Bagaimana Manusia Pertama di Mars Akan Berkomunikasi Dengan Bumi

Jika Anda merasa sulit untuk mendapatkan penerimaan seluler saat Anda mengunjungi kerabat Anda di negara bagian lain, bayangkan saja mencoba berkomunikasi dengan orang-orang yang jaraknya setidaknya 40 juta mil dan terus bergerak relatif terhadap Anda. Itulah yang harus kita tangani jika kita berencana untuk mengirim manusia ke Mars, ketika komunikasi tidak hanya menjadi penting – tetapi juga vital.

Untuk mengetahui cara membuat jaringan komunikasi yang mencakup Mars dan sekitarnya, dan bagaimana sistem saat ini ditingkatkan untuk memenuhi tantangan jumlah data yang terus meningkat, kami berbicara dengan dua ahli yang bekerja pada sistem komunikasi NASA saat ini – satu di sisi Bumi dan satu lagi di Mars samping.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars, seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Menjangkau tata surya dengan Deep Space Network

Untuk berkomunikasi dengan misi saat ini seperti penjelajah Ketekunan di Mars atau misi Voyager yang sedang menuju keluar ke ruang antarbintang, NASA memiliki jaringan antena yang dibangun di seluruh planet yang disebut Deep Space Network, atau DSN.

DSN memiliki tiga lokasi di California, Spanyol, dan Australia, yang menyerahkan tugas komunikasi antara satu sama lain setiap hari. Dengan begitu, selalu ada situs yang menunjuk ke arah yang dibutuhkan, terlepas dari bagaimana Bumi berputar atau bergoyang pada porosnya. Di setiap lokasi, terdapat sejumlah antena radio berukuran hingga 70 meter yang menerima transmisi dari misi luar angkasa dan menyampaikan data ke mana pun ia harus pergi di Bumi.

Kerjasama internasional dalam komunikasi

DSN digunakan untuk misi NASA, tetapi ada jaringan global lain yang digunakan oleh berbagai badan antariksa seperti European Space Agency (ESA). Dengan cara yang sangat berpikiran maju, semua jaringan yang berbeda ini mengikuti standar internasional yang sama untuk komunikasi mereka, sehingga badan antariksa dapat menggunakan jaringan satu sama lain jika diperlukan.

“Ini komunitas yang cukup kecil. Hanya sedikit negara yang memiliki kemampuan mengirim pesawat luar angkasa ke Mars, misalnya,” Les Deutsch, wakil direktur Interplanetary Network, yang menjalankan Deep Space Network, mengatakan kepada Digital Tren. “Memang tumbuh, tapi jumlahnya masih sedikit. Dan itu penting bagi kita semua, sebagai komunitas kecil dengan misi yang sangat mahal, untuk mencoba melakukan ini bersama-sama.”

Itu berarti bahwa selain badan-badan yang bekerja sama dengan NASA, seperti ESA, bahkan badan-badan yang tidak memiliki hubungan dengannya, seperti badan antariksa China, masih mengikuti standar yang sama.

“Bahkan China mengikuti serangkaian standar internasional yang telah kami bantu kembangkan selama bertahun-tahun, sehingga semua misi luar angkasa berkomunikasi dengan cara yang sama,” katanya. “Pesawat ruang angkasa memiliki format radio yang serupa dan stasiun bumi memiliki jenis antena dan antarmuka yang serupa. Jadi kita bisa melacak pesawat ruang angkasa satu sama lain melalui perjanjian ini. Semuanya dibuat agar dapat dioperasikan.”

Berbicara dengan Mars

Jadi begitulah cara kami menerima transmisi di Bumi. Tapi bagaimana Anda mengirim transmisi dari Mars? Untuk mengirim komunikasi dalam jarak yang begitu jauh, Anda memerlukan radio yang kuat. Dan misi seperti penjelajah harus kecil dan ringan, jadi tidak ada ruang untuk memasang antena besar pada mereka.

Untuk mengatasi masalah ini, Mars memiliki sistem untuk menyampaikan komunikasi, yang disebut Mars Relay Network, atau MRN. Ini terdiri dari pengorbit berbeda yang saat ini berkeliling planet dan yang dapat digunakan untuk mengambil transmisi dari misi di permukaan (seperti penjelajah, pendarat, atau, akhirnya, manusia) dan meneruskan data ini kembali ke Bumi. Anda benar-benar dapat melihat posisi saat ini dari semua kerajinan di MRN menggunakan simulasi NASA ini.

Mayoritas pengorbit di sekitar Mars melakukan tugas ganda. Selain operasi sains mereka, mereka juga bekerja sebagai relai – itulah yang terjadi dengan Mars NASA Pesawat ruang angkasa Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) dan Mars Reconnaissance Orbiter, dan Mars milik ESA Cepat. “Sebagian besar misi yang kami kirim [ke Mars] berada di orbit rendah, jadi mereka berada di antara 300 dan 400 kilometer di atas permukaan. Dan itu sangat bagus!” Manajer MRN Roy Gladden mengatakan kepada Digital Trends. “Itu adalah tempat yang bagus, karena bagus dan dekat, dan Anda dapat mengirimkan cukup banyak data antara aset pendaratan dan pengorbit di lingkungan itu.”

Namun, tidak setiap misi dapat ditambahkan ke jaringan relai. Jika pengorbit berada pada ketinggian yang sangat tinggi, atau jika orbitnya sangat elips di tempat yang terkadang demikian dekat dengan planet dan di lain waktu jika lebih jauh, mungkin tidak cocok untuk menjadi bagian dari MRN. Misi Harapan Uni Emirat Arab (UEA), misalnya, berada di ketinggian yang sangat tinggi sehingga dapat mempelajari atmosfer bagian atas Mars. Tapi itu berarti terlalu jauh dari permukaan untuk berguna sebagai relai.

Misi masa depan ke Mars, seperti Mars Ice Mapper NASA atau Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) direncanakan misi, akan mencakup perangkat keras komunikasi juga, jadi semakin banyak misi yang kita kirim ke sana, semakin banyak jaringannya dibangun.

Pentingnya pengaturan waktu

Salah satu tantangan menyampaikan komunikasi dari Mars adalah fakta bahwa planet ini selalu berputar, dan semua pengorbit NASA dan ESA bergerak di sekitarnya. Itu bukan masalah jika penjelajah Anda perlu mengirim komunikasi dua kali sehari, misalnya – kemungkinan besar beberapa pengorbit akan lewat di atas kepala di beberapa titik. Tetapi ketika Anda perlu melacak peristiwa tertentu pada waktu yang tepat, itu menjadi lebih rumit.

Misalnya, mendaratkan penjelajah di permukaan planet adalah bagian tersulit dari sebuah misi, jadi NASA selalu ingin mengawasi pendaratan. Untuk pendaratan penjelajah Perseverance, pengorbit di MRN memiliki orbit yang disesuaikan untuk memastikan mereka berada di tempat yang tepat pada waktu yang tepat untuk melakukan pendaratan. Tetapi untuk menghemat bahan bakar yang berharga, mereka hanya dapat melakukan sedikit penyesuaian pada lintasan mereka, sehingga proses mendapatkan semuanya di tempat yang tepat dimulai bertahun-tahun sebelum pendaratan terjadi.

Salah satu cara untuk membuat proses ini lebih efisien adalah dengan menggunakan satelit relai khusus untuk merekam kejadian penting seperti pendaratan. Ketika pendarat InSight mendarat di Mars pada tahun 2018, ia ditemani oleh dua satelit seukuran koper yang disebut MarCOs, untuk Mars Cube One, yang bertindak sebagai relai. Satelit kecil ini mengikuti InSight saat melintasi Mars, memantau dan menyampaikan data tentang pendaratan, lalu berangkat ke luar angkasa. “Kami dapat menargetkan mereka ke tempat yang kami inginkan sehingga mereka dapat merekam untuk menangkap telemetri peristiwa kritis tersebut,” Gladden berkata, “dan kemudian setelah acara selesai, mereka berbalik dan mengarahkan antena mereka kembali ke Bumi dan mengirimkannya data."

Penggunaan MarCOs adalah ujian kemampuan masa depan, karena satelit belum pernah digunakan seperti ini sebelumnya. Tapi tes itu sukses. “Mereka melakukan persis seperti yang seharusnya mereka lakukan,” kata Gladden. MarCOs adalah barang sekali pakai, karena mereka tidak memiliki cukup bahan bakar untuk memasuki orbit. Tapi satelit kecil seperti itu relatif murah dan mudah dibangun, dan MarCOs menunjukkan bahwa ini adalah cara yang layak untuk memantau peristiwa tertentu tanpa harus mengatur ulang seluruh jaringan Mars.

Komunikasi untuk misi berawak

Untuk misi berawak, komunikasi reguler bahkan lebih penting. Akan selalu ada penundaan hingga 20 menit dalam komunikasi antara Bumi dan Mars karena kecepatan cahaya. Sama sekali tidak ada jalan lain. Namun, kami dapat membangun jaringan komunikasi sehingga orang-orang di Mars dapat berbicara dengan Bumi lebih dari beberapa kali sehari, dengan tujuan untuk mendapatkan komunikasi yang sedekat mungkin mungkin.

Yang akan datang Misi Mars Ice Mapper “Adalah semacam langkah ke arah itu,” kata Gladden. “Niat kami adalah mengirim konstelasi kecil pesawat ruang angkasa yang akan menjadi pengguna estafet khusus dengan Ice Mapper.” Ini akan menjadi pertama kalinya konstelasi telah digunakan untuk komunikasi Mars, dan bisa menjadi blok bangunan dari relai yang lebih besar jaringan.

Proyek semacam itu membutuhkan banyak daya untuk berkomunikasi dalam jarak yang jauh antar planet, tetapi sepenuhnya layak secara teknologi.

Jaringan generasi berikutnya di sekitar Mars

Ketika datang untuk membayangkan masa depan kebutuhan komunikasi ekstraplanet, "kami mencoba untuk berpikiran maju," kata Gladden. “Kami mencoba untuk mempertimbangkan apa yang akan kami butuhkan di masa depan. Terutama mengetahui bahwa pada akhirnya kami ingin mengirim orang ke sana.”

Membuat jaringan komunikasi Mars futuristik mungkin melibatkan membuatnya lebih mirip dengan apa yang kita miliki di planet kita, dengan menambahkan lebih banyak pesawat ruang angkasa ke jaringan dengan kekuatan yang semakin besar. “Di Bumi, kami memecahkan masalah komunikasi kami dengan mengirimkan banyak sekali pesawat ruang angkasa dataran rendah itu adalah sistem bertenaga tinggi dengan susunan surya yang besar, dengan radio yang sangat kompleks yang dapat melakukan beam steering,” dia dikatakan. "Di Mars, kami menginginkan hal yang sama."

Ada kerumitan dalam membuat jaringan yang dapat menangani penundaan yang lama, dan pembuatan standar data yang dapat digunakan oleh semua pesawat Mars, tetapi itu mungkin. Jaringan komunikasi semacam itu secara teoritis dapat diperluas untuk melakukan lebih dari sekadar menyediakan komunikasi dari Bumi ke Mars dan sebaliknya. Itu dapat digunakan sebagai sistem penentuan posisi untuk membantu navigasi melintasi Mars atau, dengan beberapa modifikasi pada perangkat keras, dapat menyediakan komunikasi melintasi Mars juga.

Tapi pesawat ruang angkasa yang mampu seperti itu berukuran besar dan berat, yang membuat mereka sulit diluncurkan. Dan mereka menghadapi masalah lain: Tidak seperti satelit di sekitar Bumi, yang dilindungi oleh magnetosfer planet kita, satelit di orbit sekitar Mars akan dibombardir dengan radiasi. Itu berarti mereka perlu dilindungi, yang membutuhkan lebih banyak bobot.

Secara teknologi, adalah mungkin untuk memecahkan masalah ini dan membuat jaringan di sekitar Mars yang sebanding dengan yang kita miliki di sekitar Bumi. Namun, “bagaimana menuju ke sana merupakan tantangan besar,” kata Gladden, “karena seseorang harus membayarnya.”

Mempersiapkan komunikasi untuk masa depan

Menyiapkan jaringan komunikasi Mars adalah setengah dari teka-teki untuk komunikasi di masa depan. Separuh lainnya sedang mempersiapkan teknologi yang kita miliki di Bumi ini.

Saat ini, DSN adalah membangun lebih banyak antena sehingga dapat mengikuti jumlah misi luar angkasa yang terus meningkat yang diluncurkan. Ini juga menggunakan peningkatan dalam perangkat lunak untuk mengotomatiskan lebih banyak proses jaringan, sehingga sejumlah staf dapat mengawasi lebih banyak misi masing-masing.

Tapi ada masalah lain bandwidth terbatas. Pesawat ruang angkasa sekarang memiliki instrumen yang lebih kompleks yang merekam data dalam jumlah besar, dan mentransmisikan semuanya data ini melalui koneksi yang lambat membatasi – seperti siapa pun yang pernah terjebak dengan internet lambat tahu.

“Dari pesawat ruang angkasa tertentu di masa depan, kami ingin dapat membawa kembali lebih banyak data,” kata Deutsch, wakil direktur DSN. “Itu karena seiring kemajuan pesawat ruang angkasa dalam waktu, mereka membawa instrumen yang semakin mumpuni, dan ingin membawa kembali lebih banyak bit per detik. Jadi kami memiliki tantangan untuk mengikuti kurva seperti hukum Moore itu.

Solusi untuk masalah ini adalah mentransmisikan pada frekuensi tinggi. "Jika Anda meningkatkan frekuensi komunikasi, itu mempersempit pancaran yang ditransmisikan dari pesawat ruang angkasa dan lebih banyak lagi yang sampai ke tempat yang Anda inginkan," jelasnya. Sementara misi awal menggunakan 2,5 GHz, pesawat ruang angkasa baru-baru ini pindah ke sekitar 8,5 GHz, dan misi terbaru menggunakan 32 GHz.

Frekuensi yang lebih tinggi dapat menawarkan peningkatan sekitar faktor empat dalam hal bit per detik, tetapi itu pun tidak akan cukup dalam jangka panjang. Jadi langkah besar selanjutnya dalam komunikasi luar angkasa adalah menggunakan komunikasi optik, juga dikenal sebagai komunikasi laser. Ini membawa banyak keuntungan yang sama dengan menggunakan frekuensi yang lebih tinggi, tetapi komunikasi optik dapat menawarkan peningkatan 10 kali lipat dibandingkan komunikasi radio canggih saat ini.

Dan kabar baiknya adalah bahwa DSN tidak memerlukan perangkat keras yang sama sekali baru untuk beralih ke komunikasi optik. Antena saat ini dapat ditingkatkan untuk bekerja dengan teknologi baru, dan antena yang baru dibangun dirancang untuk bekerja pada beberapa pita frekuensi dan mampu menerima transmisi optik.

Ada beberapa batasan pada komunikasi optik, seperti awan di atas kepala yang dapat memblokir sinyal. Tetapi meskipun memungkinkan untuk itu, penggunaan komunikasi optik akan sangat meningkatkan kemampuan jaringan secara keseluruhan. Dan solusi jangka panjang untuk masalah ini mungkin melibatkan penempatan penerima di orbit sekitar Bumi, di mana mereka akan berada di atas awan.

Kemana kita pergi dari sini?

Masalah berkomunikasi dengan planet lain sangat dalam dan sulit dipecahkan. “Fisika tidak dapat diubah,” kata Gladden. “Jauh sekali, jadi Anda kehilangan kekuatan sinyal. Itu adalah masalah yang harus kami atasi ketika kami berpikir untuk mencoba membangun jaringan untuk orang-orang.”

Tapi kita berada di ambang era baru dalam komunikasi luar angkasa. Dalam dekade berikutnya, kita akan belajar lebih banyak tentang mengirim dan menerima data dari misi Artemis yang akan datang ke bulan, dan Mars Ice Mapper serta pesawat antariksa relai khusus.

"Ini akan menjadi kikuk," Gladden memperingatkan. "Kami hanya mencoba mencari tahu ini." Dia menunjuk pada perdebatan internasional tentang penggunaan standar, dan perubahan hubungan antara badan antariksa pemerintah dan perusahaan swasta. Keputusan yang dibuat sekarang akan menentukan bagaimana kemajuan eksplorasi ruang angkasa selama beberapa dekade mendatang.

"Ini akan menjadi menakutkan dan menarik untuk melihat apa yang terjadi," katanya. “Di satu sisi, ada begitu banyak ketidakpastian tentang apa yang sedang terjadi. Tapi di sisi lain, ini adalah barang berteknologi tinggi. Kami belajar dan melakukan sesuatu untuk pertama kalinya di planet lain. Itu belum pernah dilakukan sebelumnya. Itu luar biasa."

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars, seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit untuk menempatkan orang di Mars
• Astropsikologi: Cara tetap waras di Mars
• Pembangkit listrik di planet lain: Bagaimana kita akan menghasilkan listrik di Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita menanam tanaman di Mars