Ha úgy gondolja, hogy fájdalmas a cella fogadása, amikor meglátogatja rokonait egy másik államban, képzelje el próbál kommunikálni olyan emberekkel, akik legalább 40 millió mérföldre vannak, és folyamatosan mozognak hozzájuk képest te. Ezzel kell megküzdenünk, ha azt tervezzük, hogy embereket küldünk a Marsra, amikor a kommunikáció nem csak fontos, hanem létfontosságú lesz.
Tartalom
- A Deep Space Network segítségével elérheti a naprendszert
- Nemzetközi együttműködés a kommunikációban
- Beszélgetés a Marssal
- Az időzítés fontossága
- Kommunikáció legénységi küldetésekhez
- Új generációs hálózat a Mars körül
- Kommunikáció előkészítése a jövőre nézve
- Hova megyünk innen?
Megtudni, hogyan lehet létrehozni egy kommunikációs hálózatot, amely lefedi a Marsot és azon túl, és hogyan fejlesztik a jelenlegi rendszereket, hogy megfeleljenek a kihívásoknak. Az egyre növekvő mennyiségű adatról beszéltünk két szakértővel, akik a NASA jelenlegi kommunikációs rendszerén dolgoznak – egy a Föld, egy pedig a Marson. oldal.
Ajánlott videók
Ez a cikk része Élet a Marson, egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot
A Deep Space Network segítségével elérheti a naprendszert
Kommunikálni az aktuális küldetésekkel, mint például a Perseverance rover a Marson vagy a Voyager küldetésekkel. A csillagközi űrbe a NASA egy antennahálózattal rendelkezik, amelyet a bolygó körül építettek Mély Űrhálózatnak, vagy DSN.
A DSN-nek három telephelye van Kaliforniában, Spanyolországban és Ausztráliában, amelyek minden nap átadják egymás közötti kommunikációs feladatokat. Így mindig van egy hely, amely a szükséges irányba mutat, függetlenül attól, hogy a Föld hogyan forog vagy inog a tengelye körül. Minden helyszínen számos, legfeljebb 70 méteres rádióantenna található, amelyek felfogják az űrmissziók adásait, és továbbítják az adatokat a Föld bármely pontjára.
Nemzetközi együttműködés a kommunikációban
A DSN-t a NASA küldetéseihez használják, de vannak más globális hálózatok is, amelyeket különböző űrügynökségek használnak, például az Európai Űrügynökség (ESA). Figyelemreméltóan előremutató módon mindezek a különböző hálózatok ugyanazokat a nemzetközi szabványokat követik kommunikációjuk során, így az űrügynökségek szükség esetén használhatják egymás hálózatait.
„Ez egy meglehetősen kicsi közösség. Csak néhány nemzet van, amely képes űrhajót küldeni a Marsra, például” Les Deutsch, a Deep Space Networket üzemeltető bolygóközi hálózat igazgatóhelyettese elmondta a Digitalnak Trendek. „Növekszik, de még mindig kicsi. És mindannyiunknak, mivel ez egy nagyon drága küldetésekből álló kis közösség, meg kell próbálnunk ezt együtt csinálni.”
Ez azt jelenti, hogy az olyan ügynökségeken kívül, amelyekkel a NASA szorosan együttműködik, mint például az ESA, még azok az ügynökségek is, amelyekkel nem áll kapcsolatban, mint például a kínai űrügynökség, továbbra is ugyanazokat a szabványokat követik.
„Még Kína is aláír egy sor olyan nemzetközi szabványt, amelyek kidolgozásában az évek során segítettünk, hogy minden mélyűri küldetés azonos módon kommunikáljon” – mondta. „Az űrhajók hasonló rádióformátumúak, a földi állomások pedig hasonló típusú antennákkal és interfészekkel rendelkeznek. Így ezeken a megállapodásokon keresztül nyomon követhetjük egymás űrhajóit. Mindegyiket úgy tervezték, hogy átjárhatóak legyenek."
Beszélgetés a Marssal
Tehát így fogadjuk az adásokat a Földön. De hogyan küldhet adásokat a Marsról? Ahhoz, hogy ilyen nagy távolságra küldjön kommunikációt, erős rádióra van szüksége. Az olyan küldetéseknek, mint a rovereknek kicsiknek és könnyűeknek kell lenniük, így nincs helyük hatalmas antennát felcsatolni.
