Kuidas hakkavad esimesed inimesed Marsil Maaga suhtlema

Kui arvate, et teises osariigis oma sugulasi külastades on valus saada raku vastuvõtt, siis kujutage ette püüdes suhelda inimestega, kes on vähemalt 40 miljoni miili kaugusel ja liiguvad pidevalt sina. Sellega peame tegelema, kui plaanime inimesi Marsile saata, kui side ei ole mitte ainult oluline – see on eluliselt tähtis.

Et teada saada, kuidas luua sidevõrk, mis katab Marsi ja kaugemalgi, ning kuidas praeguseid süsteeme uuendatakse, et vastata järjest suurenevate andmemahtude tõttu rääkisime kahe eksperdiga, kes töötavad NASA praeguse sidesüsteemi kallal – üks Maa poolel ja teine ​​Marsil pool.

See artikkel on osa Elu Marsil10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Päikesesüsteemi jõudmine Deep Space Networki abil

Suhtlemiseks praeguste missioonidega, nagu Perseverance Rover Marsil või Voyageri missioonid, mis suunduvad tähtedevahelisse ruumi on NASA-l kogu planeedi ümber ehitatud antennide võrgustik, mida nimetatakse süvakosmosevõrgustikuks või DSN.

DSN-il on Californias, Hispaanias ja Austraalias kolm asukohta, mis annavad üksteisele iga päev üle sidekohustusi. Nii on alati olemas koht, mis on suunatud vajalikus suunas, olenemata sellest, kuidas Maa oma teljel pöörleb või kõigub. Igas kohas on mitu kuni 70 meetri suurust raadioantenni, mis võtavad vastu kosmosemissioonide ülekandeid ja edastavad andmed kõikjale, kuhu see Maa peal läheb.

Rahvusvaheline koostöö kommunikatsiooni vallas

DSN-i kasutatakse NASA missioonidel, kuid on ka teisi globaalseid võrgustikke, mida kasutavad erinevad kosmoseagentuurid, näiteks Euroopa Kosmoseagentuur (ESA). Märkimisväärselt edasiviival viisil järgivad kõik need erinevad võrgud oma suhtluses samu rahvusvahelisi standardeid, nii et kosmoseagentuurid saavad vajaduse korral üksteise võrke kasutada.

"See on üsna väike kogukond. Näiteks on vaid üksikud riigid, kes suudavad Marsile kosmoseaparaate saata," Les Deep Space Networki haldava planeetidevahelise võrgu asedirektor Deutsch ütles Digitalile Trendid. "See kasvab, kuid see on endiselt väike arv. Ja meie kõigi kohus, kuna tegemist on väikese väga kallite missioonide kogukonnaga, peaksime püüdma seda koos teha.

See tähendab, et lisaks agentuuridele, kellega NASA teeb tihedat koostööd, nagu ESA, järgivad samu standardeid isegi agentuurid, millega tal pole suhet, nagu Hiina kosmoseagentuur.

"Isegi Hiina järgib rahvusvahelisi standardeid, mida oleme aastate jooksul aidanud välja töötada, nii et kõik süvakosmose missioonid suhtlevad samal viisil," ütles ta. "Kosmoselaevadel on sarnased raadioformaadid ja maapealsetel jaamadel on sarnased antennid ja liidesed. Nii et saame nende lepingute kaudu jälgida üksteise kosmoselaevu. Need kõik on loodud koostalitlusvõimeliseks.

Marsiga rääkimine

Nii et me võtame Maal ülekandeid vastu. Aga kuidas saadate ülekandeid Marsilt? Side saatmiseks nii kaugele on vaja võimsat raadiot. Ja sellised missioonid nagu kulgurid peavad olema väikesed ja kerged, nii et nende külge pole ruumi tohutut antenni kinnitada.

Sellest probleemist kõrvalehoidmiseks on Marsil side edastamise süsteem, mida nimetatakse Marsi releevõrguks või MRN-iks. See koosneb erinevatest orbiitritest, mis praegu planeedil ringi rändavad ja mida saab kasutada ülesvõtmiseks ülekanded pinnal toimuvatelt missioonidelt (nt kulgurid, maandurid või lõpuks inimesed) ja edastavad need andmed tagasi Maa. Saate tegelikult näha kõigi kasutatavate veesõidukite praegust asukohta MRN-is see NASA simulatsioon.

