كيف سيتواصل البشر الأوائل على المريخ مع الأرض

إذا كنت تعتقد أنه من الصعب الحصول على استقبال الهاتف المحمول عند زيارة أقاربك في ولاية أخرى، فقط تخيل محاولة التواصل مع الأشخاص الموجودين على بعد 40 مليون ميل على الأقل ويتنقلون باستمرار مقارنة بالآخرين أنت. هذا ما سيتعين علينا التعامل معه إذا كنا نخطط لإرسال البشر إلى المريخ، حيث لن تكون الاتصالات مهمة فحسب، بل ستكون حيوية أيضًا.

لمعرفة كيفية إنشاء شبكة اتصالات تغطي كوكب المريخ وما وراءه، وكيف تتم ترقية الأنظمة الحالية لمواجهة التحدي المتمثل في مع الكميات المتزايدة من البيانات، تحدثنا إلى خبيرين يعملان على نظام الاتصالات الحالي التابع لوكالة ناسا - أحدهما على جانب الأرض والآخر على المريخ جانب.

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

الوصول إلى النظام الشمسي باستخدام شبكة الفضاء العميق

من أجل التواصل مع المهمات الحالية مثل مركبة Perseverance على المريخ أو مهمات Voyager التي تتجه إلى الفضاء بين النجوم، تمتلك ناسا شبكة من الهوائيات مبنية في جميع أنحاء الكوكب تسمى شبكة الفضاء العميق، أو DSN.

لدى DSN ثلاثة مواقع في كاليفورنيا وإسبانيا وأستراليا، والتي تقوم بتسليم واجبات الاتصالات بين بعضها البعض كل يوم. وبهذه الطريقة، يوجد دائمًا موقع يشير إلى الاتجاه المطلوب، بغض النظر عن كيفية دوران الأرض أو تذبذبها حول محورها. يوجد في كل موقع عدد من هوائيات الراديو يصل حجمها إلى 70 مترًا، والتي تلتقط الإرسال من المهمات الفضائية وتنقل البيانات إلى أي مكان تريد الذهاب إليه على الأرض.

التعاون الدولي في مجال الاتصالات

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

"إنه مجتمع صغير إلى حد ما. هناك عدد قليل فقط من الدول التي لديها القدرة على إرسال مركبات فضائية إلى المريخ، على سبيل المثال وقال دويتش، نائب مدير شبكة الكواكب، التي تدير شبكة الفضاء العميق، لموقع Digital اتجاهات. "إنه ينمو، لكنه لا يزال عددا صغيرا. ويتعين علينا جميعًا، نظرًا لأنه مجتمع صغير ذو مهام باهظة الثمن، أن نحاول القيام بذلك معًا.

وهذا يعني أنه بالإضافة إلى الوكالات التي تعمل ناسا معها بشكل وثيق، مثل وكالة الفضاء الأوروبية، حتى الوكالات التي ليس لها علاقة بها، مثل وكالة الفضاء الصينية، لا تزال تتبع نفس المعايير.

وقال: "حتى الصين تلتزم بمجموعة من المعايير الدولية التي ساعدنا في تطويرها على مر السنين، بحيث تتواصل جميع مهمات الفضاء السحيق بنفس الطريقة". "تحتوي المركبة الفضائية على تنسيقات راديو مماثلة والمحطات الأرضية لها أنواع مماثلة من الهوائيات والواجهات. حتى نتمكن من تتبع المركبات الفضائية لبعضنا البعض من خلال هذه الاتفاقيات. لقد تم تصميمها جميعًا لتكون قابلة للتشغيل المتبادل.

التحدث مع المريخ

هذه هي الطريقة التي نستقبل بها البث على الأرض. ولكن كيف يتم إرسال الإرسال من المريخ؟ لإرسال الاتصالات عبر هذه المسافة الكبيرة، تحتاج إلى راديو قوي. ويجب أن تكون المهمات مثل المركبات الجوالة صغيرة وخفيفة، لذلك لا يوجد مجال لربط هوائي ضخم بها.

للتحايل على هذه المشكلة، لدى المريخ نظام لنقل الاتصالات، يسمى شبكة ترحيل المريخ، أو MRN. وهو يتألف من مركبات مدارية مختلفة تسافر حاليًا حول الكوكب ويمكن استخدامها للالتقاط عمليات الإرسال من المهام على السطح (مثل المركبات الجوالة أو مركبات الهبوط أو في النهاية الأشخاص) وترحيل هذه البيانات مرة أخرى إلى الأرض أرض. يمكنك في الواقع رؤية الموقع الحالي لجميع المركبات الموجودة في MRN باستخدام هذه محاكاة ناسا.

تقوم غالبية المركبات المدارية حول المريخ بمهمة مزدوجة. وبالإضافة إلى عملياتهم العلمية، فإنهم يعملون أيضًا كمرحلات - وهذا هو الحال مع المريخ التابع لناسا المركبة الفضائية لتطور الغلاف الجوي والمتطاير (MAVEN) ومركبة استطلاع المريخ المدارية ومركبة المريخ التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية يعبر. "معظم مهماتنا التي أرسلناها [إلى المريخ] تقع في مدارات منخفضة الارتفاع، لذا فهي على ارتفاع يتراوح بين 300 و400 كيلومتر فوق السطح. وهذه رائعة حقًا! قال مدير MRN روي جلادن لـ Digital Trends. "هذه أماكن رائعة للزيارة، لأنها جميلة وقريبة، ويمكنك نقل قدر كبير من البيانات بين أصول الهبوط والمركبة المدارية في تلك البيئة."

ومع ذلك، لا يمكن إضافة كل مهمة إلى شبكة الترحيل. إذا كانت المركبة المدارية على ارتفاع عالٍ جدًا، أو إذا كان لها مدار إهليلجي للغاية حيث تكون في بعض الأحيان بالقرب من الكوكب وفي أحيان أخرى يكون بعيدًا، فقد لا يكون مناسبًا أن تكون جزءًا منه MRN. فمهمة الأمل التابعة لدولة الإمارات العربية المتحدة، على سبيل المثال، موجودة على ارتفاع عالٍ للغاية حتى تتمكن من دراسة الغلاف الجوي العلوي للمريخ. ولكن هذا يعني أنها بعيدة جدًا عن السطح بحيث لا تكون مفيدة كمرحل.

من المقرر إرسال بعثات مستقبلية إلى المريخ، مثل Mars Ice Mapper التابع لناسا أو وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA). ستشمل المهمة أجهزة اتصالات أيضًا، لذا كلما زاد عدد المهام التي نرسلها إلى هناك، زادت مساحة الشبكة بنيت خارجا.

أهمية التوقيت

أحد التحديات التي تواجه نقل الاتصالات من المريخ هو حقيقة أن الكوكب يدور دائمًا، وأن جميع المركبات الفضائية التابعة لناسا ووكالة الفضاء الأوروبية تتحرك حوله. لا يمثل ذلك مشكلة إذا كانت مركبتك الجوالة بحاجة إلى إرسال اتصالات مرتين يوميًا، على سبيل المثال - هناك احتمالات كبيرة بأن تمر عدة مركبات مدارية فوقك في مرحلة ما. ولكن عندما تحتاج إلى تتبع حدث معين في وقت محدد، يصبح الأمر أكثر صعوبة.

على سبيل المثال، يعد هبوط مركبة جوالة على سطح الكوكب الجزء الأكثر صعوبة في المهمة، لذلك ترغب وكالة ناسا دائمًا في مراقبة الهبوط. من أجل هبوط المركبة الجوالة Perseverance، تم تعديل مدارات المركبات المدارية في MRN للتأكد من أنها ستكون في المكان المناسب في الوقت المناسب لالتقاط عملية الهبوط. ولكن لتوفير الوقود الثمين، لم يتمكنوا إلا من إجراء تعديلات طفيفة على مساراتهم، لذلك بدأت عملية وضع كل شيء في المكان الصحيح قبل سنوات من حدوث الهبوط.

إحدى الطرق لجعل هذه العملية أكثر كفاءة هي استخدام أقمار صناعية مخصصة لتسجيل الأحداث الرئيسية مثل عمليات الهبوط. عندما هبطت مركبة الهبوط InSight على المريخ في عام 2018، كانت برفقتها قمرين صناعيين بحجم حقيبة صغيرة يطلق عليهما MarCOs، لـ Mars Cube One، والتي كانت بمثابة مرحلات. اتبعت هذه الأقمار الصناعية الصغيرة مركبة إنسايت أثناء تحليقها بالقرب من المريخ، وقامت بمراقبة ونقل البيانات حول الهبوط، ثم توجهت إلى الفضاء. "لقد تمكنا من استهدافهم حيث أردناهم أن يكونوا حتى يتمكنوا من القيام بهذا التسجيل لالتقاط قياسات الأحداث المهمة عن بعد." قال جلادن: "وبعد انتهاء الحدث، انقلبوا ووجهوا هوائياتهم إلى الأرض وأرسلوا ذلك بيانات."

كان استخدام MarCOs بمثابة اختبار للقدرة المستقبلية، حيث لم يتم استخدام الأقمار الصناعية مثل هذا من قبل. لكن الاختبار كان ناجحا. قال جلادن: “لقد فعلوا بالضبط ما كان من المفترض أن يفعلوه”. كانت MarCOs عنصرًا يُستخدم لمرة واحدة، حيث لم يكن لديها ما يكفي من الوقود لدخول المدار. لكن مثل هذه الأقمار الصناعية الصغيرة رخيصة الثمن نسبيًا وسهلة البناء، وقد أثبتت MarCOs أن هذه طريقة قابلة للتطبيق لمراقبة أحداث معينة دون الحاجة إلى إعادة ترتيب شبكة المريخ بأكملها.

الاتصالات للبعثات المأهولة

بالنسبة للبعثات المأهولة، تعد 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 على الإطلاق. ومع ذلك، يمكننا بناء شبكة اتصالات حتى يتمكن الناس على المريخ من التحدث إلى الأرض أكثر من عدة مرات في اليوم، بهدف الحصول على اتصالات مستمرة قريبة قدر الإمكان ممكن.

القادم مهمة مخطط الجليد على المريخ وقال جلادن: “إنها خطوة في هذا الاتجاه”. "هدفنا هو إرسال كوكبة صغيرة من المركبات الفضائية التي سيتم تخصيصها للمستخدمين باستخدام Ice Mapper." هذا من شأنه هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام كوكبة لاتصالات المريخ، ويمكن أن تكون لبنة بناء لمرحل أكبر شبكة.

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

شبكة الجيل القادم حول المريخ

وقال جلادن: عندما يتعلق الأمر بتصور مستقبل احتياجات الاتصالات خارج الكوكب، "فإننا نحاول أن نفكر للأمام". "نحن نحاول النظر في ما سنحتاجه في المستقبل. خاصة وأننا نعلم أننا في نهاية المطاف نريد إرسال الناس إلى هناك.

قد يتضمن إنشاء شبكة اتصالات مريخية مستقبلية جعلها أكثر تشابهًا مع ما لدينا على كوكبنا، وذلك عن طريق إضافة المزيد من المركبات الفضائية إلى الشبكة بمزيد من القوة بشكل متزايد. "على الأرض، نحل مشكلة الاتصالات لدينا عن طريق إرسال الكثير والكثير من المركبات الفضائية على ارتفاعات منخفضة هي أنظمة عالية الطاقة تحتوي على مصفوفات شمسية كبيرة، وأجهزة راديو معقدة للغاية يمكنها توجيه الشعاع قال. "في المريخ، نريد نفس الشيء."

هناك تعقيدات في إنشاء شبكة يمكنها التعامل مع التأخيرات الطويلة، وإنشاء معايير البيانات التي يمكن استخدامها بواسطة جميع مركبات المريخ، ولكن هذا ممكن. ومن الممكن نظريًا توسيع شبكة الاتصالات هذه لتشمل أكثر من مجرد توفير الاتصالات من الأرض إلى المريخ والعودة. ويمكن استخدامه كنظام تحديد المواقع للمساعدة في الملاحة عبر المريخ، أو يمكن أن يوفر اتصالات عبر المريخ أيضًا، مع بعض التعديلات على الأجهزة.

لكن هذه المركبات الفضائية القادرة كبيرة وثقيلة، مما يجعل إطلاقها صعبا. وهم يواجهون مشكلة أخرى: على عكس الأقمار الصناعية الموجودة حول الأرض، والتي يحميها الغلاف المغناطيسي لكوكبنا، فإن الأقمار الصناعية الموجودة في مدار حول المريخ ستتعرض للقصف بالإشعاع. وهذا يعني أنهم بحاجة إلى الحماية، الأمر الذي يتطلب المزيد من الوزن.

من الناحية التكنولوجية، من الممكن حل هذه المشاكل وإقامة شبكة حول المريخ مماثلة لتلك الموجودة حول الأرض. ومع ذلك، قال جلادن: "إن كيفية الوصول إلى هناك تمثل تحديًا كبيرًا، لأنه يتعين على شخص ما أن يدفع ثمنها".

إعداد الاتصالات للمستقبل

يعد إنشاء شبكة اتصالات المريخ نصف لغز الاتصالات المستقبلية. أما النصف الآخر فهو إعداد التكنولوجيا الموجودة لدينا هنا على الأرض.

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

ولكن هناك مشكلة أخرى تتمثل في النطاق الترددي المحدود. تمتلك المركبات الفضائية الآن أدوات أكثر تعقيدًا تسجل كميات هائلة من البيانات، وتنقلها كلها تعتبر هذه البيانات عبر اتصال بطيء أمرًا محدودًا – مثل أي شخص كان عالقًا في الإنترنت البطيء يعرف.

وقال دويتش، نائب مدير DSN: "من أي مركبة فضائية معينة في المستقبل، نريد أن نكون قادرين على جلب المزيد من البيانات". "هذا لأنه مع تقدم المركبات الفضائية بمرور الوقت، فإنها تحمل المزيد والمزيد من الأدوات القادرة، وتريد استعادة المزيد والمزيد من البتات في الثانية. لذلك، لدينا هذا التحدي المتمثل في مواكبة منحنى مور الشبيه بالقانون.

الحل لهذه المشكلة هو الإرسال على ترددات عالية. وأوضح: "إذا قمت بزيادة التردد الذي تتواصل به، فهذا يؤدي إلى تضييق الشعاع الذي ينتقل من المركبة الفضائية ويصل المزيد منه إلى المكان الذي تريده". في حين استخدمت البعثات المبكرة 2.5 جيجا هرتز، انتقلت المركبات الفضائية مؤخرًا إلى حوالي 8.5 جيجا هرتز، وتستخدم أحدث المهام 32 جيجا هرتز.

يمكن للترددات الأعلى أن توفر تحسنًا يبلغ حوالي أربعة أضعاف من حيث البتات في الثانية، ولكن حتى هذا لن يكون كافيًا على المدى الطويل. لذا فإن الخطوة الكبيرة التالية في الاتصالات الفضائية هي استخدام الاتصالات الضوئية، المعروفة أيضًا باسم اتصالات الليزر. وهذا يجلب العديد من المزايا نفسها للانتقال إلى تردد أعلى، ولكن الاتصالات البصرية يمكن أن تقدم تحسينًا بمقدار 10 مقارنة بأحدث الاتصالات اللاسلكية اليوم.

والخبر السار هو أن DSN لن تحتاج إلى أجهزة جديدة تمامًا للانتقال إلى الاتصالات البصرية. يمكن ترقية الهوائيات الحالية لتعمل 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 البصرية، مثل السحب العلوية التي يمكنها حجب الإشارات. ولكن حتى مع السماح بذلك، فإن استخدام الاتصالات البصرية سيزيد من القدرة الإجمالية للشبكة بشكل كبير. وقد يتضمن الحل طويل المدى لهذه المشكلة وضع أجهزة الاستقبال في مدار حول الأرض، حيث ستكون فوق السحب.

أين نذهب من هنا؟

مشاكل التواصل مع كوكب آخر عميقة ويصعب حلها. قال جلادن: "الفيزياء غير قابلة للتغيير". "إنه طريق طويل، لذا تفقد قوة الإشارة. وهذه مشكلة يتعين علينا التغلب عليها عندما نفكر في محاولة بناء شبكة من الناس.

لكننا على أعتاب حقبة جديدة في الاتصالات الفضائية. في العقد القادم، سنتعلم المزيد عن إرسال واستقبال البيانات من مهمة Artemis القادمة إلى القمر، وMars Ice Mapper والمركبة الفضائية المخصصة لها.

يحذر غلادن قائلاً: "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 المتخذة الآن كيفية تقدم استكشاف الفضاء خلال العقود القادمة.

وقال: "سيكون الأمر مرعباً ورائعاً على حد سواء أن نرى ما سيحدث". "من ناحية، هناك الكثير من عدم اليقين بشأن ما يحدث. ولكن 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، وهي سلسلة مكونة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

توصيات المحررين

• رحلة كونية: الخدمات اللوجستية 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 المريخ
• حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون المستقبليون المياه ويجمعونها على المريخ
• الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