف نصل إلى هناك تحد كبير ،" قال غلادين ، "لأن شخصًا ما يجب أن يدفع مقابل ذلك."

تحضير الاتصالات للمستقبل

يعد إنشاء شبكة اتصالات المريخ نصف لغز الاتصالات المستقبلية. النصف الآخر يعد التكنولوجيا التي لدينا هنا على الأرض.

حاليا ، DSN هو بناء المزيد من الهوائيات حتى تتمكن من مواكبة العدد المتزايد باستمرار من مهام الفضاء السحيق التي يتم إطلاقها. كما يستخدم تحسينات في البرامج لأتمتة المزيد من عمليات الشبكة ، بحيث يمكن لعدد محدود من الموظفين الإشراف على المزيد من المهام لكل منها.

ولكن هناك مشكلة أخرى تتعلق بعرض النطاق الترددي المحدود. تمتلك المركبة الفضائية الآن أدوات أكثر تعقيدًا تسجل كميات هائلة من البيانات ، وتنقل كل ذلك هذه البيانات عبر اتصال بطيء محدودة - مثل أي شخص عانى من بطء الإنترنت يعرف.

قال دويتش ، نائب مدير DSN: "من أي مركبة فضائية معينة في المستقبل ، نريد أن نكون قادرين على استعادة المزيد من البيانات". "هذا لأنه مع تقدم المركبات الفضائية بمرور الوقت ، فإنها تحمل أدوات أكثر وأكثر قدرة ، وتريد استرجاع المزيد والمزيد من القطع في الثانية. لذلك لدينا هذا التحدي لمواكبة منحنى مور الذي يشبه القانون ".

الحل لهذه المشكلة هو الإرسال على ترددات عالية. وأوضح: "إذا قمت بزيادة التردد الذي تتواصل به ، فإنه يضيق الشعاع الذي ينتقل من المركبة الفضائية ويصل المزيد منه إلى المكان الذي تريده". بينما استخدمت البعثات المبكرة 2.5 جيجا هرتز ، انتقلت المركبات الفضائية مؤخرًا إلى حوالي 8.5 جيجا هرتز ، وأحدث المهام تستخدم 32 جيجا هرتز.

يمكن للترددات الأعلى أن تقدم تحسينًا يبلغ حوالي أربعة أضعاف من حيث البتات في الثانية ، ولكن حتى ذلك لن يكون كافيًا على المدى الطويل. لذا فإن الخطوة الكبيرة التالية في الاتصالات الفضائية هي استخدام الاتصالات الضوئية ، والمعروفة أيضًا باسم اتصالات الليزر. يجلب هذا العديد من المزايا نفسها للانتقال إلى تردد أعلى ، لكن الاتصالات الضوئية يمكن أن تقدم تحسينًا لعامل 10 على أحدث الاتصالات اللاسلكية اليوم.

والخبر السار هو أن DSN لن يحتاج إلى أجهزة جديدة تمامًا للانتقال إلى الاتصالات الضوئية. يمكن ترقية الهوائيات الحالية للعمل مع التكنولوجيا الجديدة ، وقد تم تصميم الهوائيات المبنية حديثًا للعمل على نطاقات تردد متعددة وتكون قادرة على استقبال الإرسال البصري.

هناك بعض القيود على الاتصالات الضوئية ، مثل السحب التي يمكن أن تحجب الإشارات. ولكن حتى مع السماح بذلك ، فإن استخدام الاتصالات الضوئية سيزيد من القدرة الكلية للشبكة بشكل كبير. وقد يتضمن الحل طويل الأمد لهذه المشكلة وضع أجهزة استقبال في مدار حول الأرض ، حيث ستكون فوق الغيوم.

أين نذهب من هنا؟

مشاكل التواصل مع كوكب آخر عميقة ويصعب حلها. قال غلادين: "الفيزياء غير قابلة للتغيير". "الطريق طويل ، لذا تفقد قوة الإشارة. هذه مشكلة يتعين علينا التغلب عليها عندما نفكر في محاولة بناء شبكة للأشخاص ".

لكننا على أعتاب حقبة جديدة في الاتصالات الفضائية. في العقد القادم ، سنتعلم المزيد حول إرسال واستقبال البيانات من مهمة Artemis القادمة إلى القمر ، و Mars Ice Mapper ومركبتها الفضائية المخصصة للترحيل.

يحذر غلادين: "سيكون الأمر أخرقًا". "نحن نحاول فقط معرفة ذلك." ويشير إلى المناقشات الدولية حول استخدام المعايير ، والعلاقة المتغيرة بين وكالات الفضاء الحكومية والشركات الخاصة. ستحدد القرارات التي يتم اتخاذها الآن كيفية تقدم استكشاف الفضاء خلال العقود القادمة.

قال: "سيكون أمرًا مرعبًا ورائعًا أن نرى ما سيحدث". "من ناحية ، هناك الكثير من عدم اليقين بشأن ما يحدث. لكن من ناحية أخرى ، هذه أشياء عالية التقنية. نحن نتعلم ونفعل الأشياء لأول مرة حول كوكب آخر. لم يتم القيام بذلك من قبل. هذا مذهل ".

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ، سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

توصيات المحررين

• رحلة كونية: اللوجيستيات الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
• علم النفس الفلكي: كيف تبقى عاقلًا على المريخ
• محطات توليد الطاقة على الكواكب الأخرى: كيف سنولد الكهرباء على كوكب المريخ
• حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون في المستقبل المياه ويجمعونها على المريخ
• الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