A probléma megkerülésére a Mars rendelkezik egy kommunikációs továbbítási rendszerrel, amelyet Mars Relay Networknek vagy MRN-nek neveznek. Különböző keringőkből áll, amelyek jelenleg körbejárják a bolygót, és amelyekkel fel lehet venni a felszínen végzett küldetések (például roverek, leszállók vagy esetleg emberek) adásait, és továbbítsa ezeket az adatokat Föld. Valójában láthatja az összes vízi jármű jelenlegi helyzetét az MRN-ben ez a NASA szimuláció.
A Mars körül keringők többsége kettős feladatot lát el. Tudományos műveleteik mellett közvetítőként is működnek – ez a NASA Mars esetében is így van Atmospheric and Volatile EvolutionN (MAVEN) űrhajó és Mars Reconnaissance Orbiter, valamint az ESA Mars Expressz. „A legtöbb küldetésünk, amelyet [a Marsra] küldtünk, alacsony tengerszint feletti pályán zajlik, tehát valahol 300 és 400 kilométeres magasságban vannak a felszín felett. És ezek tényleg nagyszerűek!” Roy Gladden, az MRN menedzsere elmondta a Digital Trendsnek. "Nagyszerű helyek ezek, mert szép és közel van, és elég sok adatot továbbíthat egy leszálló eszköz és egy keringő között ebben a környezetben."
Nem minden küldetés adható hozzá a közvetítő hálózathoz. Ha egy keringő nagyon nagy magasságban van, vagy ha nagyon elliptikus pályája van, ahol néha közel van a bolygóhoz, máskor pedig távolabb, előfordulhat, hogy nem alkalmas arra, hogy része legyen MRN. Az Egyesült Arab Emirátusok (Egyesült Arab Emírségek) Hope küldetése például nagyon nagy magasságban van, így képes a Mars felső légkörét tanulmányozni. De ez azt jelenti, hogy túl messze van a felszíntől ahhoz, hogy reléként használható legyen.
Jövőbeli Mars-küldetéseket terveznek, mint például a NASA Mars Ice Mapper vagy a Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) küldetés, kommunikációs hardvert is tartalmazni fog, tehát minél több küldetést küldünk oda, annál nagyobb lesz a hálózat kiépített.
Az időzítés fontossága
A Marsról érkező kommunikáció továbbításának egyik kihívása az, hogy a bolygó állandóan forog, és a NASA és az ESA összes keringője körülötte mozog. Ez nem probléma, ha a rovernek például naponta kétszer kell kommunikációt küldenie – nagy az esély arra, hogy valamikor több keringő is elhalad a feje fölött. De ha egy adott eseményt egy pontos időpontban kell nyomon követnie, az bonyolultabbá válik.
Például egy rover leszállása a bolygó felszínére a küldetés legnehezebb része, ezért a NASA mindig a leszállást szeretné látni. A Perseverance rover leszállásakor az MRN keringőinek pályáját módosították, hogy biztosítsák, hogy a megfelelő időben a megfelelő helyen legyenek a leszállás rögzítéséhez. De az értékes üzemanyag megtakarítása érdekében csak kis mértékben tudták módosítani a pályájukat, így évekkel a leszállás előtt elkezdődött az a folyamat, hogy minden a megfelelő helyre kerüljön.
A folyamat hatékonyabbá tételének egyik módja az, hogy dedikált közvetítő műholdakat használnak a kulcsfontosságú események, például a leszállások rögzítésére. Amikor az InSight leszállóegység 2018-ban a Marson landolt, azzal együtt járt két aktatáska méretű műhold, úgynevezett MarCO, a Mars Cube One-hoz, amely reléként működött. Ezek a kis műholdak követték az InSightot a Mars melletti elrepülés során, figyelték és továbbították a leszállási adatokat, majd elindultak az űrbe. „Oda tudtuk őket célozni, ahová akartuk, hogy rögzíthessék a kritikus események telemetriáját.” Gladden azt mondta: „Azután az esemény befejezése után megfordultak, és visszairányították az antennájukat a Földre, és továbbították adat."
A MarCO-k használata egy jövőbeli képesség próbája volt, hiszen ilyen műholdakat még soha nem használtak. De a teszt sikeres volt. „Pontosan azt tették, amit elterveztek” – mondta Gladden. A MarCO-k egyszer használatosak voltak, mivel nem volt elég üzemanyaguk a pályára lépéshez. Az ilyen kis műholdak azonban viszonylag olcsók és könnyen megépíthetők, és a MarCO-k bebizonyították, hogy ez egy életképes módja bizonyos események megfigyelésének anélkül, hogy a teljes Mars-hálózatot át kellene rendezni.
Kommunikáció legénységi küldetésekhez
A legénységi küldetéseknél a rendszeres kommunikáció még fontosabb. A Föld és a Mars közötti kommunikációban a fénysebesség miatt mindig akár 20 perces késések is előfordulhatnak. Ezt egyáltalán nem lehet megkerülni. Kiépíthetünk azonban egy kommunikációs hálózatot, hogy a Marson élők beszélhessenek a Földdel naponta többször, azzal a céllal, hogy a lehető legközelebb álljon rendelkezésre a folyamatos kommunikáció lehetséges.
A közelgő Mars Ice Mapper küldetés „Egyfajta lépés ebbe az irányba” – mondta Gladden. "Az a szándékunk, hogy küldjünk egy kis konstellációt űrhajókból, amelyek az Ice Mapperrel dedikált közvetítő felhasználók lesznek." Ez lenne ez az első alkalom, hogy konstellációt használnak a Mars-kommunikációhoz, és egy nagyobb relé építőköve lehet hálózat.
Egy ilyen projekt sok energiát igényel a bolygók közötti nagy távolságokon keresztüli kommunikációhoz, de technológiailag teljesen megvalósítható.
Új generációs hálózat a Mars körül
Amikor a bolygón kívüli kommunikációs szükségletek jövőjének elképzeléséről van szó, „megpróbálunk előrelátóak lenni” – mondta Gladden. „Megpróbáljuk átgondolni, mire lesz szükségünk a jövőben. Főleg annak tudatában, hogy végül embereket akarunk oda küldeni.”
Egy futurisztikus Mars-kommunikációs hálózat létrehozása magában foglalhatja azt, hogy a bolygónkon lévőhöz hasonlóbbá tegyük azáltal, hogy több űrhajót adunk a hálózathoz, egyre nagyobb teljesítménnyel. „A Földön úgy oldjuk meg kommunikációs problémáinkat, hogy sok-sok alacsony magasságú űrhajót küldünk fel nagy teljesítményű rendszerek nagy napelem tömbökkel, rendkívül összetett rádiókkal, amelyek képesek sugárkormányozni" mondott. "A Marson ugyanazt akarjuk."
Technológiailag meg lehet oldani ezeket a problémákat, és a Mars körül egy olyan hálózatot hozhatunk létre, amely hasonlít a Föld körüli hálózathoz.
Bonyolultságokkal jár egy olyan hálózat létrehozása, amely képes kezelni a hosszú késéseket, és olyan adatszabványok létrehozása, amelyeket minden Mars-hajó használhat, de lehetséges. Egy ilyen kommunikációs hálózat elméletileg kibővíthető, hogy ne csak kommunikációt biztosítson a Földről a Marsra és vissza. Használható helymeghatározó rendszerként a Marson való navigáció elősegítésére, vagy a hardver néhány módosításával kommunikációt is biztosíthat a Marson.
De az ilyen alkalmas űrhajók nagyok és nehezek, ami megnehezíti az indításukat. És még egy problémával néznek szembe: a Föld körüli műholdakkal ellentétben, amelyeket bolygónk magnetoszférája véd, a Mars körül keringő műholdakat sugárzás bombázná. Ez azt jelenti, hogy árnyékolni kell őket, ami nagyobb súlyt igényel.
Technológiailag meg lehet oldani ezeket a problémákat, és a Mars körül egy olyan hálózatot hozhatunk létre, amely hasonlít a Föld körüli hálózathoz. Gladden szerint azonban „nagy kihívást jelent az odajutás, mert valakinek fizetnie kell érte”.
Kommunikáció előkészítése a jövőre nézve
A Mars kommunikációs hálózatának felállítása a jövőbeli kommunikáció rejtvényének egyik fele. A másik fele a technológiát készíti elő a Földön.
Jelenleg a DSN az több antenna építése így lépést tud tartani az egyre növekvő számú mélyűri küldetéssel. A szoftver fejlesztéseit is felhasználja több hálózati folyamat automatizálására, így korlátozott számú munkatárs egyenként több küldetést felügyelhet.
De van egy másik probléma is a korlátozott sávszélességgel. Az űrhajók ma már összetettebb műszerekkel rendelkeznek, amelyek hatalmas adathalmazokat rögzítenek, és mindezt továbbítják ezek az adatok a lassú kapcsolaton korlátozzák – mint bárki, aki valaha is elakadt a lassú internet mellett tudja.
„Minden egyes űrhajóról a jövőben több adatot szeretnénk visszahozni” – mondta Deutsch, a DSN igazgatóhelyettese. „Ez azért van így, mert az űrhajók az időben előrehaladtával egyre több képességű műszert visznek magukkal, és egyre több bitet akarnak visszahozni másodpercenként. Tehát megvan a kihívás, hogy lépést tartsunk a Moore-törvényhez hasonló görbével.”
A probléma megoldása a magas frekvenciájú adás. "Ha növeli a kommunikáció frekvenciáját, az leszűkíti az űrszonda által kibocsátott nyalábot, és több jut oda, ahová akar" - magyarázta. Míg a korai küldetések 2,5 GHz-et használtak, az űrrepülőgépek mostanában 8,5 GHz körülire, a legújabb küldetések pedig 32 GHz-et használnak.
A magasabb frekvenciák körülbelül négyszeres javulást kínálnak a bit/másodpercben kifejezve, de hosszú távon még ez sem lesz elég. Az űrkommunikáció következő nagy lépése tehát az optikai kommunikáció, más néven az lézeres kommunikáció. Ez ugyanazokkal az előnyökkel jár, mint a magasabb frekvenciára való kapcsolódás, de az optikai kommunikáció 10-szeres javulást kínál a mai legkorszerűbb rádiókommunikációhoz képest.
A jó hír pedig az, hogy a DSN-nek nem lesz szüksége teljesen új hardverre az optikai kommunikációra való átálláshoz. A jelenlegi antennák továbbfejleszthetők, hogy az új technológiával működjenek, az újonnan épített antennákat pedig úgy tervezték, hogy több frekvenciasávon működjenek, és képesek legyenek optikai adások vételére.
Az optikai kommunikációnak vannak bizonyos korlátai, például a fej feletti felhők, amelyek blokkolhatják a jeleket. De még ezt figyelembe véve is az optikai kommunikáció használata jelentősen megnöveli a hálózat általános képességét. A probléma hosszú távú megoldása az lehet, hogy a vevőkészülékeket Föld körüli pályára állítják, ahol a felhők felett lennének.
Hova megyünk innen?
A másik bolygóval való kommunikáció problémái mélyek és nehezen megoldhatók. – A fizika megváltoztathatatlan – mondta Gladden. „Messze van, ezért elveszíti a jelerősséget. Ez egy olyan probléma, amelyet le kell küzdenünk, ha arra gondolunk, hogy megpróbálunk hálózatot építeni az emberek számára.”
De egy új korszak küszöbén állunk az űrkommunikációban. A következő évtizedben többet fogunk megtudni a közelgő Artemis-misszió Holdra, valamint a Mars Ice Mapper-ről és annak dedikált közvetítő űrszondájáról származó adatok továbbításáról és fogadásáról.
– Ügyetlen lesz – figyelmeztet Gladden. – Csak próbáljuk ezt kitalálni. Rámutat a szabványok használatáról folyó nemzetközi vitákra, valamint a kormányzati űrügynökségek és a magáncégek közötti változó kapcsolatra. A most meghozott döntések határozzák meg, hogy az űrkutatás hogyan fog haladni a következő évtizedekben.
„Félelmetes és lenyűgöző lesz látni, mi történik” – mondta. „Egyrészt nagyon sok a bizonytalanság azzal kapcsolatban, hogy mi történik. De másrészt ez high-tech dolog. Először tanulunk és csinálunk dolgokat egy másik bolygó körül. Ez még soha nem történt meg. Ez elképesztő."
Ez a cikk része Élet a Marson, egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot
Szerkesztői ajánlások
- Kozmológiai ingázás: Az emberek Marsra helyezésének trükkös logisztikája
- Asztropszichológia: Hogyan maradjunk észnél a Marson
- Erőművek más bolygókon: Hogyan termelünk áramot a Marson
- Hidratáció begyűjtése: Hogyan teremtenek és gyűjtenek vizet a leendő telepesek a Marson
- Asztromezőgazdaság: Hogyan termesztünk majd növényeket a Marson
