Как първите хора на Марс ще комуникират със Земята

Ако мислите, че е трудно да получите клетъчен прием, когато посещавате роднините си в друга държава, само си представете опитвайки се да общуват с хора, които са на поне 40 милиона мили и постоянно се движат спрямо Вие. Това е, с което ще трябва да се справим, ако планираме да изпратим хора на Марс, когато комуникациите няма да бъдат просто важни – те ще бъдат жизненоважни.

За да разберете как да създадете комуникационна мрежа, която покрива Марс и извън него, и как настоящите системи се надграждат, за да посрещнат предизвикателството на непрекъснато увеличаващи се количества данни, разговаряхме с двама експерти, които работят върху текущата комуникационна система на НАСА - един от страната на Земята и един от Марс страна.

Тази статия е част от Животът на Марс, поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс

Достигане до слънчевата система с Deep Space Network

За да комуникирате с текущи мисии като марсохода Perseverance на Марс или мисиите Voyager, които се насочват в междузвездното пространство, НАСА има мрежа от антени, изградени навсякъде около планетата, наречена Deep Space Network, или DSN.

DSN има три обекта в Калифорния, Испания и Австралия, които си предават комуникационни задължения всеки ден. По този начин винаги има място, насочено в необходимата посока, независимо от това как Земята се върти или се клати около оста си. На всяко място има редица радиоантени с размери до 70 метра, които улавят предавания от космически мисии и препращат данните до където трябва да отидат на Земята.

Международно сътрудничество в комуникациите

DSN се използва за мисии на НАСА, но има и други глобални мрежи, използвани от различни космически агенции, като Европейската космическа агенция (ESA). По забележително далновиден начин всички тези различни мрежи следват едни и същи международни стандарти за своите комуникации, така че космическите агенции могат да използват мрежите на другите, ако възникне необходимост.

„Това е сравнително малка общност. Има само няколко нации, които имат способността да изпратят космически кораби до Марс, като пример“, Лес Дойч, заместник-директор на Междупланетната мрежа, която управлява Deep Space Network, каза за Digital Тенденции. „Нараства, но все още е малък брой. И за всички нас е редно, тъй като това е малка общност от много скъпи мисии, да се опитаме да направим това заедно.

Това означава, че в допълнение към агенциите, с които НАСА работи в тясно сътрудничество, като ESA, дори агенции, с които тя няма връзка, като китайската космическа агенция, все още следват същите стандарти.

„Дори Китай се абонира за набор от международни стандарти, които сме помогнали да разработим през годините, така че всички мисии в дълбокия космос да комуникират по един и същи начин“, каза той. „Космическите кораби имат подобни радиоформати, а наземните станции имат подобни видове антени и интерфейси. Така че можем да проследяваме космическите кораби на другите чрез тези споразумения. Всички те са създадени да бъдат оперативно съвместими.“

Говорейки с Марс

Ето как получаваме предавания на Земята. Но как изпращате предавания от Марс? За да изпращате съобщения на такова голямо разстояние, имате нужда от мощно радио. А мисии като марсоходите трябва да са малки и леки, така че няма място за закрепване на огромна антена към тях.

За да заобиколи този проблем, Марс има система за препредаване на комуникации, наречена Mars Relay Network или MRN. Състои се от различни орбитални апарати, които в момента пътуват около планетата и които могат да се използват за прибиране предавания от мисии на повърхността (като роувъри, спускаеми апарати или евентуално хора) и предава тези данни обратно на Земята. Всъщност можете да видите текущата позиция на всички кораби в MRN, като използвате тази симулация на НАСА.

Повечето орбитални кораби около Марс изпълняват двойно задължение. В допълнение към своите научни операции, те също работят като релета - такъв е случаят с Марс на НАСА Космически кораб Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) и Mars Reconnaissance Orbiter и Mars на ESA Експрес. „Повечето от нашите мисии, които изпратихме [до Марс], са на орбити с ниска надморска височина, така че са някъде между 300 и 400 километра над повърхността. А те наистина са страхотни!“ Мениджърът на MRN Рой Гладън каза пред Digital Trends. „Това са страхотни места, защото е хубаво и близо и можете да предавате доста данни между кацащо средство и орбитален апарат в тази среда.“

Не всяка мисия обаче може да бъде добавена към релейната мрежа. Ако орбитален апарат е на много голяма надморска височина или ако има много елиптична орбита, където понякога е близо до планетата, а друг път е по-далеч, може да не е подходящо да бъдете част от MRN. Мисията Hope на Обединените арабски емирства (ОАЕ) например е на много голяма надморска височина, за да може да изследва горната атмосфера на Марс. Но това означава, че е твърде далеч от повърхността, за да бъде полезен като реле.

Бъдещи мисии до Марс, като например Mars Ice Mapper на НАСА или планираните на Японската агенция за аерокосмически изследвания (JAXA) мисия, ще включва и комуникационен хардуер, така че колкото повече мисии изпращаме там, толкова повече мрежата може да бъде изградени.

Значението на времето

Едно от предизвикателствата при предаването на комуникации от Марс е фактът, че планетата винаги се върти и че всички орбитални апарати на НАСА и ЕКА се движат около нея. Това не е проблем, ако вашият роувър трябва да изпраща съобщения два пъти на ден, например – шансовете са високи няколко орбитални апарата да преминат над главата им в даден момент. Но когато трябва да проследите конкретно събитие в точно време, става по-трудно.

Например приземяването на марсоход на повърхността на планетата е най-трудната част от мисията, така че НАСА винаги иска да има око върху кацането. За кацането на марсохода Perseverance, орбитите в MRN бяха променени, за да се гарантира, че ще бъдат на точното място в точното време, за да заснемат кацането. Но за да спестят ценно гориво, те можеха да направят само малки корекции на своите траектории, така че процесът на поставяне на всичко на правилното място започна години преди кацането.

Един от начините да направите този процес по-ефективен е да използвате специални сателити за предаване, за да записвате ключови събития като кацания. Когато спускаемият модул InSight кацна на Марс през 2018 г., той беше придружен от два сателита с размер на куфарче, наречени MarCOs, за Mars Cube One, които действаха като релета. Тези малки сателити следваха InSight при прелитане на Марс, наблюдаваха и предаваха данни за кацането и след това се отправиха към космоса. „Успяхме да ги насочим към мястото, където искахме да бъдат, за да могат да направят този запис, за да уловят телеметрията на критичното събитие,“ Гладън каза, „и след като събитието приключи, те се обърнаха и насочиха антените си обратно към Земята и предадоха това данни."

Използването на MarCOs беше тест за бъдеща способност, тъй като сателитите никога не са били използвани по този начин преди. Но тестът беше успешен. „Те направиха точно това, което трябваше да направят“, каза Гладън. MarCO бяха артикул за еднократна употреба, тъй като нямаха достатъчно гориво, за да влязат в орбита. Но такива малки сателити са сравнително евтини и лесни за изграждане и MarCOs показаха, че това е жизнеспособен начин за наблюдение на конкретни събития, без да се налага да пренареждате цялата мрежа на Марс.

Комуникации за мисии с екипаж

За мисии с екипаж редовните комуникации са още по-важни. Винаги ще има забавяне до 20 минути в комуникациите между Земята и Марс поради скоростта на светлината. Няма абсолютно никакъв начин да се заобиколи това. Въпреки това можем да изградим комуникационна мрежа, така че хората на Марс да могат да говорят със Земята повече от няколко пъти на ден, с цел да има възможно най-близо до постоянна комуникация възможен.

Предстоящото Мисия Mars Ice Mapper „е нещо като стъпка в тази посока“, каза Гладън. „Нашето намерение е да изпратим малко съзвездие от космически кораби, които ще бъдат специализирани потребители на реле с Ice Mapper.“ Това би за първи път съзвездие е използвано за комуникация с Марс и може да бъде градивният елемент на по-голямо реле мрежа.

Подобен проект изисква много мощност за комуникация на големи разстояния между планетите, но е напълно технологично осъществим.

Мрежа от следващо поколение около Марс

Когато става въпрос за предвиждане на бъдещето на извънпланетните комуникационни нужди, „ние се опитваме да мислим напред“, каза Гладън. „Опитваме се да обмислим от какво ще имаме нужда в бъдеще. Особено като знаем, че в крайна сметка искаме да изпратим хора там.

Създаването на футуристична комуникационна мрежа на Марс може да включва превръщането й в по-подобна на това, което имаме на нашата планета, чрез добавяне на повече космически кораби към мрежата с все по-голяма мощност. „На Земята решаваме комуникационния си проблем, като изпращаме много и много космически кораби на ниска надморска височина, които са високомощни системи с големи слънчеви решетки, с много сложни радиостанции, които могат да управляват лъча“, той казах. „На Марс искаме същото.“

Има сложности при създаването на мрежа, която може да се справи с дълги закъснения, и създаването на стандарти за данни, които могат да се използват от всички кораби на Марс, но е възможно. Подобна комуникационна мрежа теоретично може да бъде разширена, за да направи повече от просто осигуряване на комуникации от Земята до Марс и обратно. Може да се използва като система за позициониране, за да помогне с навигацията през Марс или, с някои модификации на хардуера, може да осигури комуникация и през Марс.

Но такива способни космически кораби са големи и тежки, което ги прави трудни за изстрелване. И те са изправени пред друг проблем: за разлика от сателитите около Земята, които са защитени от магнитосферата на нашата планета, сателитите в орбита около Марс ще бъдат бомбардирани с радиация. Това означава, че те трябва да бъдат защитени, което изисква повече тегло.

Технологично е възможно да се решат тези проблеми и да се създаде мрежа около Марс, сравнима с тази, която имаме около Земята. Въпреки това, „как да стигнем до там е голямо предизвикателство“, каза Гладън, „защото някой трябва да плати за това.“

Подготовка на комуникациите за бъдещето

Създаването на комуникационна мрежа на Марс е половината от пъзела за бъдещи комуникации. Другата половина подготвя технологията, която имаме тук на Земята.

В момента DSN е изграждане на повече антени така че да може да се справи с непрекъснато нарастващия брой стартирани мисии в дълбокия космос. Той също така използва подобрения в софтуера, за да автоматизира повече от мрежовите процеси, така че ограничен брой служители да могат да наблюдават повече мисии всяка.

Но има друг проблем с ограничената честотна лента. Космическите кораби вече имат по-сложни инструменти, които записват огромни масиви от данни и ги предават тези данни при бавна връзка са ограничаващи - както всеки, който някога е бил заседнал с бавен интернет знае.

„От всеки конкретен космически кораб в бъдеще искаме да можем да връщаме повече данни“, каза Дойч, заместник-директор на DSN. „Това е така, защото докато космическите кораби напредват във времето, те носят все по-способни инструменти и искат да върнат все повече и повече битове в секунда. Така че имаме това предизвикателство да се справим с кривата, подобна на закона на Мур.“

Решението на този проблем е предаването на високи честоти. „Ако увеличите честотата, на която комуникирате, това стеснява лъча, който се предава от космическия кораб и повече от него стига до мястото, където искате“, обясни той. Докато ранните мисии използваха 2,5 GHz, космическите кораби наскоро преминаха на около 8,5 GHz, а най-новите мисии използват 32 GHz.

По-високите честоти могат да предложат подобрение от около четири пъти по отношение на битове в секунда, но дори това няма да е достатъчно в дългосрочен план. Така че следващата голяма стъпка в космическите комуникации е използването на оптични комуникации, известни също като лазерни комуникации. Това носи много от същите предимства на преминаването към по-висока честота, но оптичните комуникации могат да предложат подобрение с фактор 10 в сравнение с днешните най-съвременни радиокомуникации.

И добрата новина е, че DSN няма да се нуждае от изцяло нов хардуер, за да премине към оптични комуникации. Настоящите антени могат да бъдат надградени, за да работят с новата технология, а новоизградените антени са проектирани да работят на множество честотни ленти и да могат да приемат оптични предавания.

Има някои ограничения за оптичните комуникации, като облаци над главата, които могат да блокират сигнали. Но дори като се вземе предвид това, използването на оптични комуникации ще увеличи значително общата способност на мрежата. И едно дългосрочно решение на този проблем може да включва поставяне на приемници в орбита около Земята, където те ще бъдат над облаците.

От тук накъде?

Проблемите на комуникацията с друга планета са дълбоки и трудни за разрешаване. „Физиката е неизменна“, каза Гладън. „Дълго е, така че губите силата на сигнала. Това е проблем, който трябва да преодолеем, когато мислим да се опитаме да изградим мрежа за хората.“

Но ние сме на прага на нова ера в космическите комуникации. През следващото десетилетие ще научим повече за предаването и получаването на данни от предстоящата мисия Artemis до Луната и Mars Ice Mapper и неговия специален релеен космически кораб.

„Ще бъде тромаво“, предупреждава Гладън. „Просто се опитваме да разберем това.“ Той посочва международните дебати относно използването на стандарти и променящите се отношения между държавните космически агенции и частните компании. Решенията, взети сега, ще определят как ще напреднат космическите изследвания през следващите десетилетия.

„Ще бъде едновременно ужасяващо и завладяващо да видим какво ще се случи“, каза той. „От една страна, има толкова много несигурност относно това, което се случва. Но от друга страна, това са високотехнологични неща. Учим и правим неща за първи път около друга планета. Това никога не е правено преди. Това е невероятно."

Тази статия е част от Животът на Марс, поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс

Препоръки на редакторите

• Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
• Астропсихология: Как да останем здрави на Марс
• Електроцентрали на други планети: Как ще генерираме електричество на Марс
• Събиране на хидратация: Как бъдещите заселници ще създават и събират вода на Марс
• Астроземеделие: Как ще отглеждаме култури на Марс