Comment les premiers humains sur Mars communiqueront avec la Terre

Si vous pensez qu'il est difficile 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 envisageons d’envoyer des humains sur Mars, alors que les communications ne seront pas seulement importantes, elles seront vitales.

Pour découvrir comment créer un réseau de communications couvrant Mars et au-delà, et comment les systèmes actuels sont mis à niveau pour relever le défi de Avec des quantités de données toujours croissantes, nous avons discuté avec 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

A la conquête du système solaire avec le Deep Space Network

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

Le DSN dispose de trois sites en Californie, en Espagne et en Australie, qui se répartissent chaque jour les tâches de communication. De cette façon, il y a toujours un site pointé dans la direction nécessaire, quelle que soit la façon dont la Terre tourne ou vacille sur son axe. Sur chaque site, il y a un certain nombre d'antennes radio mesurant jusqu'à 70 mètres qui captent les transmissions des missions spatiales et relayent les données partout 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 comme 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 pays qui ont la capacité d’envoyer des vaisseaux spatiaux sur Mars, par exemple », Les Deutsch, directeur adjoint du réseau interplanétaire, qui gère le réseau Deep Space, a déclaré à Digital Les tendances. « C’est en augmentation, mais c’est encore un petit nombre. Et il nous incombe à tous, puisqu’il s’agit d’une petite communauté de missions très coûteuses, d’essayer de le faire 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 adhère à un ensemble de normes internationales que nous avons contribué à développer au fil des années, afin que toutes les missions dans l’espace lointain communiquent de la même manière », a-t-il déclaré. « Les vaisseaux 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 vaisseaux spatiaux de chacun 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 envoyer 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 y attacher une énorme antenne.

Pour contourner ce problème, Mars dispose d'un système de relais de communications, appelé Mars Relay Network, ou MRN. Il se compose de différents orbiteurs qui parcourent actuellement la planète et qui peuvent être utilisés pour capter transmissions des 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 effectuent une double mission. En plus de leurs opérations scientifiques, ils fonctionnent également comme relais – c’est le cas de Mars de la NASA. Vaisseau spatial Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN), Mars Reconnaissance Orbiter et Mars de l'ESA Exprimer. « La plupart de nos missions que nous avons envoyées [sur Mars] se situent 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 se trouve à très haute altitude, ou s'il a une orbite très elliptique où il se trouve parfois proche de la planète et d'autres fois plus éloignée, il se peut qu'il ne soit pas approprié de faire partie de la planète. MRN. La mission Hope des Émirats arabes unis (EAU), par exemple, se trouve à très haute altitude afin de pouvoir étudier la haute atmosphère de Mars. Mais cela signifie qu’il est trop éloigné de la surface pour servir de relais.

Futures missions vers Mars, comme Mars Ice Mapper de la NASA ou celle prévue de la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). mission, comprendra également du matériel de communication, donc plus nous y enverrons de missions, plus le réseau pourra être étendu. construit.

L’importance du timing

L’un des défis liés au relais des communications depuis Mars réside dans le fait que la planète tourne constamment 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 de vous à un moment donné. Mais lorsque vous devez suivre un événement spécifique à une heure précise, 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, c’est pourquoi la NASA veut toujours avoir les yeux rivés 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 n’ont pu apporter que de petits ajustements à leurs trajectoires, de sorte que le processus visant à mettre tout 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 les événements clés tels que 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 faisait office de relais. Ces petits satellites ont suivi InSight lors d'un survol de Mars, ont surveillé et relayé les 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 effectuer cet enregistrement pour capturer cette télémétrie d'événement critique." Gladden a déclaré: « Et puis, une fois l’événement terminé, ils se sont retournés et ont pointé leurs antennes vers la Terre et ont transmis cette information. 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’agit d’un moyen viable de surveiller des événements spécifiques sans avoir à réorganiser l’ensemble du réseau martien.

Communications pour les missions avec équipage

Pour les missions avec équipage, des communications régulières sont encore plus importantes. Il y aura toujours un retard pouvant atteindre 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 afin que les habitants de Mars puissent parler à la Terre. plusieurs fois par jour, dans le but d'avoir des communications aussi constantes que possible. possible.

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

Un tel projet nécessite beaucoup d’énergie pour communiquer sur les grandes distances entre les planètes, mais il est tout à fait réalisable sur le plan technologique.

Un réseau nouvelle génération autour de Mars

Lorsqu’il s’agit d’envisager l’avenir des besoins en 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, nous voulons y envoyer des gens.

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

La création d’un réseau capable de gérer de longs délais et la création de normes de données pouvant être utilisées par tous les vaisseaux martiens sont complexes, mais c’est possible. Un tel réseau de communication pourrait théoriquement être étendu pour faire plus que simplement assurer des communications entre la Terre et Mars et retour. Il pourrait être utilisé comme système de positionnement pour faciliter la navigation sur Mars ou, avec quelques modifications matérielles, pourrait également assurer des communications sur Mars.

Mais ces engins spatiaux performants 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 protégés, 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 parvenir constitue un grand défi », a déclaré Gladden, « car quelqu'un doit payer pour cela ».

Préparer la communication de demain

La mise en place d’un réseau de communications sur Mars n’est que la moitié du puzzle des communications futures. L’autre moitié prépare la technologie dont nous disposons ici sur Terre.

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

Mais il existe un autre problème de bande passante limitée. Les vaisseaux spatiaux disposent désormais d'instruments plus complexes qui enregistrent d'énormes quantités de données et transmettent toutes ces données. ces données sur une connexion lente sont limitantes – comme quiconque a déjà été coincé avec un Internet lent sait.

"À l'avenir, à partir de n'importe quel vaisseau spatial particulier, nous voulons pouvoir rapporter davantage de données", a déclaré Deutsch, directeur adjoint du DSN. « En effet, à mesure que les vaisseaux spatiaux progressent dans le temps, ils transportent de plus en plus d’instruments performants et souhaitent rapporter de plus en plus de bits par seconde. Nous avons donc ce défi de suivre la courbe semblable à la loi de Moore.

La solution à ce problème consiste à transmettre à hautes fréquences. "Si vous augmentez la fréquence à laquelle vous communiquez, cela rétrécit le faisceau transmis par le vaisseau spatial et une plus grande quantité arrive là où vous le souhaitez", 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 quatre fois 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 connues sous le nom de communications laser. Cela présente bon nombre des mêmes avantages que ceux d’une fréquence plus élevée, mais les communications optiques peuvent offrir une amélioration d’un facteur 10 par rapport aux communications radio de pointe actuelles.

Et la bonne nouvelle est que le DSN n’aura pas besoin d’un 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 ​​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 placer les 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 envisageons 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 des données de la prochaine mission Artemis vers la Lune, ainsi que du Mars Ice Mapper et de son vaisseau spatial relais dédié.

"Ça va être maladroit", prévient Gladden. "Nous essayons juste de comprendre cela." Il souligne 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 aujourd’hui détermineront la manière dont l’exploration spatiale progressera au cours des prochaines décennies.

« Ce sera à la fois terrifiant et fascinant de voir ce qui se passe », a-t-il déclaré. « D’un côté, il y a tellement d’incertitude sur ce qui se passe. Mais d’un autre côté, il s’agit de trucs de haute technologie. Nous apprenons et faisons des choses pour la première fois sur 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

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