Enamik Marsi ümber tiirlevatest lennukitest täidab topeltülesandeid. Lisaks teadustegevusele töötavad nad ka releedena – nii on NASA Marsi puhul Atmospheric and Volatile EvolutionN (MAVEN) kosmoseaparaat ja Mars Reconnaissance Orbiter ning ESA Marss Ekspress. "Suurem osa meie missioonidest, mille oleme [Marsile] saatnud, on madalatel orbiitidel, nii et need asuvad kuskil 300–400 kilomeetri kõrgusel maapinnast. Ja need on tõesti suurepärased! ” MRN-i juht Roy Gladden rääkis Digital Trendsile. "Need on suurepärased kohad, sest see on kena ja lähedal ning selles keskkonnas saate maandumisobjekti ja orbiidi vahel edastada üsna palju andmeid."

Siiski ei saa iga missiooni edastusvõrku lisada. Kui orbiit on väga kõrgel või kui sellel on väga elliptiline orbiit, kus see mõnikord on planeedi lähedal ja muul ajal kaugemal, ei pruugi see olla sobiv osaks MRN. Näiteks Araabia Ühendemiraatide (AÜE) Hope missioon on väga kõrgel, et saaks uurida Marsi ülemist atmosfääri. Kuid see tähendab, et see on pinnast liiga kaugel, et olla releena kasulik.

Tulevased missioonid Marsile, nagu NASA Mars Ice Mapper või Jaapani Aerospace Exploration Agency (JAXA) missioon hõlmab ka sideriistvara, nii et mida rohkem missioone me sinna saadame, seda suurem on võrk välja ehitatud.

Ajastuse tähtsus

Üks Marsi side edastamise väljakutseid on asjaolu, et planeet pöörleb pidevalt ning kõik NASA ja ESA orbiidid liiguvad selle ümber. See ei ole probleem, kui teie kulgur peab näiteks kaks korda päevas sidet saatma – on suur tõenäosus, et ühel hetkel sõidab pea kohal mitu orbiidi. Kuid kui teil on vaja jälgida konkreetset sündmust täpsel ajal, muutub see keerulisemaks.

Näiteks kulguri maandumine planeedi pinnale on missiooni kõige keerulisem osa, nii et NASA soovib alati maandumisel silma peal hoida. Perseverance kulguri maandumiseks kohandati MRN-i orbiite, et olla kindel, et nad on maandumise jäädvustamiseks õigel ajal õiges kohas. Kuid hinnalise kütuse säästmiseks said nad oma trajektoore teha vaid väikseid muudatusi, nii et kõik õigesse kohta jõudmine algas aastaid enne maandumist.

Üks viis selle protsessi tõhusamaks muutmiseks on kasutada spetsiaalseid releesatelliite oluliste sündmuste, näiteks maandumiste salvestamiseks. Kui InSighti maandur 2018. aastal Marsile maandus, oli sellega kaasas kaks portfellisuurust satelliiti nimega MarCO, Mars Cube One'i jaoks, mis toimis releedena. Need väikesed satelliidid järgisid InSighti möödalennul Marsist, jälgisid ja edastasid maandumise kohta andmeid ning suundusid seejärel kosmosesse. "Me suutsime nad sihtida sinna, kuhu soovisime, et nad saaksid salvestada selle kriitilise sündmuse telemeetria jäädvustamiseks." Gladden ütles: "Ja siis, kui sündmus oli lõppenud, pöörasid nad ümber ja suunasid oma antennid tagasi Maa poole ja edastasid selle andmed."

MarCO-de kasutamine oli tulevase võimekuse test, kuna satelliite polnud kunagi varem niimoodi kasutatud. Kuid test oli edukas. "Nad tegid täpselt seda, mida nad kavatsesid teha," ütles Gladden. MarCO-d olid ühekordsed, kuna neil polnud orbiidile sisenemiseks piisavalt kütust. Kuid sellised väikesed satelliidid on suhteliselt odavad ja neid on lihtne ehitada ning MarCO-d näitasid, et see on elujõuline viis konkreetsete sündmuste jälgimiseks, ilma et oleks vaja kogu Marsi võrku ümber korraldada.

Meeskonnamissioonide side

Meeskonnamissioonide jaoks on regulaarne suhtlus veelgi olulisem. Maa ja Marsi vahelises suhtluses on valguse kiiruse tõttu alati kuni 20-minutiline viivitus. Sellest pole absoluutselt mingit võimalust. Küll aga saame välja ehitada sidevõrgu, et inimesed Marsil saaksid Maaga rääkida rohkem kui paar korda päevas eesmärgiga, et side oleks võimalikult lähedal võimalik.

Tulevane Marsi jääkaardistaja missioon "See on omamoodi samm selles suunas," ütles Gladden. "Meie eesmärk on saata väike kosmoselaevade tähtkuju, mis on Ice Mapperiga pühendunud relee kasutajad." See oleks olla esimene kord, kui Marsi sidepidamiseks kasutatakse tähtkuju ja see võib olla suurema relee ehitusplokk võrku.

Selline projekt nõuab palju jõudu, et suhelda planeetide vahel suurte vahemaade tagant, kuid see on tehnoloogiliselt täiesti teostatav.

Järgmise põlvkonna võrk ümber Marsi

Mis puutub planeediväliste kommunikatsioonivajaduste tuleviku ettekujutamisse, siis "püüame olla tulevikku suunatud," ütles Gladden. "Püüame mõelda, mida meil tulevikus vaja on. Eriti teades, et lõpuks tahame inimesi sinna saata.

Futuristliku Marsi sidevõrgu loomine võib hõlmata selle muutmist sarnasemaks meie planeedil olevaga, lisades võrku üha suurema võimsusega kosmoseaparaate. "Maal lahendame oma sideprobleemi, saates üles palju madalal kõrgusel olevaid kosmoseaparaate on suure võimsusega süsteemid, millel on suured päikesepaneelid ja väga keerukad raadiod, mis suudavad kiirt juhtida. ütles. "Me tahame Marsil sama asja."

Pikkade viivitustega toimetuleva võrgu loomine ja andmestandardite loomine, mida saavad kasutada kõik Marsi veesõidukid, on keeruline, kuid see on võimalik. Sellist sidevõrku võiks teoreetiliselt laiendada nii, et see ei pakuks lihtsalt sidet Maalt Marsile ja tagasi. Seda saab kasutada positsioneerimissüsteemina, mis aitab navigeerida üle Marsi või mõne riistvara muudatusega pakkuda sidet ka üle Marsi.

Kuid sellised võimekad kosmoseaparaadid on suured ja rasked, mis muudab nende käivitamise keeruliseks. Ja nad seisavad silmitsi veel ühe probleemiga: erinevalt Maa ümber asuvatest satelliitidest, mida kaitseb meie planeedi magnetosfäär, pommitatakse Marsi ümber orbiidil olevaid satelliite kiirgusega. See tähendab, et need peavad olema varjestatud, mis nõuab rohkem kaalu.

Tehnoloogiliselt on võimalik neid probleeme lahendada ja luua Marsi ümber võrgustik, mis on võrreldav võrgustikuga, mis meil Maa ümber on. Kuid "kuidas sinna jõuda on suur väljakutse," ütles Gladden, "sest keegi peab selle eest maksma."

Kommunikatsiooni ettevalmistamine tulevikuks

Marsi sidevõrgu loomine on üks pool tulevase side mõistatusest. Teine pool valmistab ette tehnoloogiat, mis meil siin Maal on.

Praegu on DSN antennide ehitamine nii et see suudab sammu pidada üha suureneva hulga süvakosmose missioonidega. Samuti kasutab see tarkvara täiustusi, et automatiseerida rohkem võrguprotsesse, nii et piiratud arv töötajaid saab jälgida rohkem missioone.

