Wie die ersten Menschen auf dem Mars mit der Erde kommunizieren werden

Wenn Sie denken, dass es mühsam ist, einen Mobilfunkempfang zu bekommen, wenn Sie Ihre Verwandten in einem anderen Bundesstaat besuchen, stellen Sie sich das einfach vor Ich versuche, mit Menschen zu kommunizieren, die mindestens 40 Millionen Meilen entfernt sind und sich ständig relativ zu ihnen bewegen Du. Damit müssen wir uns auseinandersetzen, wenn wir vorhaben, Menschen zum Mars zu schicken, wenn Kommunikation nicht nur wichtig, sondern lebenswichtig sein wird.

Um herauszufinden, wie man ein Kommunikationsnetzwerk schafft, das den Mars und darüber hinaus abdeckt, und wie aktuelle Systeme aufgerüstet werden, um dieser Herausforderung gerecht zu werden Angesichts der immer größer werdenden Datenmengen sprachen wir mit zwei Experten, die am aktuellen Kommunikationssystem der NASA arbeiten – einer auf der Erdseite und einer auf dem Mars Seite.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars, eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Mit dem Deep Space Network ins Sonnensystem vordringen

Um mit aktuellen Missionen wie dem Perseverance-Rover auf dem Mars oder den bevorstehenden Voyager-Missionen zu kommunizieren Um in den interstellaren Raum hinauszudringen, verfügt die NASA über ein Netzwerk von Antennen rund um den Planeten, das sogenannte Deep Space Network DSN.

Das DSN verfügt über drei Standorte in Kalifornien, Spanien und Australien, die täglich Kommunikationsaufgaben untereinander übergeben. Auf diese Weise gibt es immer einen Standort, der in die benötigte Richtung zeigt, unabhängig davon, wie sich die Erde dreht oder um ihre Achse wackelt. An jedem Standort gibt es eine Reihe von bis zu 70 Meter großen Funkantennen, die Übertragungen von Weltraummissionen empfangen und die Daten dorthin weiterleiten, wo sie auf der Erde benötigt werden.

Internationale Zusammenarbeit in der Kommunikation

Das DSN wird für NASA-Missionen verwendet, es gibt jedoch auch andere globale Netzwerke, die von verschiedenen Weltraumagenturen wie der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) genutzt werden. Auf bemerkenswert zukunftsorientierte Weise folgen alle diese verschiedenen Netzwerke denselben internationalen Standards für ihre Kommunikation, sodass Raumfahrtagenturen bei Bedarf die Netzwerke anderer nutzen können.

„Es ist eine ziemlich kleine Gemeinschaft. „Es gibt nur wenige Nationen, die beispielsweise in der Lage sind, Raumschiffe zum Mars zu schicken“, sagte Les Deutsch, der stellvertretende Direktor des Interplanetary Network, das das Deep Space Network betreibt, sagte gegenüber Digital Trends. „Es wächst, aber es ist immer noch eine kleine Zahl. Und da es sich um eine kleine Gemeinschaft sehr teurer Missionen handelt, liegt es an uns allen, dies gemeinsam zu versuchen.“

Das bedeutet, dass neben Agenturen, mit denen die NASA eng zusammenarbeitet, wie etwa der ESA, auch Agenturen, mit denen sie keine Beziehung hat, wie etwa die chinesische Raumfahrtbehörde, immer noch dieselben Standards befolgen.

„Sogar China bekennt sich zu einer Reihe internationaler Standards, die wir im Laufe der Jahre mitentwickelt haben, damit alle Weltraummissionen auf die gleiche Weise kommunizieren“, sagte er. „Die Raumschiffe haben ähnliche Funkformate und die Bodenstationen haben ähnliche Antennen und Schnittstellen. So können wir durch diese Vereinbarungen die Raumschiffe der anderen verfolgen. Sie sind alle auf Interoperabilität ausgelegt.“

Mit dem Mars reden

Auf diese Weise empfangen wir also Übertragungen auf der Erde. Aber wie sendet man Übertragungen vom Mars? Um Kommunikation über eine so große Entfernung zu senden, benötigen Sie ein leistungsstarkes Funkgerät. Und Missionen wie Rover müssen klein und leicht sein, sodass kein Platz ist, um eine riesige Antenne daran zu befestigen.

Um dieses Problem zu umgehen, verfügt Mars über ein System zur Weiterleitung der Kommunikation, das Mars Relay Network oder MRN. Es besteht aus verschiedenen Orbitern, die derzeit um den Planeten reisen und zur Aufnahme genutzt werden können Übertragungen von Missionen an der Oberfläche (wie Rover, Lander oder schließlich Menschen) und leiten diese Daten zurück an Erde. Mit können Sie tatsächlich die aktuelle Position aller Fahrzeuge im MRN sehen diese NASA-Simulation.

Die meisten Orbiter um den Mars erfüllen Doppelaufgaben. Zusätzlich zu ihren wissenschaftlichen Operationen fungieren sie auch als Relais – das ist beim Mars der NASA der Fall Raumsonde „Atmospheric and Volatile EvolutioN“ (MAVEN) und Mars Reconnaissance Orbiter sowie der Mars der ESA Äußern. „Die meisten unserer Missionen, die wir [zum Mars] geschickt haben, befinden sich auf Umlaufbahnen in geringer Höhe, also irgendwo zwischen 300 und 400 Kilometern über der Oberfläche. Und die sind wirklich toll!“ MRN-Manager Roy Gladden sagte gegenüber Digital Trends. „Das sind großartige Orte, weil es schön nah ist und man in dieser Umgebung eine Menge Daten zwischen einem Landegerät und einem Orbiter übertragen kann.“

Allerdings kann nicht jede Mission dem Relaisnetzwerk hinzugefügt werden. Wenn sich ein Orbiter in sehr großer Höhe befindet oder wenn er eine sehr elliptische Umlaufbahn hat, wo er sich manchmal befindet In der Nähe des Planeten und in anderen Fällen, in denen er weiter entfernt ist, ist er möglicherweise nicht geeignet, Teil davon zu sein Herr. Die Hope-Mission der Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) befindet sich beispielsweise in sehr großer Höhe, um die obere Atmosphäre des Mars zu untersuchen. Aber das bedeutet, dass es zu weit von der Oberfläche entfernt ist, um als Relais nützlich zu sein.

Zukünftige Missionen zum Mars, wie etwa der Mars Ice Mapper der NASA oder der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), sind geplant Mission wird auch Kommunikationshardware umfassen. Je mehr Missionen wir also dorthin senden, desto besser kann das Netzwerk sein ausbauen.

Die Bedeutung des Timings

Eine der Herausforderungen bei der Weiterleitung der Kommunikation vom Mars besteht darin, dass sich der Planet ständig dreht und dass sich alle Orbiter der NASA und der ESA um ihn bewegen. Das ist kein Problem, wenn Ihr Rover beispielsweise zweimal am Tag Nachrichten senden muss – die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass irgendwann mehrere Orbiter über ihm hinwegfliegen. Wenn Sie jedoch ein bestimmtes Ereignis zu einem genauen Zeitpunkt verfolgen müssen, wird es schwieriger.

Beispielsweise ist die Landung eines Rovers auf der Planetenoberfläche der schwierigste Teil einer Mission, daher möchte die NASA immer ein Auge auf die Landung haben. Für die Landung des Rovers Perseverance wurden die Umlaufbahnen der Orbiter im MRN angepasst, um sicherzustellen, dass sie zur richtigen Zeit am richtigen Ort waren, um die Landung zu erfassen. Um jedoch kostbaren Treibstoff zu sparen, konnten sie ihre Flugbahnen nur geringfügig anpassen, sodass der Prozess, alles an den richtigen Ort zu bringen, bereits Jahre vor der Landung begann.

Eine Möglichkeit, diesen Prozess effizienter zu gestalten, besteht darin, spezielle Relaissatelliten zu verwenden, um wichtige Ereignisse wie Landungen aufzuzeichnen. Als der InSight-Lander 2018 auf dem Mars landete, wurde er von begleitet zwei aktentaschengroße Satelliten namens MarCOs, für Mars Cube One, die als Relais fungierten. Diese kleinen Satelliten folgten InSight auf einem Vorbeiflug am Mars, überwachten und übermittelten Daten über die Landung und machten sich dann auf den Weg ins All. „Wir konnten sie dorthin zielen, wo wir sie haben wollten, damit sie diese Aufzeichnung durchführen konnten, um die Telemetrie des kritischen Ereignisses zu erfassen.“ Gladden sagte: „Und dann, nachdem das Ereignis vorbei war, drehten sie sich um, richteten ihre Antennen zurück auf die Erde und übermittelten das.“ Daten."

Der Einsatz der MarCOs war ein Test für die zukünftige Leistungsfähigkeit, da Satelliten noch nie zuvor auf diese Weise eingesetzt wurden. Aber der Test war ein Erfolg. „Sie haben genau das getan, was sie tun sollten“, sagte Gladden. Die MarCOs waren ein Einmalartikel, da sie nicht über genügend Treibstoff verfügten, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Aber solche kleinen Satelliten sind relativ günstig und einfach zu bauen, und die MarCOs haben gezeigt, dass dies eine praktikable Möglichkeit ist, bestimmte Ereignisse zu überwachen, ohne das gesamte Mars-Netzwerk neu organisieren zu müssen.

Kommunikation für bemannte Missionen

Bei bemannten Missionen ist eine regelmäßige Kommunikation sogar noch wichtiger. Aufgrund der Lichtgeschwindigkeit wird es bei der Kommunikation zwischen Erde und Mars immer zu einer Verzögerung von bis zu 20 Minuten kommen. Daran führt absolut kein Weg vorbei. Wir können jedoch ein Kommunikationsnetzwerk aufbauen, damit die Menschen auf dem Mars mit der Erde kommunizieren können mehr als ein paar Mal am Tag, mit dem Ziel, eine möglichst konstante Kommunikationsmöglichkeit zu gewährleisten möglich.

Das bevorstehende Mars Ice Mapper-Mission „Ist eine Art Schritt in diese Richtung“, sagte Gladden. „Unsere Absicht ist es, mit Ice Mapper eine kleine Konstellation von Raumfahrzeugen zu senden, die engagierten Relay-Benutzern zur Verfügung stehen.“ Das würde Dies wäre das erste Mal, dass eine Konstellation für die Marskommunikation genutzt wird, und könnte der Baustein für ein größeres Relais sein Netzwerk.

Ein solches Projekt erfordert viel Energie, um über große Entfernungen zwischen Planeten zu kommunizieren, ist aber technisch durchaus machbar.

Ein Netzwerk der nächsten Generation rund um den Mars

Wenn es darum geht, sich die Zukunft der extraplanetaren Kommunikationsbedürfnisse vorzustellen, „versuchen wir, vorausschauend zu denken“, sagte Gladden. „Wir versuchen zu überlegen, was wir in Zukunft brauchen würden. Vor allem in dem Wissen, dass wir irgendwann Leute dorthin schicken wollen.“

Die Schaffung eines futuristischen Mars-Kommunikationsnetzwerks könnte bedeuten, dass es dem, was wir auf unserem Planeten haben, ähnlicher wird, indem dem Netzwerk mehr Raumschiffe mit immer mehr Leistung hinzugefügt werden. „Auf der Erde lösen wir unser Kommunikationsproblem, indem wir viele, viele Raumschiffe in geringer Höhe dorthin schicken sind Hochleistungssysteme mit großen Solaranlagen und hochkomplexen Funkgeräten, die Strahlsteuerung durchführen können“, sagte er genannt. „Bei Mars wollen wir dasselbe.“

Die Schaffung eines Netzwerks, das lange Verzögerungen bewältigen kann, und die Schaffung von Datenstandards, die von allen Marsschiffen genutzt werden können, sind zwar komplex, aber es ist möglich. Ein solches Kommunikationsnetz könnte theoretisch so erweitert werden, dass es mehr kann als nur die Kommunikation von der Erde zum Mars und zurück. Es könnte als Ortungssystem zur Unterstützung der Navigation auf dem Mars eingesetzt werden oder, mit einigen Modifikationen an der Hardware, auch Kommunikation auf dem Mars ermöglichen.

Solche leistungsfähigen Raumfahrzeuge sind jedoch groß und schwer, was ihren Start erschwert. Und sie stehen vor einem weiteren Problem: Im Gegensatz zu Satelliten auf der Erde, die durch die Magnetosphäre unseres Planeten geschützt sind, würden Satelliten im Orbit um den Mars mit Strahlung bombardiert. Das bedeutet, dass sie abgeschirmt werden müssen, was mehr Gewicht erfordert.

Technologisch ist es möglich, diese Probleme zu lösen und ein Netzwerk rund um den Mars aufzubauen, vergleichbar mit dem, das wir um die Erde haben. Allerdings „ist es eine große Herausforderung, dorthin zu gelangen“, sagte Gladden, „denn jemand muss dafür bezahlen.“

Kommunikation für die Zukunft vorbereiten

Der Aufbau eines Mars-Kommunikationsnetzwerks ist die Hälfte des Puzzles für die zukünftige Kommunikation. Die andere Hälfte bereitet die Technologie vor, die wir hier auf der Erde haben.

Derzeit ist der DSN Weitere Antennen bauen So kann es mit der ständig wachsenden Zahl gestarteter Weltraummissionen Schritt halten. Außerdem werden Softwareverbesserungen genutzt, um die Netzwerkprozesse stärker zu automatisieren, sodass eine begrenzte Anzahl von Mitarbeitern jeweils mehr Missionen überwachen kann.

Aber es gibt noch ein weiteres Problem der begrenzten Bandbreite. Raumschiffe verfügen jetzt über komplexere Instrumente, die riesige Mengen an Daten aufzeichnen und diese übertragen Diese Datenmenge über eine langsame Verbindung ist limitierend – wie jeder, der schon einmal mit einer langsamen Internetverbindung konfrontiert war weiß.

„Von jedem einzelnen Raumschiff wollen wir in Zukunft mehr Daten zurückbringen“, sagte Deutsch, der stellvertretende Direktor von DSN. „Das liegt daran, dass Raumschiffe im Laufe der Zeit immer leistungsfähigere Instrumente mit sich führen und immer mehr Bits pro Sekunde zurückbringen wollen. Wir stehen also vor der Herausforderung, mit der Kurve des Mooreschen Gesetzes Schritt zu halten.“

Die Lösung dieses Problems besteht darin, mit hohen Frequenzen zu senden. „Wenn Sie die Frequenz erhöhen, mit der Sie kommunizieren, wird der vom Raumschiff gesendete Strahl schmaler und mehr davon gelangt dorthin, wo Sie möchten“, erklärte er. Während frühe Missionen 2,5 GHz verwendeten, sind Raumfahrzeuge kürzlich auf etwa 8,5 GHz umgestiegen, und die allerneuesten Missionen nutzen 32 GHz.

Höhere Frequenzen können hinsichtlich der Bits pro Sekunde eine Verbesserung um etwa den Faktor vier bewirken, aber selbst das wird auf lange Sicht nicht ausreichen. Der nächste große Schritt in der Weltraumkommunikation ist also die Nutzung optischer Kommunikation, auch bekannt als Laserkommunikation. Dies bringt viele der gleichen Vorteile wie der Wechsel zu einer höheren Frequenz mit sich, aber die optische Kommunikation kann eine Verbesserung um den Faktor 10 gegenüber der heutigen hochmodernen Funkkommunikation bieten.

Und die gute Nachricht ist, dass das DSN für den Übergang zur optischen Kommunikation keine völlig neue Hardware benötigt. Aktuelle Antennen können aufgerüstet werden, um mit der neuen Technologie zu arbeiten, und neu gebaute Antennen sind so konzipiert, dass sie auf mehreren Frequenzbändern arbeiten und optische Übertragungen empfangen können.

Es gibt einige Einschränkungen bei der optischen Kommunikation, wie zum Beispiel Wolken über dem Kopf, die Signale blockieren können. Aber auch unter Berücksichtigung dessen wird der Einsatz optischer Kommunikation die Gesamtleistungsfähigkeit des Netzwerks erheblich steigern. Und eine langfristige Lösung für dieses Problem könnte darin bestehen, Empfänger in eine Umlaufbahn um die Erde zu bringen, wo sie sich über den Wolken befinden würden.

Was machen wir jetzt?

Die Probleme der Kommunikation mit einem anderen Planeten sind tiefgreifend und schwer zu lösen. „Physik ist unveränderlich“, sagte Gladden. „Es ist weit weg, daher verliert man an Signalstärke. Das ist ein Problem, das wir überwinden müssen, wenn wir darüber nachdenken, ein Netzwerk für Menschen aufzubauen.“

Aber wir stehen an der Schwelle einer neuen Ära der Weltraumkommunikation. Im nächsten Jahrzehnt werden wir mehr über das Senden und Empfangen von Daten der bevorstehenden Artemis-Mission zum Mond sowie über den Mars Ice Mapper und sein spezielles Relais-Raumschiff erfahren.

„Es wird schwerfällig“, warnt Gladden. „Wir versuchen nur, das herauszufinden.“ Er verweist auf internationale Debatten über die Verwendung von Standards und die sich verändernde Beziehung zwischen staatlichen Raumfahrtbehörden und privaten Unternehmen. Die jetzt getroffenen Entscheidungen werden darüber entscheiden, wie die Weltraumforschung in den nächsten Jahrzehnten voranschreiten wird.

„Es wird sowohl erschreckend als auch faszinierend sein zu sehen, was passiert“, sagte er. „Einerseits besteht so viel Unsicherheit darüber, was vor sich geht. Aber andererseits ist das High-Tech-Zeug. Wir lernen und tun Dinge zum ersten Mal auf einem anderen Planeten. Das hat es noch nie gegeben. Das ist erstaunlich."

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars, eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

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