Hvordan de første mennesker på Mars vil kommunikere med Jorden

Hvis du synes, det er en smerte at få cellemodtagelse, når du besøger dine slægtninge i en anden stat, så forestil dig forsøger at kommunikere med mennesker, der er mindst 40 millioner miles væk og konstant bevæger sig i forhold til du. Det er det, vi bliver nødt til at forholde os til, hvis vi planlægger at sende mennesker til Mars, når kommunikation ikke bare vil være vigtig - de vil være afgørende.

For at finde ud af, hvordan man skaber et kommunikationsnetværk, der dækker Mars og videre, og hvordan nuværende systemer opgraderes for at imødekomme udfordringen med stadigt stigende mængder af data talte vi med to eksperter, der arbejder på NASAs nuværende kommunikationssystem - en på Jorden og en på Mars side.

Denne artikel er en del af Livet på Mars, en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

At række ud i solsystemet med Deep Space Network

For at kommunikere med aktuelle missioner som Perseverance-roveren på Mars eller Voyager-missionerne, der er på vej ud i det interstellare rum, har NASA et netværk af antenner bygget rundt om planeten kaldet Deep Space Network, eller DSN.

DSN har tre steder i Californien, Spanien og Australien, som overdrager kommunikationsopgaver mellem hinanden hver dag. På den måde er der altid et sted, der peger i den retning, der er brug for, uanset hvordan Jorden roterer eller slingrer om sin akse. På hvert sted er der et antal radioantenner på op til 70 meter i størrelse, som opfanger transmissioner fra rummissioner og videresender dataene til, hvor end de skal hen på Jorden.

Internationalt samarbejde inden for kommunikation

DSN bruges til NASA-missioner, men der er andre globale netværk, der bruges af forskellige rumagenturer såsom European Space Agency (ESA). På en bemærkelsesværdig fremadskuende måde følger alle disse forskellige netværk de samme internationale standarder for deres kommunikation, så rumfartsorganisationer kan bruge hinandens netværk, hvis behovet opstår.

»Det er et ret lille samfund. Der er kun nogle få nationer, der har evnen til at sende rumfartøjer til Mars, for eksempel," Les Deutsch, vicedirektør for Interplanetary Network, som driver Deep Space Network, fortalte Digital Trends. »Det vokser, men det er stadig et lille antal. Og det påhviler os alle, da det er et lille samfund af meget dyre missioner, at forsøge at gøre dette sammen."

Det betyder, at ud over agenturer, som NASA arbejder tæt sammen med, som ESA, følger selv agenturer, som den ikke har et forhold til, som Kinas rumfartsagentur, stadig de samme standarder.

"Selv Kina abonnerer på et sæt internationale standarder, som vi har været med til at udvikle gennem årene, så alle dybe rummissioner kommunikerer på samme måde," sagde han. "Rumfartøjet har lignende radioformater, og jordstationerne har lignende slags antenner og grænseflader. Så vi kan spore hinandens rumfartøjer gennem disse aftaler. De er alle bygget til at være interoperable."

Taler med Mars

Så det er sådan, vi modtager transmissioner på Jorden. Men hvordan sender man transmissioner fra Mars? For at sende kommunikation over så stor en afstand, har du brug for en kraftfuld radio. Og missioner som rovere skal være små og lette, så der er ikke plads til at spænde en kæmpe antenne fast til dem.

For at omgå dette problem har Mars et system til videresendelse af kommunikation, kaldet Mars Relay Network eller MRN. Den består af forskellige orbitere, der i øjeblikket rejser rundt på planeten, og som kan bruges til at samle op transmissioner fra missioner på overfladen (såsom rovere, landere eller i sidste ende mennesker) og videresende disse data tilbage til Jorden. Du kan faktisk se den aktuelle position for alle fartøjer i MRN ved hjælp af denne NASA-simulering.

Størstedelen af ​​kredsløbene omkring Mars udfører dobbelt pligt. Ud over deres videnskabelige operationer fungerer de også som relæer - det er tilfældet med NASAs Mars Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) rumfartøj og Mars Reconnaissance Orbiter og ESA's Mars Express. "De fleste af vores missioner, som vi har sendt [til Mars], er i lavhøjdebaner, så de er et sted mellem 300 og 400 kilometer over overfladen. Og de er virkelig fantastiske!” MRN-chef Roy Gladden fortalte Digital Trends. "Det er gode steder at være, fordi det er dejligt tæt på, og du kan overføre en hel del data mellem et landingsaktiv og en orbiter i det miljø."

Ikke alle missioner kan dog tilføjes til relænetværket. Hvis en orbiter er i meget høj højde, eller hvis den har en meget elliptisk bane, hvor den nogle gange er tæt på planeten og andre gange er den længere væk, er det måske ikke egnet til at være en del af MRN. De Forenede Arabiske Emiraters (UAE) Hope-mission er for eksempel i meget høj højde, så den kan studere Mars' øvre atmosfære. Men det betyder, at det er for langt væk fra overfladen til at være nyttigt som relæ.

Fremtidige missioner til Mars, såsom NASAs Mars Ice Mapper eller Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) planlagt mission, vil også omfatte kommunikationshardware, så jo flere missioner vi sender dertil, jo mere kan netværket være bygget ud.

Vigtigheden af ​​timing

En af udfordringerne ved at videresende kommunikation fra Mars er det faktum, at planeten altid roterer, og at alle NASA og ESA's orbitere bevæger sig rundt om den. Det er ikke et problem, hvis din rover for eksempel skal sende kommunikation to gange om dagen - chancerne er store for, at flere orbitere vil passere over hovedet på et tidspunkt. Men når du skal spore en bestemt begivenhed på et nøjagtigt tidspunkt, bliver det mere vanskeligt.

For eksempel er det at lande en rover på planetens overflade den sværeste del af en mission, så NASA vil altid gerne have øjne på en landing. Til landingen af ​​Perseverance-roveren fik orbiterne i MRN deres baner justeret for at sikre, at de var på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt til at fange landingen. Men for at spare på dyrebart brændstof kunne de kun lave små justeringer af deres baner, så processen med at få alt på det rigtige sted begyndte år før landingen fandt sted.

En måde at gøre denne proces mere effektiv på er at bruge dedikerede relæsatellitter til at optage nøglebegivenheder som landinger. Da InSight-landeren landede på Mars i 2018, var den ledsaget af to satellitter i mappestørrelse kaldet MarCOs, for Mars Cube One, der fungerede som relæer. Disse små satellitter fulgte InSight på en forbiflyvning af Mars, overvågede og videresendte data om landingen og begav sig derefter ud i rummet. "Vi var i stand til at målrette dem derhen, hvor vi ønskede, at de skulle være, så de kunne lave den optagelse for at fange den kritiske begivenhedstelemetri," Gladden sagde, "og så efter begivenheden var forbi, vendte de sig om og pegede deres antenner tilbage mod Jorden og sendte det data."

Brugen af ​​MarCO'erne var en test af en fremtidig kapacitet, da satellitter aldrig var blevet brugt på denne måde før. Men testen var en succes. "De gjorde præcis, hvad de havde til hensigt at gøre," sagde Gladden. MarCO'erne var en engangsgenstand, da de ikke havde nok brændstof til at komme ind i kredsløb. Men sådanne små satellitter er relativt billige og nemme at bygge, og MarCO'erne demonstrerede, at dette er en levedygtig måde at overvåge specifikke begivenheder på uden at skulle omarrangere hele Mars-netværket.

Kommunikation til bemandede missioner

For bemandede missioner er regelmæssig kommunikation endnu vigtigere. Der vil altid være en forsinkelse på op til 20 minutter i kommunikationen mellem Jorden og Mars på grund af lysets hastighed. Det er der absolut ingen vej udenom. Men vi kan opbygge et kommunikationsnetværk, så folk på Mars ville være i stand til at tale med Jorden mere end et par gange om dagen, med det formål at have så tæt på konstant kommunikation tilgængelig som muligt.

Den kommende Mars Ice Mapper mission "er lidt et skridt i den retning," sagde Gladden. "Vores hensigt er at sende en lille konstellation af rumfartøjer, der vil være dedikerede relæbrugere med Ice Mapper." Dette ville være første gang en konstellation er blevet brugt til Mars-kommunikation og kan være byggestenen i et større relæ netværk.

Sådan et projekt kræver meget strøm til at kommunikere over de store afstande mellem planeter, men det er helt teknologisk muligt.

Et næste generations netværk omkring Mars

Når det kommer til at forestille sig fremtiden for ekstraplanetariske kommunikationsbehov, "prøver vi at være fremadrettede," sagde Gladden. "Vi prøver at overveje, hvad vi skal bruge i fremtiden. Især ved at vide, at vi til sidst vil sende folk derhen.”

At skabe et futuristisk Mars-kommunikationsnetværk kan involvere at gøre det mere lig det, vi har på vores planet, ved at tilføje flere rumfartøjer til netværket med stadig mere kraft. "På Jorden løser vi vores kommunikationsproblem ved at sende masser af rumfartøjer i lav højde er højtydende systemer med store solcellepaneler med meget komplekse radioer, der kan udføre strålestyring,” han sagde. "På Mars ønsker vi det samme."

Der er kompleksitet ved at skabe et netværk, der kan håndtere lange forsinkelser, og skabelsen af ​​datastandarder, der kan bruges af alle Mars-fartøjer, men det er muligt. Et sådant kommunikationsnetværk kunne teoretisk set udvides til mere end blot at levere kommunikation fra Jorden til Mars og tilbage. Det kunne bruges som et positioneringssystem til at hjælpe med navigation på tværs af Mars eller, med nogle ændringer af hardwaren, også kunne levere kommunikation på tværs af Mars.