Kuid piiratud ribalaiusega on veel üks probleem. Kosmoselaevadel on nüüd keerulisemad instrumendid, mis salvestavad tohutuid andmeid ja edastavad kõike need andmed aeglase ühenduse kaudu on piiravad – nagu igaüks, kellel on kunagi olnud aeglane Interneti-ühendus teab.

"Soovime tulevikus tuua rohkem andmeid igalt konkreetselt kosmoselaevalt," ütles DSN-i asedirektor Deutsch. "Selle põhjuseks on asjaolu, et kosmoselaevade aja jooksul edenedes kannavad nad üha rohkem võimekaid instrumente ja tahavad tuua tagasi üha rohkem bitte sekundis. Seega on meil väljakutse Moore'i seadusesarnase kõveraga sammu pidada.

Selle probleemi lahendus on kõrgetel sagedustel edastamine. "Kui suurendate suhtlemise sagedust, kitsendab see kosmoseaparaadilt edastatavat kiirt ja suurem osa sellest jõuab sinna, kuhu soovite," selgitas ta. Kui varased missioonid kasutasid sagedust 2,5 GHz, siis kosmoseaparaadid on hiljuti liikunud umbes 8,5 GHz peale ja kõige uuemad missioonid kasutavad sagedust 32 GHz.

Kõrgemad sagedused võivad pakkuda bittide sekundis paranemist umbes neli korda, kuid isegi sellest ei piisa pikemas perspektiivis. Nii et järgmine suur samm kosmosekommunikatsioonis on optilise side kasutamine, mida tuntakse ka kui laserside. See toob kaasa palju samu eeliseid kui kõrgemale sagedusele, kuid optiline side võib pakkuda 10-kordset paranemist võrreldes tänapäevaste tipptasemel raadiosidetega.

Ja hea uudis on see, et DSN ei vaja optilisele sidele üleminekuks täiesti uut riistvara. Praeguseid antenne saab uuendada, et need töötaksid uue tehnoloogiaga, ja äsja ehitatud antennid on loodud töötama mitmel sagedusribal ja olema võimelised vastu võtma optilisi ülekandeid.

Optilisele sidele on mõned piirangud, näiteks pilved pea kohal, mis võivad signaale blokeerida. Kuid isegi seda arvesse võttes suurendab optilise side kasutamine oluliselt võrgu üldist võimekust. Ja selle probleemi pikaajaline lahendus võib hõlmata vastuvõtjate asetamist Maa ümber orbiidile, kus need oleksid pilvede kohal.

Kuhu me siit läheme?

Teise planeediga suhtlemise probleemid on sügavad ja raskesti lahendatavad. "Füüsika on muutumatu," ütles Gladden. "See on kaugel, nii et signaali tugevus kaob. See on probleem, millest peame üle saama, kui mõtleme inimeste jaoks võrgustiku loomisele.

Kuid oleme kosmosekommunikatsiooni uue ajastu lävel. Järgmisel kümnendil saame rohkem teada eelseisva Artemise missioonilt Kuule andmete edastamise ja vastuvõtmise kohta ning Mars Ice Mapperi ja selle spetsiaalse releega kosmoseaparaadi kohta.

"See saab olema kohmakas," hoiatab Gladden. "Me lihtsalt proovime seda välja mõelda." Ta osutab rahvusvahelistele debattidele standardite kasutamise üle ning valitsuste kosmoseagentuuride ja eraettevõtete vahelistele suhetele. Praegu tehtud otsused määravad kosmoseuuringute edenemise järgmistel aastakümnetel.

"See saab olema nii hirmutav kui ka põnev näha, mis juhtub," ütles ta. „Ühest küljest on toimuva suhtes nii palju ebakindlust. Kuid teisest küljest on see kõrgtehnoloogiline värk. Me õpime ja teeme asju esimest korda ümber teisel planeedil. Seda pole kunagi varem tehtud. See on hämmastav."

See artikkel on osa Elu Marsil10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Astropsühholoogia: kuidas Marsil mõistuse juures püsida
• Elektrijaamad teistel planeetidel: kuidas me Marsil elektrit toodame
• Hüdratsiooni kogumine: kuidas tulevased asukad Marsil vett loovad ja koguvad
• Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame