Jak budou první lidé na Marsu komunikovat se Zemí

Pokud si myslíte, že je bolestné přijímat buňky, když navštívíte své příbuzné v jiném státě, představte si to snaží komunikovat s lidmi, kteří jsou nejméně 40 milionů mil daleko a neustále se pohybují vzhledem k vy. To je to, s čím se budeme muset vypořádat, pokud plánujeme poslat lidi na Mars, když komunikace nebude jen důležitá – bude životně důležitá.

Chcete-li zjistit, jak vytvořit komunikační síť, která pokrývá Mars i mimo něj, a jak jsou současné systémy modernizovány, aby čelily výzvě stále narůstající množství dat, mluvili jsme se dvěma odborníky, kteří pracují na současném komunikačním systému NASA – jeden na straně Země a druhý na Marsu boční.

Tento článek je součástí Život na Marsu, 10dílný seriál, který zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Zasahování do sluneční soustavy pomocí sítě Deep Space Network

Aby bylo možné komunikovat se současnými misemi, jako je vozítko Perseverance na Marsu nebo mise Voyager, které míří v mezihvězdném prostoru má NASA po celé planetě vybudovanou síť antén zvanou Deep Space Network, nebo DSN.

DSN má tři místa v Kalifornii, Španělsku a Austrálii, které si mezi sebou každý den předávají komunikační povinnosti. Tímto způsobem je vždy místo nasměrované v požadovaném směru, bez ohledu na to, jak se Země otáčí nebo kolébá na své ose. Na každém místě je několik rádiových antén o velikosti až 70 metrů, které zachycují přenosy z vesmírných misí a přenášejí data kamkoli na Zemi potřebují.

Mezinárodní spolupráce v oblasti komunikací

DSN se používá pro mise NASA, ale existují další globální sítě používané různými kosmickými agenturami, jako je Evropská kosmická agentura (ESA). Pozoruhodně progresivním způsobem se všechny tyto různé sítě řídí stejnými mezinárodními standardy pro svou komunikaci, takže vesmírné agentury mohou v případě potřeby vzájemně používat své sítě.

„Je to poměrně malá komunita. Existuje jen několik zemí, které mají schopnost poslat kosmické lodě na Mars, jako příklad,“ Les Deutsch, zástupce ředitele pro Meziplanetární síť, která provozuje síť Deep Space Network, řekl Digital Trendy. "Růst, ale stále je to malé číslo. A sluší nám všem, protože jde o malou komunitu velmi nákladných misí, abychom se o to pokusili společně."

To znamená, že kromě agentur, se kterými NASA úzce spolupracuje, jako je ESA, i agentury, se kterými nemá žádný vztah, jako je čínská vesmírná agentura, stále dodržují stejné standardy.

„Dokonce i Čína se hlásí k souboru mezinárodních standardů, které jsme v průběhu let pomáhali rozvíjet, takže všechny mise do hlubokého vesmíru komunikují stejným způsobem,“ řekl. "Kosmická loď má podobné rádiové formáty a pozemní stanice mají podobné druhy antén a rozhraní." Díky těmto dohodám tedy můžeme vzájemně sledovat vesmírné lodě ostatních. Všechny jsou navrženy tak, aby byly interoperabilní."

Mluvit s Marsem

Takže takto přijímáme vysílání na Zemi. Jak ale posíláte přenosy z Marsu? K odesílání komunikace na tak velkou vzdálenost potřebujete výkonné rádio. A mise, jako jsou rovery, musí být malé a lehké, takže na ně není prostor připevnit velkou anténu.

Aby se tento problém obešel, má Mars systém pro přenos komunikace, který se nazývá Mars Relay Network nebo MRN. Skládá se z různých orbiterů, které právě cestují po planetě a které lze použít k vyzvednutí přenosy z misí na povrchu (jako jsou rovery, landery nebo případně lidé) a předávají tato data zpět Země. Můžete skutečně vidět aktuální polohu všech plavidel v MRN pomocí tato simulace NASA.

Většina orbiterů kolem Marsu plní dvojí povinnost. Kromě svých vědeckých operací fungují také jako relé – to je případ Marsu NASA Kosmická loď Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) a sonda Mars Reconnaissance Orbiter a Mars ESA Vyjádřit. „Většina našich misí, které jsme vyslali [na Mars], je na oběžných drahách v nízkých nadmořských výškách, takže jsou někde mezi 300 a 400 kilometry nad povrchem. A ty jsou opravdu skvělé!" Manažer MRN Roy Gladden řekl Digital Trends. "Jsou to skvělá místa, protože je to pěkné a blízko a v tomto prostředí můžete přenášet poměrně dost dat mezi přistávacím zařízením a orbiterem."

Ne každá mise však může být přidána do přenosové sítě. Pokud je orbiter ve velmi vysoké výšce nebo pokud má velmi eliptickou dráhu, kde někdy je blízko planety a jindy je vzdálenější, nemusí být vhodné být součástí MRN. Například mise Hope Spojených arabských emirátů (SAE) je ve velmi vysoké nadmořské výšce, takže může studovat horní atmosféru Marsu. Ale to znamená, že je příliš daleko od povrchu, aby byl užitečný jako relé.

Budoucí mise na Mars, jako je NASA Mars Ice Mapper nebo Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) plánované mise, bude zahrnovat také komunikační hardware, takže čím více misí tam pošleme, tím větší bude síť postavený ven.

Důležitost načasování

Jednou z výzev přenosu komunikace z Marsu je skutečnost, že planeta se neustále otáčí a že se kolem ní pohybují všechny orbitery NASA a ESA. To není problém, pokud váš rover potřebuje posílat komunikaci například dvakrát denně – je vysoká šance, že nad hlavou v určitém okamžiku proletí několik orbiterů. Ale když potřebujete sledovat konkrétní událost v přesný čas, je to složitější.

Například přistání roveru na povrchu planety je nejobtížnější částí mise, takže NASA chce mít vždy oči na přistání. Pro přistání vozítka Perseverance si orbitery v MRN upravily oběžné dráhy, aby bylo zajištěno, že budou na správném místě ve správný čas, aby zachytily přistání. Ale aby ušetřili na drahocenném palivu, mohli provést jen malé úpravy svých trajektorií, takže proces dostat vše na správné místo začal roky předtím, než došlo k přistání.

Jedním ze způsobů, jak tento proces zefektivnit, je použití vyhrazených přenosových satelitů pro záznam klíčových událostí, jako jsou přistání. Když přistávací modul InSight v roce 2018 přistál na Marsu, byl doprovázen dva satelity velikosti kufříku zvané MarCO, pro Mars Cube One, který fungoval jako relé. Tyto malé satelity sledovaly InSight při průletu kolem Marsu, monitorovaly a předávaly data o přistání a poté zamířily do vesmíru. "Dokázali jsme je zacílit tam, kde jsme je chtěli mít, aby mohli pořídit záznam, aby zachytili telemetrii kritické události," Gladden řekl: „A potom, když událost skončila, otočili se a namířili své antény zpět na Zemi a vysílali data."

Použití MarCO bylo testem budoucí schopnosti, protože družice se nikdy předtím takto nepoužívaly. Ale test byl úspěšný. "Udělali přesně to, co měli udělat," řekl Gladden. MarCO byly jednorázovým předmětem, protože neměly dostatek paliva pro vstup na oběžnou dráhu. Ale takové malé satelity jsou relativně levné a snadno se staví a MarCOs ukázaly, že je to životaschopný způsob, jak sledovat konkrétní události, aniž by bylo nutné přeskupovat celou síť Marsu.

Komunikace pro mise s posádkou

Pro mise s posádkou je pravidelná komunikace ještě důležitější. Kvůli rychlosti světla bude komunikace mezi Zemí a Marsem vždy zpožděna až o 20 minut. To absolutně nejde obejít. Můžeme však vybudovat komunikační síť, aby lidé na Marsu mohli mluvit se Zemí více než několikrát denně, s cílem mít k dispozici co nejblíže neustálé komunikaci možný.

Nadcházející Mise Mars Ice Mapper "Je to určitý krok tímto směrem," řekl Gladden. "Naším záměrem je vyslat malou konstelaci kosmických lodí, které budou vyhrazeny pro přenosové uživatele s Ice Mapper." Tohle by bylo být poprvé, kdy byla konstelace použita pro komunikaci na Marsu, a mohla by být stavebním kamenem většího relé síť.

Takový projekt vyžaduje hodně energie ke komunikaci na velké vzdálenosti mezi planetami, ale je to zcela technologicky proveditelné.

Síť nové generace kolem Marsu

Pokud jde o představu budoucnosti mimoplanetárních komunikačních potřeb, „snažíme se myslet dopředu,“ řekl Gladden. „Snažíme se zvážit, co budeme v budoucnu potřebovat. Zejména s vědomím, že tam nakonec chceme poslat lidi.“

Vytvoření futuristické komunikační sítě na Marsu by mohlo zahrnovat její přiblížení tomu, co máme na naší planetě, přidáním dalších kosmických lodí do sítě se stále větším výkonem. "Na Zemi řešíme náš komunikační problém tím, že vysíláme mnoho a mnoho kosmických lodí v nízkých nadmořských výškách jsou vysoce výkonné systémy s velkými solárními poli, s velmi složitými rádii, které dokážou řídit paprsek,“ řekl řekl. "Na Marsu chceme to samé."

Vytvoření sítě, která zvládne dlouhé prodlevy, a vytvoření datových standardů, které mohou používat všechna plavidla Marsu, je složité, ale je to možné. Taková komunikační síť by teoreticky mohla být rozšířena tak, aby dělala víc než jen zajišťování komunikace ze Země na Mars a zpět. Mohl by být použit jako poziční systém, který by pomohl s navigací po Marsu, nebo s určitými úpravami hardwaru by mohl také poskytovat komunikaci přes Mars.

Ale takové schopné kosmické lodě jsou velké a těžké, což ztěžuje jejich start. A čelí dalšímu problému: Na rozdíl od satelitů kolem Země, které jsou chráněny magnetosférou naší planety, by satelity na oběžné dráze kolem Marsu byly bombardovány radiací. To znamená, že je třeba je stínit, což vyžaduje větší váhu.

Technologicky je možné tyto problémy vyřešit a vytvořit kolem Marsu síť srovnatelnou s tou, kterou máme kolem Země. Gladden však řekl: „Jak se tam dostat, je velká výzva, protože za to někdo musí zaplatit.

Příprava komunikace do budoucna

Nastavení komunikační sítě Mars je jednou polovinou hádanky pro budoucí komunikaci. Druhá polovina připravuje technologii, kterou máme tady na Zemi.

V současné době je DSN budování dalších antén tak může držet krok se stále se zvyšujícím počtem zahajovaných misí do hlubokého vesmíru. Využívá také vylepšení softwaru k automatizaci více síťových procesů, takže omezený počet zaměstnanců může dohlížet na více misí na každou.

Ale je tu další problém omezené šířky pásma. Kosmické lodě mají nyní složitější přístroje, které zaznamenávají obrovské množství dat a všechny přenášejí tato data přes pomalé připojení jsou omezující – jako každý, kdo někdy uvízl na pomalém internetu ví.

"Z jakékoli konkrétní kosmické lodi v budoucnu chceme být schopni vrátit více dat," řekl Deutsch, zástupce ředitele DSN. „Je to proto, že jak kosmické lodě postupují v čase, nesou stále schopnější nástroje a chtějí přinášet zpět stále více bitů za sekundu. Takže máme výzvu držet krok s křivkou podobnou Moorově zákonu."

Řešením tohoto problému je vysílání na vysokých frekvencích. "Pokud zvýšíte frekvenci, na které komunikujete, zúží to paprsek, který je vysílán z kosmické lodi, a více se dostane tam, kam chcete," vysvětlil. Zatímco první mise používaly 2,5 GHz, kosmické lodě se nedávno přesunuly na přibližně 8,5 GHz a nejnovější mise používají 32 GHz.

Vyšší frekvence mohou nabídnout zlepšení přibližně čtyřnásobně, pokud jde o bity za sekundu, ale ani to nebude z dlouhodobého hlediska stačit. Takže dalším velkým krokem ve vesmírné komunikaci je použití optické komunikace, známé také jako laserové komunikace. To přináší mnoho stejných výhod přechodu na vyšší frekvenci, ale optické komunikace mohou nabídnout zlepšení faktoru 10 oproti dnešním nejmodernějším radiokomunikacím.

A dobrou zprávou je, že DSN nebude pro přechod na optickou komunikaci potřebovat zcela nový hardware. Současné antény lze upgradovat, aby fungovaly s novou technologií, a nově postavené antény jsou navrženy tak, aby pracovaly na více frekvenčních pásmech a byly schopné přijímat optické přenosy.

Existují určitá omezení pro optickou komunikaci, jako jsou mraky nad hlavou, které mohou blokovat signály. Ale i když to dovolíme, použití optické komunikace značně zvýší celkovou kapacitu sítě. A dlouhodobé řešení tohoto problému by mohlo zahrnovat umístění přijímačů na oběžnou dráhu kolem Země, kde by byly nad mraky.

Kam máme odsud namířeno?

Problémy komunikace s jinou planetou jsou hluboké a těžko řešitelné. "Fyzika je neměnná," řekl Gladden. „Je to daleko, takže ztrácíte sílu signálu. To je problém, který musíme překonat, když přemýšlíme o tom, jak vybudovat síť pro lidi.“

Ale jsme na prahu nové éry ve vesmírné komunikaci. V příštím desetiletí se dozvíme více o přenosu a přijímání dat z nadcházející mise Artemis na Měsíc a Mars Ice Mapper a jeho vyhrazené reléové kosmické lodi.

"Bude to neohrabané," varuje Gladden. "Jen se na to snažíme přijít." Poukazuje na mezinárodní debaty o používání norem a měnící se vztah mezi vládními kosmickými agenturami a soukromými společnostmi. Nyní učiněná rozhodnutí určí, jak bude průzkum vesmíru v příštích desetiletích postupovat.

"Bude to děsivé a fascinující vidět, co se stane," řekl. „Na jedné straně je tu tolik nejistoty, co se děje. Ale na druhou stranu jde o high-tech věci. Učíme se a děláme věci poprvé kolem jiné planety. To se ještě nikdy nedělalo. To je úžasný."

Tento článek je součástí Život na Marsu, 10dílný seriál, který zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Doporučení redakce

• Kosmologické dojíždění: Složitá logistika přivádění lidí na Mars
• Astropsychologie: Jak si udržet zdravý rozum na Marsu
• Elektrárny na jiných planetách: Jak budeme vyrábět elektřinu na Marsu
• Sklizeň hydratace: Jak budou budoucí osadníci vytvářet a sbírat vodu na Marsu
• Astrozemědělství: Jak budeme pěstovat plodiny na Marsu