Comment les premiers humains sur Mars communiqueront avec la Terre

Si vous pensez qu'il est pénible d'obtenir une réception cellulaire lorsque vous rendez visite à vos proches dans un autre État, imaginez essayer de communiquer avec des personnes qui se trouvent à au moins 40 millions de kilomètres et qui se déplacent constamment par rapport à toi. C'est ce à quoi nous devrons faire face si nous prévoyons d'envoyer des humains sur Mars, lorsque les communications ne seront pas seulement importantes - elles seront vitales.

Pour découvrir comment créer un réseau de communication qui couvre Mars et au-delà, et comment les systèmes actuels sont mis à niveau pour relever le défi de des quantités toujours croissantes de données, nous avons parlé à deux experts qui travaillent sur le système de communication actuel de la NASA – un côté Terre et un côté Mars côté.

Cet article fait partie de Vie sur Mars, une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Atteindre le système solaire avec le Deep Space Network

Afin de communiquer avec les missions en cours comme le rover Persévérance sur Mars ou les missions Voyager qui se dirigent dans l'espace interstellaire, la NASA dispose d'un réseau d'antennes construit tout autour de la planète appelé Deep Space Network, ou DSN.

La DSN dispose de trois sites en Californie, en Espagne et en Australie, qui se répartissent quotidiennement les tâches de communication entre eux. De cette façon, il y a toujours un site pointé dans la direction nécessaire, quelle que soit la rotation ou l'oscillation de la Terre sur son axe. Sur chaque site, il y a un certain nombre d'antennes radio d'une taille pouvant atteindre 70 mètres qui captent les transmissions des missions spatiales et relaient les données là où elles doivent aller sur Terre.

Coopération internationale en communication

Le DSN est utilisé pour les missions de la NASA, mais il existe d'autres réseaux mondiaux utilisés par différentes agences spatiales telles que l'Agence spatiale européenne (ESA). D'une manière remarquablement avant-gardiste, tous ces différents réseaux suivent les mêmes normes internationales pour leurs communications, de sorte que les agences spatiales peuvent utiliser les réseaux des autres si le besoin s'en fait sentir.

« C'est une communauté assez petite. Il n'y a que quelques nations qui ont la capacité d'envoyer des engins spatiaux sur Mars, par exemple », Les Deutsch, le directeur adjoint du réseau interplanétaire, qui gère le Deep Space Network, a déclaré à Digital Les tendances. "C'est en croissance, mais c'est encore un petit nombre. Et il nous incombe à tous, car c'est une petite communauté de missions très coûteuses, d'essayer de faire cela ensemble.

Cela signifie qu'en plus des agences avec lesquelles la NASA travaille en étroite collaboration, comme l'ESA, même les agences avec lesquelles elle n'a pas de relation, comme l'agence spatiale chinoise, suivent toujours les mêmes normes.

"Même la Chine souscrit à un ensemble de normes internationales que nous avons contribué à développer au fil des ans, de sorte que toutes les missions dans l'espace lointain communiquent de la même manière", a-t-il déclaré. "Les engins spatiaux ont des formats radio similaires et les stations au sol ont des types d'antennes et d'interfaces similaires. Nous pouvons donc suivre les engins spatiaux des uns et des autres grâce à ces accords. Ils sont tous conçus pour être interopérables.

Parler à Mars

C'est ainsi que nous recevons les transmissions sur Terre. Mais comment envoyez-vous des transmissions depuis Mars? Pour envoyer des communications sur une si grande distance, vous avez besoin d'une radio puissante. Et les missions comme les rovers doivent être petites et légères, il n'y a donc pas de place pour leur attacher une énorme antenne.

Pour contourner ce problème, Mars dispose d'un système de relais des communications, appelé Mars Relay Network, ou MRN. Il se compose de différents orbiteurs qui voyagent actuellement autour de la planète et qui peuvent être utilisés pour capter transmissions de missions en surface (comme des rovers, des atterrisseurs ou, éventuellement, des personnes) et relayer ces données vers Terre. Vous pouvez réellement voir la position actuelle de tous les engins dans le MRN en utilisant cette simulation de la NASA.

La majorité des orbiteurs autour de Mars font double emploi. En plus de leurs opérations scientifiques, ils fonctionnent également comme relais - c'est le cas de Mars de la NASA Vaisseau spatial MAVEN (Atmospheric and Volatile EvolutioN) et Mars Reconnaissance Orbiter, et Mars de l'ESA Exprimer. « La plupart de nos missions que nous avons envoyées [to Mars] sont sur des orbites à basse altitude, elles se situent donc entre 300 et 400 kilomètres au-dessus de la surface. Et ceux-là sont vraiment géniaux !" Le directeur du MRN, Roy Gladden, a déclaré à Digital Trends. "Ce sont des endroits formidables, car c'est agréable et proche, et vous pouvez transmettre pas mal de données entre un actif d'atterrissage et un orbiteur dans cet environnement."

Cependant, toutes les missions ne peuvent pas être ajoutées au réseau de relais. Si un orbiteur est à très haute altitude, ou s'il a une orbite très elliptique où parfois il est près de la planète et d'autres fois plus loin, il pourrait ne pas convenir de faire partie de la MRN. La mission Hope des Émirats arabes unis (EAU), par exemple, se trouve à très haute altitude et peut donc étudier la haute atmosphère de Mars. Mais cela signifie qu'il est trop éloigné de la surface pour être utile comme relais.

De futures missions vers Mars, telles que Mars Ice Mapper de la NASA ou celle de la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) sont prévues mission, comprendra également du matériel de communication, donc plus nous enverrons de missions là-bas, plus le réseau pourra être construit.

L'importance du moment

L'un des défis du relais des communications depuis Mars est le fait que la planète est toujours en rotation et que tous les orbiteurs de la NASA et de l'ESA se déplacent autour d'elle. Ce n'est pas un problème si votre rover doit envoyer des communications deux fois par jour, par exemple - il y a de fortes chances que plusieurs orbiteurs passent au-dessus à un moment donné. Mais lorsque vous devez suivre un événement spécifique à un moment précis, cela devient plus délicat.

Par exemple, l'atterrissage d'un rover sur la surface de la planète est la partie la plus difficile d'une mission, donc la NASA veut toujours avoir les yeux sur un atterrissage. Pour l'atterrissage du rover Perseverance, les orbiteurs du MRN ont vu leurs orbites modifiées pour s'assurer qu'ils seraient au bon endroit au bon moment pour capturer l'atterrissage. Mais pour économiser du carburant précieux, ils ne pouvaient apporter que de petits ajustements à leurs trajectoires, de sorte que le processus pour tout mettre au bon endroit a commencé des années avant l'atterrissage.

Une façon de rendre ce processus plus efficace consiste à utiliser des satellites relais dédiés pour enregistrer des événements clés comme les atterrissages. Lorsque l'atterrisseur InSight a atterri sur Mars en 2018, il était accompagné de deux satellites de la taille d'une mallette appelés MarCO, pour Mars Cube One, qui servaient de relais. Ces petits satellites ont suivi InSight lors d'un survol de Mars, ont surveillé et relayé des données sur l'atterrissage, puis se sont dirigés vers l'espace. "Nous avons pu les cibler là où nous voulions qu'ils soient afin qu'ils puissent faire cet enregistrement pour capturer cette télémétrie d'événement critique", Gladden a déclaré: "Puis après la fin de l'événement, ils se sont retournés et ont pointé leurs antennes vers la Terre et ont transmis cela données."

L'utilisation des MarCO était un test d'une capacité future, car les satellites n'avaient jamais été utilisés de cette manière auparavant. Mais le test a été un succès. "Ils ont fait exactement ce qu'ils étaient censés faire", a déclaré Gladden. Les MarCO étaient un objet à usage unique, car ils n'avaient pas assez de carburant pour entrer en orbite. Mais ces petits satellites sont relativement bon marché et faciles à construire, et les MarCO ont démontré qu'il s'agissait d'un moyen viable de surveiller des événements spécifiques sans avoir à réorganiser l'ensemble du réseau Mars.

Communications pour les missions avec équipage

Pour les missions en équipage, les communications régulières sont encore plus importantes. Il y aura toujours un retard pouvant aller jusqu'à 20 minutes dans les communications entre la Terre et Mars en raison de la vitesse de la lumière. Il n'y a absolument aucun moyen de contourner cela. Cependant, nous pouvons construire un réseau de communication pour que les gens sur Mars puissent parler à la Terre plus de quelques fois par jour, dans le but d'avoir des communications aussi proches que possible possible.

Le prochain Mission Mars Ice Mapper "est en quelque sorte un pas dans cette direction", a déclaré Gladden. "Notre intention est d'envoyer une petite constellation de vaisseaux spatiaux qui seront des utilisateurs relais dédiés avec Ice Mapper." Ce serait être la première fois qu'une constellation est utilisée pour les communications avec Mars, et pourrait être la pierre angulaire d'un relais plus grand réseau.

Un tel projet nécessite beaucoup de puissance pour communiquer sur les grandes distances entre les planètes, mais c'est tout à fait faisable technologiquement.

Un réseau nouvelle génération autour de Mars

Lorsqu'il s'agit d'envisager l'avenir des besoins de communications extraplanétaires, "nous essayons d'être avant-gardistes", a déclaré Gladden. «Nous essayons de réfléchir à ce dont nous aurions besoin à l'avenir. Surtout en sachant qu'à terme on a envie d'y envoyer des gens.

La création d'un réseau de communication futuriste sur Mars pourrait impliquer de le rendre plus similaire à ce que nous avons sur notre planète, en ajoutant plus de vaisseaux spatiaux au réseau avec de plus en plus de puissance. "Sur Terre, nous résolvons notre problème de communication en envoyant de nombreux engins spatiaux à basse altitude qui sont des systèmes à haute puissance avec de grands panneaux solaires, avec des radios très complexes qui peuvent diriger le faisceau », a-t-il déclaré. a dit. "Chez Mars, nous voulons la même chose."

La création d'un réseau capable de gérer de longs retards et la création de normes de données pouvant être utilisées par tous les engins martiens sont complexes, mais c'est possible. Un tel réseau de communication pourrait théoriquement être étendu pour faire plus que simplement fournir des communications de la Terre à Mars et vice-versa. Il pourrait être utilisé comme système de positionnement pour aider à la navigation sur Mars ou, avec quelques modifications du matériel, pourrait également fournir des communications à travers Mars.

Mais ces engins spatiaux capables sont grands et lourds, ce qui les rend difficiles à lancer. Et ils sont confrontés à un autre problème: contrairement aux satellites autour de la Terre, qui sont protégés par la magnétosphère de notre planète, les satellites en orbite autour de Mars seraient bombardés de radiations. Cela signifie qu'ils doivent être blindés, ce qui nécessite plus de poids.

Technologiquement, il est possible de résoudre ces problèmes et de mettre en place autour de Mars un réseau comparable à celui que nous avons autour de la Terre. Cependant, "comment y arriver est un grand défi", a déclaré Gladden, "parce que quelqu'un doit payer pour cela".

Préparer la communication de demain

La mise en place d'un réseau de communication sur Mars est la moitié du casse-tête des communications futures. L'autre moitié prépare la technologie que nous avons ici sur Terre.

Actuellement, la DSN est construire plus d'antennes afin qu'il puisse suivre le nombre toujours croissant de missions dans l'espace lointain lancées. Il utilise également des améliorations logicielles pour automatiser davantage de processus réseau, de sorte qu'un nombre limité d'employés peut superviser plus de missions chacun.

Mais il y a un autre problème de bande passante limitée. Les engins spatiaux disposent désormais d'instruments plus complexes qui enregistrent d'énormes quantités de données et transmettent toutes ces données sur une connexion lente sont limitantes - comme toute personne qui a déjà été bloquée avec un Internet lent sait.

"De n'importe quel vaisseau spatial particulier à l'avenir, nous voulons être en mesure de rapporter plus de données", a déclaré Deutsch, directeur adjoint du DSN. "C'est parce qu'à mesure que les vaisseaux spatiaux progressent dans le temps, ils transportent de plus en plus d'instruments performants et veulent ramener de plus en plus de bits par seconde. Nous avons donc ce défi de suivre cette courbe semblable à la loi de Moore.

La solution à ce problème est de transmettre à des fréquences élevées. "Si vous augmentez la fréquence à laquelle vous communiquez, cela rétrécit le faisceau qui est transmis par le vaisseau spatial et une plus grande partie arrive là où vous voulez", a-t-il expliqué. Alors que les premières missions utilisaient 2,5 GHz, les engins spatiaux sont récemment passés à environ 8,5 GHz, et les toutes dernières missions utilisent 32 GHz.

Des fréquences plus élevées peuvent offrir une amélioration d'environ un facteur quatre en termes de bits par seconde, mais même cela ne suffira pas à long terme. La prochaine grande étape dans les communications spatiales consiste donc à utiliser les communications optiques, également appelées communication laser. Cela apporte bon nombre des mêmes avantages d'aller à une fréquence plus élevée, mais les communications optiques peuvent offrir une amélioration d'un facteur 10 par rapport aux communications radio de pointe d'aujourd'hui.

Et la bonne nouvelle est que le DSN n'aura pas besoin de matériel entièrement nouveau pour passer aux communications optiques. Les antennes actuelles peuvent être mises à niveau pour fonctionner avec la nouvelle technologie, et les antennes nouvellement construites sont conçues pour fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences et être capables de recevoir des transmissions optiques.

Il existe certaines limites aux communications optiques, comme les nuages ​​au-dessus qui peuvent bloquer les signaux. Mais même en tenant compte de cela, l'utilisation des communications optiques augmentera considérablement la capacité globale du réseau. Et une solution à long terme à ce problème pourrait impliquer de mettre des récepteurs en orbite autour de la Terre, où ils seraient au-dessus des nuages.

Où allons-nous à partir d'ici?

Les problèmes de communication avec une autre planète sont profonds et difficiles à résoudre. "La physique est immuable", a déclaré Gladden. "C'est loin, donc vous perdez la force du signal. C'est un problème que nous devons surmonter lorsque nous pensons à essayer de construire un réseau pour les gens.

Mais nous sommes au seuil d'une nouvelle ère dans les communications spatiales. Au cours de la prochaine décennie, nous en apprendrons davantage sur la transmission et la réception de données de la prochaine mission Artemis sur la Lune, ainsi que sur Mars Ice Mapper et son vaisseau spatial relais dédié.

"Ça va être maladroit", prévient Gladden. "Nous essayons juste de comprendre cela." Il évoque les débats internationaux sur l'utilisation des normes et l'évolution des relations entre les agences spatiales gouvernementales et les entreprises privées. Les décisions prises maintenant détermineront la progression de l'exploration spatiale au cours des prochaines décennies.

"Ce sera à la fois terrifiant et fascinant de voir ce qui se passe", a-t-il déclaré. «D'une part, il y a tellement d'incertitude sur ce qui se passe. Mais d'un autre côté, c'est du high-tech. Nous apprenons et faisons des choses pour la première fois autour d'une autre planète. Cela n'a jamais été fait auparavant. C'est incroyable.

Cet article fait partie de Vie sur Mars, une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars

Recommandations des éditeurs

• Un trajet cosmologique: la logistique délicate de l'envoi de personnes sur Mars
• Astropsychologie: comment rester sain d'esprit sur Mars
• Centrales électriques sur d'autres planètes: comment générerons-nous de l'électricité sur Mars?
• Récolter l'hydratation: comment les futurs colons créeront et collecteront de l'eau sur Mars
• Astroagriculture: comment nous ferons pousser des cultures sur Mars