Bagaimana Manusia Pertama di Mars Akan Berkomunikasi dengan Bumi

Jika Anda merasa sulit mendapatkan penerimaan ponsel saat Anda mengunjungi kerabat Anda di negara bagian lain, bayangkan saja mencoba berkomunikasi dengan orang-orang yang berjarak setidaknya 40 juta mil dan terus berpindah-pindah Anda. Hal itulah yang harus kita hadapi jika kita berencana mengirim manusia ke Mars, ketika komunikasi tidak hanya penting – tetapi juga penting.

Untuk mengetahui cara membuat jaringan komunikasi yang mencakup Mars dan sekitarnya, dan bagaimana sistem yang ada saat ini ditingkatkan untuk memenuhi tantangan tersebut 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 menempati Mars

Menjangkau tata surya dengan Deep Space Network

Untuk berkomunikasi dengan misi saat ini seperti penjelajah Perseverance 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 lokasi yang mengarah ke arah yang diperlukan, terlepas dari bagaimana Bumi berputar atau bergoyang pada porosnya. Di setiap lokasi, terdapat sejumlah antena radio berukuran hingga 70 meter yang menangkap transmisi dari misi luar angkasa dan meneruskan datanya ke mana pun data tersebut dikirim di Bumi.

Kerjasama internasional di bidang komunikasi

DSN digunakan untuk misi NASA, tetapi ada jaringan global lain yang digunakan oleh berbagai badan antariksa seperti Badan Antariksa Eropa (ESA). Dengan cara berpikir yang sangat maju, semua jaringan yang berbeda ini mengikuti standar internasional yang sama dalam komunikasinya, sehingga badan antariksa dapat menggunakan jaringan satu sama lain jika diperlukan.

“Ini adalah komunitas yang cukup kecil. Hanya sedikit negara yang mampu mengirim pesawat luar angkasa ke Mars, misalnya,” Les Deutsch, wakil direktur Jaringan Antarplanet, yang menjalankan Deep Space Network, mengatakan kepada Digital Tren. “Memang bertambah, tapi jumlahnya masih kecil. Dan kita semua, karena ini adalah komunitas kecil dengan misi yang sangat mahal, perlu mencoba melakukan hal ini bersama-sama.”

Artinya, selain lembaga-lembaga yang bekerja sama dengan NASA, seperti ESA, bahkan lembaga-lembaga yang tidak memiliki hubungan dengan NASA, seperti badan antariksa Tiongkok, masih mengikuti standar yang sama.

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

Berbicara dengan Mars

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

Untuk mengatasi masalah ini, Mars memiliki sistem untuk menyampaikan komunikasi, yang disebut Mars Relay Network, atau MRN. Ini terdiri dari berbagai pengorbit yang saat ini melakukan perjalanan keliling planet dan dapat digunakan untuk menjemput transmisi dari misi di permukaan (seperti penjelajah, pendarat, atau, pada akhirnya, manusia) dan meneruskan data ini kembali Bumi. Anda sebenarnya dapat melihat posisi semua pesawat saat ini di MRN menggunakan simulasi NASA ini.

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

Namun, tidak semua misi dapat ditambahkan ke jaringan relai. Jika pengorbit berada pada ketinggian yang sangat tinggi, atau jika ia memiliki orbit yang sangat elips, terkadang ia berada dekat dengan planet ini dan di lain waktu letaknya lebih jauh, mungkin tidak cocok untuk menjadi bagian dari planet ini Pak. Misi Hope Uni Emirat Arab (UEA), misalnya, berada di ketinggian yang sangat tinggi sehingga bisa mempelajari atmosfer bagian atas Mars. Namun itu berarti jaraknya terlalu jauh dari permukaan untuk bisa digunakan sebagai relay.

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

Pentingnya waktu

Salah satu tantangan dalam menyampaikan komunikasi dari Mars adalah kenyataan bahwa planet ini selalu berputar, dan semua pengorbit NASA dan ESA bergerak mengelilinginya. Misalnya, hal ini tidak menjadi masalah jika penjelajah Anda perlu mengirim komunikasi dua kali sehari – kemungkinan besar beberapa pengorbit akan melintas di atas pada suatu saat. Namun ketika Anda perlu melacak peristiwa tertentu pada waktu yang tepat, hal ini menjadi lebih rumit.

Misalnya, mendaratkan penjelajah di permukaan planet adalah bagian tersulit dalam sebuah misi, sehingga NASA selalu ingin mengawasi pendaratannya. Untuk pendaratan rover Perseverance, pengorbit di MRN telah disesuaikan orbitnya untuk memastikan mereka berada di tempat dan waktu yang tepat untuk menangkap pendaratan. Namun untuk menghemat bahan bakar yang berharga, mereka hanya dapat melakukan sedikit penyesuaian pada lintasannya, sehingga proses untuk menempatkan semuanya pada 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 peristiwa penting seperti pendaratan. Saat pendarat InSight mendarat di Mars pada tahun 2018, ia ditemani oleh dua satelit seukuran tas yang disebut MarCOs, untuk Mars Cube One, yang bertindak sebagai relay. Satelit kecil ini mengikuti InSight saat melintasi Mars, memantau dan menyampaikan data tentang pendaratan tersebut, dan kemudian berangkat ke luar angkasa. “Kami dapat menargetkan mereka ke tempat yang kami inginkan sehingga mereka dapat melakukan perekaman untuk menangkap telemetri peristiwa penting tersebut,” Gladden berkata, “dan kemudian setelah peristiwa itu selesai, mereka membalikkan badan dan mengarahkan antena mereka kembali ke Bumi dan mengirimkannya data."

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

Komunikasi untuk misi berawak

Untuk misi berawak, komunikasi rutin 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, kita dapat membangun jaringan komunikasi sehingga orang-orang di Mars dapat berkomunikasi dengan Bumi lebih dari beberapa kali sehari, dengan tujuan agar komunikasi sedekat mungkin tersedia mungkin.

Yang akan datang Misi Pemeta Es Mars “Ini semacam langkah ke arah itu,” kata Gladden. “Niat kami adalah mengirimkan konstelasi kecil pesawat ruang angkasa yang akan menjadi pengguna relai khusus dengan Ice Mapper.” Ini akan ini adalah pertama kalinya sebuah konstelasi digunakan untuk komunikasi Mars, dan bisa menjadi landasan bagi komunikasi yang lebih besar jaringan.

Proyek semacam ini memerlukan banyak daya untuk berkomunikasi dalam jarak yang jauh antarplanet, namun hal ini sepenuhnya layak secara teknologi.

Jaringan generasi berikutnya di sekitar Mars

Ketika membayangkan masa depan kebutuhan komunikasi ekstraplanet, “kami mencoba untuk berpikir ke depan,” kata Gladden. “Kami mencoba mempertimbangkan apa yang kami perlukan di masa depan. Apalagi mengetahui bahwa pada akhirnya kami ingin mengirim orang ke sana.”

Menciptakan jaringan komunikasi Mars yang futuristik mungkin memerlukan upaya untuk membuatnya lebih mirip dengan apa yang kita miliki di planet kita, dengan menambahkan lebih banyak pesawat ruang angkasa ke dalam jaringan tersebut dengan kekuatan yang semakin besar. “Di Bumi, kita memecahkan masalah komunikasi dengan mengirimkan banyak sekali pesawat luar angkasa di ketinggian rendah adalah sistem bertenaga tinggi dengan susunan tenaga surya yang besar, dengan radio yang sangat kompleks yang dapat melakukan beam steering,” katanya dikatakan. “Di Mars, kami menginginkan hal yang sama.”

Terdapat kompleksitas dalam menciptakan jaringan yang dapat menangani penundaan yang lama, dan menciptakan standar data yang dapat digunakan oleh semua pesawat Mars, namun hal tersebut mungkin saja terjadi. Jaringan komunikasi semacam itu secara teori dapat diperluas untuk melakukan lebih dari sekadar menyediakan komunikasi dari Bumi ke Mars dan sebaliknya. Ini dapat digunakan sebagai sistem penentuan posisi untuk membantu navigasi melintasi Mars atau, dengan beberapa modifikasi pada perangkat kerasnya, dapat menyediakan komunikasi melintasi Mars juga.

Namun pesawat luar angkasa yang mumpuni tersebut berukuran besar dan berat, sehingga sulit untuk 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 memerlukan lebih banyak bobot.

Secara teknologi, permasalahan ini dapat diselesaikan dan jaringan di sekitar Mars dapat dibandingkan dengan jaringan yang kita miliki di sekitar Bumi. Namun, “cara mencapainya merupakan sebuah tantangan besar,” kata Gladden, “karena seseorang harus membayar untuk itu.”

Mempersiapkan komunikasi untuk masa depan

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

Saat ini, DSN adalah membangun lebih banyak antena sehingga dapat mengimbangi jumlah misi luar angkasa yang diluncurkan. Ia juga menggunakan perbaikan perangkat lunak untuk mengotomatiskan lebih banyak proses jaringan, sehingga sejumlah staf dapat mengawasi lebih banyak misi di setiap misi.

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

“Dari pesawat luar angkasa tertentu di masa depan, kami ingin dapat mengembalikan lebih banyak data,” kata Deutsch, wakil direktur DSN. “Itu karena seiring dengan kemajuan pesawat luar angkasa, mereka membawa lebih banyak instrumen yang mampu, dan ingin mengembalikan lebih banyak bit per detik. Jadi kita mempunyai tantangan untuk mengikuti kurva yang mirip dengan hukum Moore.”

Solusi untuk masalah ini adalah dengan mengirimkan pada frekuensi tinggi. “Jika Anda meningkatkan frekuensi komunikasi, hal ini akan mempersempit pancaran sinar yang ditransmisikan dari pesawat ruang angkasa dan lebih banyak lagi yang sampai ke tempat yang Anda inginkan,” jelasnya. Meskipun misi awal menggunakan 2,5 GHz, pesawat ruang angkasa baru-baru ini beralih ke sekitar 8,5 GHz, dan misi terbaru menggunakan 32 GHz.

Frekuensi yang lebih tinggi dapat menawarkan peningkatan sekitar empat kali lipat dalam hal bit per detik, namun itu pun tidak akan cukup dalam jangka panjang. Jadi langkah besar berikutnya dalam komunikasi ruang angkasa adalah dengan menggunakan komunikasi optik, yang juga dikenal sebagai komunikasi laser. Hal ini memberikan banyak keuntungan yang sama jika menggunakan frekuensi yang lebih tinggi, namun komunikasi optik dapat memberikan peningkatan sebesar 10 kali lipat dibandingkan komunikasi radio yang canggih saat ini.

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

Ada beberapa keterbatasan dalam komunikasi optik, seperti awan di atas kepala yang dapat memblokir sinyal. Meskipun demikian, penggunaan komunikasi optik akan 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 setelah ini?

Masalah komunikasi dengan planet lain sangat mendalam dan sulit dipecahkan. “Fisika tidak dapat diubah,” kata Gladden. “Jauh sekali, jadi kekuatan sinyalnya hilang. Itu adalah masalah yang harus kita atasi ketika kita berpikir untuk mencoba membangun jaringan bagi masyarakat.”

Namun kita berada di ambang era baru dalam komunikasi luar angkasa. Dalam dekade berikutnya, kita akan mempelajari lebih lanjut tentang transmisi dan penerimaan data dari misi Artemis yang akan datang ke bulan, dan Mars Ice Mapper serta pesawat ruang angkasa relai khusus.

“Ini akan menjadi canggung,” Gladden memperingatkan. “Kami hanya mencoba mencari tahu.” Dia menunjuk pada perdebatan internasional tentang penggunaan standar, dan perubahan hubungan antara badan antariksa pemerintah dan perusahaan swasta. Keputusan yang diambil sekarang akan menentukan kemajuan eksplorasi ruang angkasa dalam beberapa dekade mendatang.

“Akan sangat menakutkan sekaligus menarik melihat apa yang terjadi,” katanya. “Di satu sisi, ada banyak ketidakpastian mengenai apa yang sedang terjadi. Namun di sisi lain, ini adalah hal berteknologi tinggi. Kami belajar dan melakukan sesuatu untuk pertama kalinya di planet lain. Hal ini 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 menempati Mars

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit dalam menempatkan manusia di Mars
• Astropsikologi: Cara tetap waras di Mars
• Pembangkit listrik di planet lain: Bagaimana kita menghasilkan listrik di Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita bercocok tanam di Mars