Kuinka ensimmäiset ihmiset Marsissa kommunikoivat maan kanssa

Jos uskot, että on tuskaa saada solun vastaanotto vieraillessasi sukulaisten luona toisessa osavaltiossa, kuvittele vain yrittää kommunikoida ihmisten kanssa, jotka ovat vähintään 40 miljoonan mailin päässä ja liikkuvat jatkuvasti suhteessa sinä. Juuri tätä meidän on käsiteltävä, jos aiomme lähettää ihmisiä Marsiin, kun viestintä ei ole vain tärkeää – se on elintärkeää.

Saadaksesi selville, kuinka luodaan viestintäverkko, joka kattaa Marsin ja sen ulkopuolella, ja kuinka nykyisiä järjestelmiä päivitetään vastaamaan jatkuvasti kasvavien tietomäärien vuoksi keskustelimme kahden NASAn nykyisen viestintäjärjestelmän parissa työskentelevän asiantuntijan kanssa – toisen Maan puolella ja toisen Marsissa. puolella.

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Kurkota aurinkokuntaan Deep Space Networkin avulla

Kommunikoidakseen nykyisten tehtävien, kuten Perseverance-kulkijan Marsissa tai matkalla olevien Voyager-tehtävien kanssa tähtienväliseen avaruuteen NASAlla on ympäri planeettaa rakennettu antenniverkosto nimeltä Deep Space Network, tai DSN.

DSN: llä on kolme toimipistettä Kaliforniassa, Espanjassa ja Australiassa, jotka jakavat viestintätehtävät toistensa välillä päivittäin. Tällä tavalla on aina paikka, joka on osoitettu tarvittavaan suuntaan, riippumatta siitä, kuinka maapallo pyörii tai huojuu akselinsa ympäri. Jokaisella paikalla on useita jopa 70 metrin kokoisia radioantenneja, jotka vastaanottavat avaruustehtävien lähetyksiä ja välittävät tiedot minne tahansa maan päällä.

Kansainvälinen yhteistyö viestinnässä

DSN: ää käytetään NASAn tehtäviin, mutta eri avaruusjärjestöt, kuten Euroopan avaruusjärjestö ESA, käyttävät muitakin maailmanlaajuisia verkkoja. Huomattavan eteenpäin suuntautuvalla tavalla kaikki nämä erilaiset verkot noudattavat viestinnässään samoja kansainvälisiä standardeja, joten avaruusjärjestöt voivat tarvittaessa käyttää toistensa verkkoja.

"Se on melko pieni yhteisö. Esimerkiksi vain muutamalla maalla on kyky lähettää avaruusaluksia Marsiin, Les Deutsch, Deep Space Networkia ylläpitävän planeettojen välisen verkon apulaisjohtaja, kertoi Digitalille Trendit. "Se kasvaa, mutta se on edelleen pieni määrä. Ja meidän kaikkien, koska se on pieni yhteisö, jossa on erittäin kalliita tehtäviä, kuuluu yrittää tehdä tämä yhdessä."

Tämä tarkoittaa, että niiden virastojen lisäksi, joiden kanssa NASA tekee tiivistä yhteistyötä, kuten ESA, myös virastot, joiden kanssa sillä ei ole suhdetta, kuten Kiinan avaruusjärjestö, noudattavat edelleen samoja standardeja.

"Jopa Kiina hyväksyy joukon kansainvälisiä standardeja, joita olemme auttaneet kehittämään vuosien varrella, jotta kaikki syvän avaruuden tehtävät kommunikoivat samalla tavalla", hän sanoi. ”Avaruusaluksissa on samanlaiset radioformaatit ja maa-asemilla samanlaiset antennit ja rajapinnat. Voimme siis seurata toistemme avaruusaluksia näiden sopimusten kautta. Ne kaikki on rakennettu yhteentoimiviksi."

Puhutaan Marsille

Joten näin me vastaanotamme lähetyksiä maan päällä. Mutta miten lähetät lähetyksiä Marsista? Tarvitset tehokkaan radion lähettääksesi viestintää näin pitkän matkan päähän. Ja roverien kaltaisten tehtävien on oltava pieniä ja kevyitä, joten niihin ei ole tilaa kiinnittää valtavaa antennia.

Tämän ongelman kiertämiseksi Marsilla on viestinnän välitysjärjestelmä, nimeltään Mars Relay Network tai MRN. Se koostuu erilaisista kiertoradoista, jotka tällä hetkellä liikkuvat planeetan ympäri ja joita voidaan käyttää poimimiseen lähetykset maanpinnalla olevista tehtävistä (kuten rovereista, laskeutujista tai lopulta ihmisistä) ja välittävät nämä tiedot takaisin Maapallo. Voit itse asiassa nähdä kaikkien alusten nykyisen sijainnin MRN: ssä käyttämällä tämä NASA-simulaatio.

Suurin osa Marsia kiertävistä kiertoradoista suorittaa kaksinkertaisen tehtävän. Tieteellisten operaatioidensa lisäksi he toimivat myös releinä – näin on NASAn Marsissa Atmospheric and Volatile EvolutionN (MAVEN) -avaruusalus ja Mars Reconnaissance Orbiter sekä ESAn Mars Ilmaista. "Suurin osa tehtävistämme, jotka olemme lähettäneet [Marsiin], ovat matalalla kiertoradalla, joten ne ovat jossain 300-400 kilometrin korkeudella pinnan yläpuolella. Ja ne ovat todella mahtavia!” MRN-päällikkö Roy Gladden kertoi Digital Trendsille. "Nämä ovat mahtavia paikkoja, koska se on mukava ja lähellä, ja voit siirtää melko paljon dataa laskeutumiskohteen ja kiertoradan välillä kyseisessä ympäristössä."

Kaikkia tehtäviä ei kuitenkaan voida lisätä välitysverkkoon. Jos kiertorata on erittäin korkealla tai jos sillä on hyvin elliptinen kiertorata, jossa se joskus on lähellä planeettaa ja muina aikoina se on kauempana, se ei ehkä ole sopiva osaksi MRN. Esimerkiksi Yhdistyneiden arabiemiirikuntien (UAE) Hope-tehtävä on erittäin korkealla, jotta se voi tutkia Marsin yläilmakehää. Mutta se tarkoittaa, että se on liian kaukana pinnasta ollakseen hyödyllinen releenä.

Suunnitteilla on tulevia Mars-tehtäviä, kuten NASAn Mars Ice Mapper tai Japan Aerospace Exploration Agencyn (JAXA) tehtävä sisältää myös viestintälaitteiston, joten mitä enemmän lähetämme sinne, sitä enemmän verkkoa voidaan rakennettu ulos.

Ajoituksen tärkeys

Yksi Marsista tulevan viestinnän välityksen haasteista on se, että planeetta pyörii aina ja että kaikki NASAn ja ESAn kiertoradat liikkuvat sen ympärillä. Se ei ole ongelma, jos mönkijäsi joutuu lähettämään viestintää esimerkiksi kahdesti päivässä – on suuri todennäköisyys, että useat kiertoradat ohittavat jossain vaiheessa. Mutta kun sinun on seurattava tiettyä tapahtumaa tarkkaan aikaan, siitä tulee vaikeampaa.

Esimerkiksi mönkijän laskeutuminen planeetan pinnalle on tehtävän vaikein osa, joten NASA haluaa aina seurata laskeutumista. Perseverance-mönkijän laskeutumista varten MRN: n kiertoradat säädettiin varmistaakseen, että ne olisivat oikeassa paikassa oikeaan aikaan laskeutuakseen. Mutta säästääkseen arvokkaassa polttoaineessa he pystyivät tekemään vain pieniä muutoksia lentorataan, joten prosessi saada kaikki oikeaan paikkaan alkoi vuosia ennen laskeutumista.

Yksi tapa tehostaa tätä prosessia on käyttää erityisiä välityssatelliitteja tärkeimpien tapahtumien, kuten laskeutumisten, tallentamiseen. Kun InSight-laskeutuja laskeutui Marsiin vuonna 2018, sitä seurasi kaksi salkkukokoista satelliittia nimeltä MarCO, Mars Cube Onelle, joka toimi releinä. Nämä pienet satelliitit seurasivat InSightia Marsin ohilennolla, seurasivat ja välittivät tietoja laskeutumisesta ja lähtivät sitten avaruuteen. "Pystyimme kohdistamaan heidät sinne, missä halusimme heidän olevan, jotta he voisivat tallentaa kriittisen tapahtuman telemetrian." Gladden sanoi: "Ja sitten tapahtuman päätyttyä he kääntyivät ympäri ja osoittivat antenninsa takaisin maahan ja lähettivät sen dataa."

MarCO: iden käyttö oli tulevaisuuden kyvyn testi, sillä satelliitteja ei ollut koskaan aikaisemmin käytetty vastaavalla tavalla. Mutta testi oli menestys. "He tekivät juuri sen, mitä heidän oli tarkoitus tehdä", Gladden sanoi. MarCO: t olivat kertakäyttöisiä, koska niillä ei ollut tarpeeksi polttoainetta päästäkseen kiertoradalle. Mutta tällaiset pienet satelliitit ovat suhteellisen halpoja ja helppoja rakentaa, ja MarCO: t osoittivat, että tämä on käyttökelpoinen tapa seurata tiettyjä tapahtumia ilman, että koko Marsin verkkoa tarvitsee järjestää uudelleen.

Viestintä miehistötehtäviin

Miehistötehtävissä säännöllinen viestintä on vielä tärkeämpää. Maan ja Marsin välisessä tiedonsiirrossa on aina jopa 20 minuutin viive valonnopeuden vuoksi. Siitä ei todellakaan pääse mitenkään. Voimme kuitenkin rakentaa viestintäverkon, jotta Marsissa olevat ihmiset voisivat puhua maan kanssa useammin kuin muutaman kerran päivässä tavoitteenaan olla mahdollisimman lähellä jatkuvaa yhteydenpitoa mahdollista.

Tuleva Mars Ice Mapper -tehtävä "On tavallaan askel siihen suuntaan", Gladden sanoi. "Tarkoituksenamme on lähettää pieni joukko avaruusaluksia, jotka ovat omistautuneita Ice Mapperin välittäjiä." Tämä olisi olla ensimmäinen kerta, kun tähdistöä on käytetty Mars-viestintään, ja se voisi olla suuremman releen rakennuspalikka verkkoon.

Tällainen projekti vaatii paljon voimaa kommunikoidakseen suurilla etäisyyksillä planeettojen välillä, mutta se on täysin teknisesti mahdollista.

Seuraavan sukupolven verkko Marsin ympärillä

Mitä tulee planeetan ulkopuolisten viestintätarpeiden tulevaisuuden visioimiseen, "yritämme olla eteenpäin katsovia", Gladden sanoi. – Yritämme miettiä, mitä tarvitsemme tulevaisuudessa. Varsinkin kun tiedämme, että lopulta haluamme lähettää ihmisiä sinne."

Futuristisen Mars-viestintäverkon luomiseen saattaa liittyä sen tekeminen samankaltaisemmaksi kuin mitä planeetallamme on, lisäämällä verkkoon lisää avaruusaluksia, joilla on yhä enemmän tehoa. "Maan päällä ratkaisemme viestintäongelmamme lähettämällä paljon ja paljon matalalla sijaitsevia avaruusaluksia ovat suuritehoisia järjestelmiä, joissa on suuret aurinkopaneelit ja erittäin monimutkaiset radiot, jotka voivat ohjata sädettä", hän sanoi. "Marsissa haluamme saman asian."

Pitkiä viiveitä käsittelevän verkon luominen ja tietostandardien luominen, joita kaikki Mars-alukset voivat käyttää, ovat monimutkaisia, mutta se on mahdollista. Tällaista viestintäverkkoa voitaisiin teoriassa laajentaa tarjoamaan muutakin kuin vain viestinnän maapallolta Marsiin ja takaisin. Sitä voitaisiin käyttää paikannusjärjestelmänä auttamaan navigoinnissa Marsin poikki, tai laitteistoon tehdyillä muutoksilla se voisi tarjota viestintää myös Marsin yli.

Mutta tällaiset kykenevät avaruusalukset ovat suuria ja raskaita, mikä vaikeuttaa niiden laukaisua. Ja he kohtaavat toisen ongelman: toisin kuin maapallon ympärillä olevat satelliitit, joita planeettamme magnetosfääri suojaa, Marsin ympärillä kiertäviä satelliitteja pommitetaan säteilyllä. Tämä tarkoittaa, että ne on suojattava, mikä vaatii enemmän painoa.

Teknologisesti on mahdollista ratkaista nämä ongelmat ja perustaa Marsin ympärille verkosto, joka on verrattavissa siihen, joka meillä on Maan ympärillä. Kuitenkin "pääsy sinne on suuri haaste", Gladden sanoi, "koska jonkun on maksettava siitä."

Viestinnän valmistelu tulevaisuutta varten

Mars-viestintäverkon perustaminen on puolikas tulevaisuuden viestinnän arvoitus. Toinen puoli valmistelee tekniikkaa, joka meillä on täällä maan päällä.

Tällä hetkellä DSN on rakentaa lisää antenneja joten se voi pysyä jatkuvasti kasvavan syvän avaruuslentojen määrän mukana. Se käyttää myös ohjelmistojen parannuksia automatisoidakseen useampia verkkoprosesseja, joten rajoitettu määrä henkilöstöä voi valvoa useampia tehtäviä.

Mutta on toinenkin rajoitetun kaistanleveyden ongelma. Avaruusaluksissa on nyt monimutkaisempia laitteita, jotka tallentavat valtavia datariitoja ja lähettävät kaiken nämä tiedot hitaalla yhteydellä rajoittavat – kuten kuka tahansa, joka on koskaan ollut jumissa hitaassa internetissä tietää.

"Haluamme tulevaisuudessa tuoda lisää tietoa mistä tahansa tietystä avaruusaluksesta", DSN: n apulaisjohtaja Deutsch sanoi. "Se johtuu siitä, että kun avaruusalukset edistyvät ajan myötä, ne kuljettavat mukanaan yhä tehokkaampia instrumentteja ja haluavat tuoda takaisin yhä enemmän bittejä sekunnissa. Joten meillä on haaste pysyä Mooren lain kaltaisessa käyrässä."

Ratkaisu tähän ongelmaan on lähettää korkeilla taajuuksilla. "Jos lisäät kommunikoinnin taajuutta, se kaventaa avaruusaluksen lähettämää sädettä ja enemmän siitä pääsee haluamaasi kohtaan", hän selitti. Varhaisemmissa tehtävissä käytettiin 2,5 GHz: n taajuutta, kun taas avaruusalukset ovat hiljattain siirtyneet noin 8,5 GHz: iin, ja viimeisimmät tehtävät käyttävät 32 GHz: ää.

Korkeammat taajuudet voivat tarjota noin nelinkertaisen parannuksen bitteinä sekunnissa, mutta sekään ei riitä pitkällä aikavälillä. Joten seuraava iso askel avaruusviestinnässä on käyttää optista viestintää, joka tunnetaan myös nimellä laserviestintä. Tämä tuo monia samoja etuja kuin siirtyminen korkeammalle taajuudelle, mutta optinen viestintä voi tarjota 10-kertaisen parannuksen nykypäivän huippuluokan radioviestintään.

Ja hyvä uutinen on, että DSN ei tarvitse täysin uutta laitteistoa siirtyäkseen optiseen viestintään. Nykyiset antennit voidaan päivittää toimimaan uuden tekniikan kanssa, ja hiljattain rakennetut antennit on suunniteltu toimimaan useilla taajuuskaistoilla ja pystymään vastaanottamaan optisia lähetyksiä.

Optisella tiedonsiirrolla on joitain rajoituksia, kuten pilvet yläpuolella, jotka voivat estää signaalit. Mutta vaikka se otetaan huomioon, optisen viestinnän käyttö lisää verkon kokonaiskapasiteettia huomattavasti. Ja pitkän aikavälin ratkaisu tähän ongelmaan saattaa sisältää vastaanottimien asettamisen maapallon kiertoradalle, missä ne olisivat pilvien yläpuolella.

Minne menemme täältä?

Toisen planeetan kanssa kommunikoinnin ongelmat ovat syviä ja vaikeita ratkaista. "Fysiikka on muuttumaton", Gladden sanoi. "Se on kaukana, joten signaalin voimakkuus katoaa. Se on ongelma, joka meidän on voitettava, kun ajattelemme verkoston rakentamista ihmisille."

Mutta olemme uuden aikakauden kynnyksellä avaruusviestinnässä. Seuraavan vuosikymmenen aikana opimme lisää tiedon lähettämisestä ja vastaanottamisesta tulevasta Artemis-matkasta kuuhun sekä Mars Ice Mapperista ja sen omistetusta välitysavaruusaluksesta.

"Se tulee olemaan kömpelöä", Gladden varoittaa. "Yritämme vain selvittää tämän." Hän viittaa kansainväliseen keskusteluun standardien käytöstä sekä valtion avaruusjärjestöjen ja yksityisten yritysten välisen suhteen muuttumisesta. Nyt tehdyt päätökset ratkaisevat, kuinka avaruustutkimus etenee seuraavien vuosikymmenten aikana.

"Tulee olemaan sekä pelottavaa että kiehtovaa nähdä, mitä tapahtuu", hän sanoi. "Yhtäältä on niin paljon epävarmuutta siitä, mitä tapahtuu. Mutta toisaalta tämä on huipputeknologiaa. Opimme ja teemme asioita ensimmäistä kertaa toisen planeetan ympärillä. Sitä ei ole tehty koskaan ennen. Se on hämmästyttävää."

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Toimittajien suositukset

• Kosmologinen työmatka: Hankala logistiikka ihmisten saattamiseksi Marsiin
• Astropsykologia: Kuinka pysyä järkevänä Marsissa
• Voimalaitokset muilla planeetoilla: Kuinka tuotamme sähköä Marsissa
• Nesteytys: kuinka tulevat uudisasukkaat luovat ja keräävät vettä Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa