Kako će prvi ljudi na Marsu komunicirati sa Zemljom

Ako mislite da je bolno dobiti mobilni prijem kada posjećujete svoju rodbinu u drugoj državi, samo zamislite pokušavajući komunicirati s ljudima koji su udaljeni najmanje 40 milijuna milja i stalno se kreću u odnosu na vas. To je ono s čime ćemo se morati suočiti ako planiramo poslati ljude na Mars, kada komunikacije neće biti samo važne – one će biti vitalne.

Kako bi saznali kako stvoriti komunikacijsku mrežu koja pokriva Mars i šire, i kako se trenutni sustavi nadograđuju kako bi odgovorili na izazov sve veće količine podataka, razgovarali smo s dva stručnjaka koji rade na trenutnom NASA-inom komunikacijskom sustavu – jednim na strani Zemlje i jednim na Marsu strana.

Ovaj je članak dio Život na Marsu, serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Posezanje u Sunčev sustav s Deep Space Network

Kako bi komunicirali s trenutačnim misijama poput rovera Perseverance na Marsu ili misija Voyagera koje idu u međuzvjezdani prostor, NASA ima mrežu antena izgrađenih po cijelom planetu koja se naziva Deep Space Network, ili DSN.

DSN ima tri lokacije u Kaliforniji, Španjolskoj i Australiji, koje svaki dan međusobno predaju komunikacijske dužnosti. Na taj način uvijek postoji mjesto usmjereno u smjeru koji je potreban, bez obzira na to kako se Zemlja okreće ili njiše oko svoje osi. Na svakom mjestu postoji niz radijskih antena veličine do 70 metara koje hvataju prijenose iz svemirskih misija i prenose podatke kamo god trebaju ići na Zemlji.

Međunarodna suradnja u komunikacijama

DSN se koristi za NASA-ine misije, ali postoje i druge globalne mreže koje koriste različite svemirske agencije kao što je Europska svemirska agencija (ESA). Na nevjerojatno napredan način, sve te različite mreže slijede iste međunarodne standarde za svoje komunikacije, tako da svemirske agencije mogu koristiti međusobne mreže ako se ukaže potreba.

“To je prilično mala zajednica. Postoji samo nekoliko nacija koje imaju sposobnost poslati svemirske letjelice na Mars, na primjer,” Les Deutsch, zamjenik direktora za Interplanetary Network, koji vodi Deep Space Network, rekao je za Digital Trendovi. “Raste, ali je to još uvijek mali broj. I dužno je svima nama, budući da je to mala zajednica vrlo skupih misija, da pokušamo ovo učiniti zajedno.”

To znači da osim agencija s kojima NASA blisko surađuje, poput ESA-e, čak i agencije s kojima nema veze, poput kineske svemirske agencije, i dalje slijede iste standarde.

“Čak se i Kina pridržava niza međunarodnih standarda koje smo mi pomogli razviti tijekom godina, tako da sve misije dubokog svemira komuniciraju na isti način”, rekao je. “Svemirske letjelice imaju slične radijske formate, a zemaljske stanice imaju slične vrste antena i sučelja. Tako da možemo pratiti svemirske letjelice drugih preko ovih sporazuma. Svi su napravljeni da budu interoperabilni.”

Razgovor s Marsom

Dakle, tako primamo prijenose na Zemlji. Ali kako poslati prijenose s Marsa? Za slanje komunikacije na tako veliku udaljenost potreban vam je snažan radio. A misije poput rovera moraju biti male i lagane, tako da nema mjesta za pričvršćivanje ogromne antene na njih.

Kako bi zaobišao ovaj problem, Mars ima sustav za prijenos komunikacija, nazvan Mars Relay Network ili MRN. Sastoji se od različitih orbitera koji trenutno putuju oko planeta i koji se mogu koristiti za podizanje prijenose iz misija na površini (kao što su roveri, lenderi ili, eventualno, ljudi) i proslijediti te podatke natrag Zemlja. Možete zapravo vidjeti trenutni položaj svih plovila u MRN-u pomoću ovu NASA simulaciju.

Većina orbitera oko Marsa ima dvostruku dužnost. Osim svojih znanstvenih operacija, oni također rade kao releji - to je slučaj s NASA-inim Marsom Svemirska letjelica Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) i Mars Reconnaissance Orbiter te ESA-in Mars Izraziti. “Većina naših misija koje smo poslali [na Mars] su na niskim orbitama, tako da su negdje između 300 i 400 kilometara iznad površine. I stvarno su super!” MRN menadžer Roy Gladden rekao je za Digital Trends. "To su sjajna mjesta jer je lijepo i blizu i možete prenijeti dosta podataka između sredstva za slijetanje i orbitera u tom okruženju."

Ipak, ne može se svaka misija dodati mreži prijenosa. Ako je orbiter na vrlo velikoj visini ili ako ima vrlo eliptičnu orbitu gdje je ponekad blizu planeta, a ponekad je i dalje, možda nije prikladno biti dio MRN. Na primjer, misija Hope Ujedinjenih Arapskih Emirata (UAE) nalazi se na vrlo velikoj visini kako bi mogla proučavati gornju atmosferu Marsa. Ali to znači da je predaleko od površine da bi bio koristan kao relej.

Planirane buduće misije na Mars, poput NASA-inog Mars Ice Mappera ili Japanske agencije za istraživanje svemira (JAXA) misija, uključit će i komunikacijski hardver, tako da što više misija tamo pošaljemo, mreža može biti izgrađen van.

Važnost vremena

Jedan od izazova prenošenja komunikacija s Marsa je činjenica da se planet uvijek okreće i da se svi NASA-ini i ESA-ini orbiteri kreću oko njega. To nije problem ako vaš rover treba slati komunikaciju dva puta dnevno, na primjer - velike su šanse da će nekoliko orbitera u nekom trenutku proći iznad njega. Ali kada trebate pratiti određeni događaj u točno određeno vrijeme, postaje teže.

Na primjer, slijetanje rovera na površinu planeta je najteži dio misije, tako da NASA uvijek želi imati na oku slijetanje. Za slijetanje rovera Perseverance, orbiteri u MRN-u su prilagodili svoje orbite kako bi bili sigurni da će biti na pravom mjestu u pravo vrijeme za snimanje slijetanja. Ali kako bi uštedjeli na dragocjenom gorivu, mogli su napraviti samo male prilagodbe svojih putanja, tako da je proces postavljanja svega na pravo mjesto započeo godinama prije slijetanja.

Jedan od načina da se ovaj proces učini učinkovitijim je korištenje namjenskih relejnih satelita za snimanje ključnih događaja poput slijetanja. Kada je lender InSight sletio na Mars 2018., bio je u pratnji dva satelita veličine aktovke nazvana MarCO, za Mars Cube One, koji su djelovali kao releji. Ovi mali sateliti pratili su InSight u preletu Marsa, pratili i prenosili podatke o slijetanju, a zatim se uputili u svemir. "Uspjeli smo ih usmjeriti tamo gdje smo željeli da budu kako bi mogli napraviti to snimanje kako bi uhvatili tu telemetriju kritičnog događaja," Gladden je rekao, "a onda nakon što je događaj završio, okrenuli su se i usmjerili svoje antene natrag na Zemlju i odašiljali to podaci."

Korištenje MarCO-a bio je test budućih sposobnosti, budući da sateliti nikada prije nisu korišteni na ovaj način. Ali test je bio uspješan. "Učinili su točno ono što su namjeravali učiniti", rekao je Gladden. MarCO-i su bili jednokratna upotreba jer nisu imali dovoljno goriva za ulazak u orbitu. Ali takvi su mali sateliti relativno jeftini i lako ih je izgraditi, a MarCOs je pokazao da je ovo održiv način praćenja određenih događaja bez potrebe za preuređivanjem cijele Marsove mreže.

Komunikacije za misije s posadom

Za misije s posadom redovita komunikacija još je važnija. Uvijek će postojati kašnjenje do 20 minuta u komunikaciji između Zemlje i Marsa zbog brzine svjetlosti. Apsolutno nema načina da se to zaobiđe. Međutim, možemo izgraditi komunikacijsku mrežu kako bi ljudi na Marsu mogli razgovarati sa Zemljom više od nekoliko puta dnevno, s ciljem da bude što bliže stalnoj komunikaciji moguće.

Nadolazeći Misija Mars Ice Mapper "je na neki način korak u tom smjeru", rekao je Gladden. "Naša je namjera poslati malu konstelaciju svemirskih letjelica koje će biti namjenski relejni korisnici s Ice Mapperom." Ovo bi biti prvi put da je konstelacija korištena za komunikaciju s Marsom i mogla bi biti sastavni dio većeg releja mreža.

Takav projekt zahtijeva puno snage za komunikaciju na velikim udaljenostima između planeta, ali je potpuno tehnološki izvediv.

Mreža sljedeće generacije oko Marsa

Kada je riječ o predviđanju budućnosti izvanplanetarnih komunikacijskih potreba, "nastojimo razmišljati unaprijed", rekao je Gladden. “Pokušavamo razmotriti što će nam trebati u budućnosti. Pogotovo znajući da na kraju želimo poslati ljude tamo.”

Stvaranje futurističke Marsove komunikacijske mreže moglo bi značiti da bude sličnija onome što imamo na našem planetu, dodavanjem više svemirskih letjelica u mrežu sa sve većom snagom. “Na Zemlji rješavamo naš komunikacijski problem slanjem puno, puno svemirskih letjelica na malim visinama koje su sustavi velike snage s velikim solarnim nizovima, s vrlo složenim radijima koji mogu upravljati snopom", rekao je rekao je. "Na Marsu želimo istu stvar."

Stvaranje mreže koja može podnijeti duga kašnjenja i stvaranje podatkovnih standarda koje mogu koristiti sve Marsove letjelice su složene, ali moguće je. Takva bi se komunikacijska mreža teoretski mogla proširiti kako bi učinila više od puke komunikacije od Zemlje do Marsa i natrag. Mogao bi se koristiti kao sustav za pozicioniranje koji bi pomogao u navigaciji preko Marsa ili, uz neke izmjene na hardveru, mogao bi također omogućiti komunikaciju preko Marsa.

Ali tako sposobne svemirske letjelice su velike i teške, što ih čini teškim za lansiranje. I suočavaju se s još jednim problemom: za razliku od satelita oko Zemlje, koji su zaštićeni magnetosferom našeg planeta, sateliti u orbiti oko Marsa bili bi bombardirani radijacijom. To znači da moraju biti zaštićeni, što zahtijeva veću težinu.

Tehnološki je moguće riješiti te probleme i oko Marsa postaviti mrežu usporedivu s onom koju imamo oko Zemlje. Međutim, "kako doći tamo veliki je izazov", rekao je Gladden, "jer netko to mora platiti."

Priprema komunikacija za budućnost

Postavljanje komunikacijske mreže na Marsu polovica je slagalice za buduće komunikacije. Druga polovica priprema tehnologiju koju imamo ovdje na Zemlji.

Trenutno je DSN izgradnja više antena tako da može držati korak sa sve većim brojem misija u duboki svemir koje se pokreću. Također koristi poboljšanja u softveru za automatizaciju više mrežnih procesa, tako da ograničen broj osoblja može nadgledati više misija svake.

Ali postoji još jedan problem ograničene propusnosti. Svemirske letjelice sada imaju složenije instrumente koji bilježe ogromne hrpe podataka i sve ih odašilju ovi podaci preko spore veze su ograničavajući - kao i svi koji su ikada zapeli sa sporim internetom zna.

"S bilo koje svemirske letjelice u budućnosti želimo moći vratiti više podataka", rekao je Deutsch, zamjenik direktora DSN-a. “To je zato što kako svemirske letjelice napreduju kroz vrijeme, one nose sve sposobnije instrumente i žele vratiti sve više i više bitova u sekundi. Dakle, imamo taj izazov da držimo korak s tom krivuljom nalik na Mooreov zakon.”

Rješenje ovog problema je prijenos na visokim frekvencijama. "Ako povećate frekvenciju na kojoj komunicirate, to sužava snop koji se odašilje iz svemirske letjelice i više toga stiže tamo gdje želite", objasnio je. Dok su prve misije koristile 2,5 GHz, svemirske letjelice su nedavno prešle na oko 8,5 GHz, a najnovije misije koriste 32 GHz.

Više frekvencije mogu ponuditi poboljšanje od oko četiri faktora u smislu bitova u sekundi, ali ni to dugoročno neće biti dovoljno. Dakle, sljedeći veliki korak u svemirskim komunikacijama je korištenje optičkih komunikacija, također poznatih kao laserske komunikacije. To donosi mnoge od istih prednosti prelaska na višu frekvenciju, ali optičke komunikacije mogu ponuditi poboljšanje faktora 10 u odnosu na današnje najsuvremenije radio komunikacije.

A dobra vijest je da DSN-u neće trebati potpuno novi hardver za prijelaz na optičku komunikaciju. Postojeće antene mogu se nadograditi za rad s novom tehnologijom, a novoizgrađene antene dizajnirane su za rad na više frekvencijskih pojaseva i mogu primati optičke prijenose.

Postoje neka ograničenja optičkih komunikacija, poput oblaka iznad glave koji mogu blokirati signale. No čak i ako se to dopusti, korištenje optičkih komunikacija značajno će povećati ukupnu sposobnost mreže. A dugoročno rješenje ovog problema moglo bi uključivati ​​postavljanje prijemnika u orbitu oko Zemlje, gdje bi bili iznad oblaka.

Gdje idemo odavde?

Problemi komunikacije s drugim planetom duboki su i teško ih je riješiti. "Fizika je nepromjenjiva", rekao je Gladden. “Daleko je, pa gubite snagu signala. To je problem koji moramo prevladati kada razmišljamo o pokušaju izgradnje mreže za ljude.”

Ali mi smo na pragu nove ere u svemirskim komunikacijama. U sljedećem desetljeću saznat ćemo više o odašiljanju i primanju podataka iz nadolazeće misije Artemis na Mjesec te Mars Ice Mappera i njegove namjenske letjelice za relej.

"Bit će nespretno", upozorava Gladden. "Samo pokušavamo ovo shvatiti." On ukazuje na međunarodne rasprave o korištenju standarda i promjenjivom odnosu između vladinih svemirskih agencija i privatnih tvrtki. Odluke donesene sada odredit će kako će istraživanje svemira napredovati tijekom sljedećih desetljeća.

"Bit će i zastrašujuće i fascinantno vidjeti što će se dogoditi", rekao je. “S jedne strane, toliko je neizvjesnosti oko toga što se događa. Ali s druge strane, ovo je visokotehnološka stvar. Učimo i radimo stvari po prvi put na drugom planetu. To nikada prije nije učinjeno. To je nevjerojatno.”

Ovaj je članak dio Život na Marsu, serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars

Preporuke urednika

• Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
• Astropsihologija: Kako ostati zdrav na Marsu
• Elektrane na drugim planetima: Kako ćemo proizvoditi električnu energiju na Marsu
• Žetva hidratacije: Kako će budući doseljenici stvarati i skupljati vodu na Marsu
• Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati usjeve na Marsu