Men sådanne dygtige rumfartøjer er store og tunge, hvilket gør dem svære at opsende. Og de står over for et andet problem: I modsætning til satellitter rundt om Jorden, som er beskyttet af vores planets magnetosfære, ville satellitter i kredsløb om Mars blive bombarderet med stråling. Det betyder, at de skal afskærmes, hvilket kræver mere vægt.

Teknologisk er det muligt at løse disse problemer og oprette et netværk omkring Mars, der kan sammenlignes med det, vi har omkring Jorden. Men "hvordan man kommer dertil er en stor udfordring," sagde Gladden, "fordi nogen skal betale for det."

Forberedelse af kommunikation til fremtiden

Opsætning af et Mars-kommunikationsnetværk er den ene halvdel af puslespillet for fremtidig kommunikation. Den anden halvdel forbereder den teknologi, vi har her på Jorden.

I øjeblikket er DSN bygge flere antenner så det kan følge med det stadigt stigende antal dybe rummissioner, der bliver lanceret. Det bruger også forbedringer i software til at automatisere flere af netværksprocesserne, så et begrænset antal medarbejdere kan overvåge flere missioner hver.

Men der er et andet problem med begrænset båndbredde. Rumfartøjer har nu mere komplekse instrumenter, der optager enorme mængder data og transmitterer alle disse data over en langsom forbindelse er begrænsende - som enhver, der nogensinde har siddet fast med langsomt internet kender til.

"Fra ethvert bestemt rumfartøj i fremtiden ønsker vi at være i stand til at bringe flere data tilbage," sagde Deutsch, vicedirektør for DSN. "Det er fordi, efterhånden som rumfartøjer skrider frem i tiden, bærer de flere og flere dygtige instrumenter og ønsker at bringe flere og flere bits i sekundet tilbage. Så vi har den udfordring at følge med Moores lovlignende kurve."

Løsningen på dette problem er at sende ved høje frekvenser. "Hvis du øger frekvensen, hvormed du kommunikerer, indsnævrer det strålen, som transmitteres fra rumfartøjet, og mere af det kommer til, hvor du vil," forklarede han. Mens tidlige missioner brugte 2,5 GHz, er rumfartøjer for nylig flyttet til omkring 8,5 GHz, og de allernyeste missioner bruger 32 GHz.

Højere frekvenser kan tilbyde en forbedring på omkring en faktor fire i form af bits per sekund, men selv det vil ikke være nok på lang sigt. Så det næste store skridt i rumkommunikation er at bruge optisk kommunikation, også kendt som laser kommunikation. Dette giver mange af de samme fordele ved at gå til en højere frekvens, men optisk kommunikation kan tilbyde en forbedring på en faktor 10 i forhold til nutidens avancerede radiokommunikation.

Og den gode nyhed er, at DSN ikke behøver helt ny hardware for at gå over til optisk kommunikation. Nuværende antenner kan opgraderes til at fungere med den nye teknologi, og nybyggede antenner er designet til at fungere på flere frekvensbånd og være i stand til at modtage optiske transmissioner.

Der er nogle begrænsninger for optisk kommunikation, såsom skyer over hovedet, der kan blokere signaler. Men selvom der tages højde for det, vil brugen af ​​optisk kommunikation øge netværkets samlede kapacitet betydeligt. Og en langsigtet løsning på dette problem kan involvere at sætte modtagere i kredsløb om Jorden, hvor de ville være over skyerne.

Hvor går vi hen herfra?

Problemerne med at kommunikere med en anden planet er dybe og svære at løse. "Fysikken er uforanderlig," sagde Gladden. »Det er langt væk, så du mister signalstyrken. Det er et problem, som vi skal overvinde, når vi tænker på at forsøge at opbygge et netværk for mennesker."

Men vi står på tærsklen til en ny æra inden for rumkommunikation. I det næste årti lærer vi mere om transmission og modtagelse af data fra den kommende Artemis-mission til månen og Mars Ice Mapper og dets dedikerede relæ-rumfartøj.

"Det bliver klodset," advarer Gladden. "Vi prøver bare at finde ud af det her." Han peger på internationale debatter om brugen af ​​standarder og det skiftende forhold mellem statslige rumorganisationer og private virksomheder. De beslutninger, der træffes nu, vil afgøre, hvordan udforskningen af ​​rummet vil skride frem i løbet af de næste årtier.

"Det bliver både skræmmende og fascinerende at se, hvad der sker," sagde han. »På den ene side er der så meget usikkerhed om, hvad der foregår. Men på den anden side er det her højteknologiske ting. Vi lærer og gør ting for første gang omkring en anden planet. Det er aldrig blevet gjort før. Det er fantastisk."

Denne artikel er en del af Livet på Mars, en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

Redaktørens anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistik ved at sætte mennesker på Mars
• Astropsykologi: Sådan forbliver du sund på Mars
• Kraftværker på andre planeter: Hvordan vi genererer elektricitet på Mars
• Høsthydrering: Hvordan fremtidige bosættere vil skabe og samle vand på Mars
• Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars