Come i primi esseri umani su Marte comunicheranno con la Terra

Se pensi che sia doloroso ricevere la ricezione cellulare quando visiti i tuoi parenti in un altro stato, immagina cercando di comunicare con persone che si trovano ad almeno 40 milioni di miglia di distanza e si spostano costantemente rispetto a Voi. Questo è ciò che dovremo affrontare se intendiamo inviare esseri umani su Marte, quando le comunicazioni non saranno solo importanti, ma vitali.

Per scoprire come creare una rete di comunicazioni che copra Marte e oltre, e come i sistemi attuali vengono aggiornati per affrontare la sfida di quantità sempre maggiori di dati, abbiamo parlato con due esperti che lavorano sull'attuale sistema di comunicazione della NASA: uno sul lato Terra e uno su Marte lato.

Questo articolo fa parte di Vita su Marte, una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte

Raggiungere il sistema solare con il Deep Space Network

Per comunicare con le missioni in corso come il rover Perseverance su Marte o le missioni Voyager che si stanno dirigendo nello spazio interstellare, la NASA ha una rete di antenne costruite in tutto il pianeta chiamata Deep Space Network, o DSN.

Il DSN ha tre sedi in California, Spagna e Australia, che ogni giorno si affidano reciprocamente i compiti di comunicazione. In questo modo, c'è sempre un sito puntato nella direzione necessaria, indipendentemente da come la Terra ruoti o oscilli sul proprio asse. In ogni sito sono presenti numerose antenne radio di dimensioni fino a 70 metri che raccolgono le trasmissioni dalle missioni spaziali e trasmettono i dati ovunque debbano andare sulla Terra.

Cooperazione internazionale nelle comunicazioni

Il DSN viene utilizzato per le missioni della NASA, ma esistono altre reti globali utilizzate da diverse agenzie spaziali come l'Agenzia spaziale europea (ESA). In un modo straordinariamente lungimirante, tutte queste diverse reti seguono gli stessi standard internazionali per le loro comunicazioni, quindi le agenzie spaziali possono utilizzare le reciproche reti in caso di necessità.

“È una comunità abbastanza piccola. Ci sono solo poche nazioni che hanno la capacità di inviare veicoli spaziali su Marte, ad esempio", Les Deutsch, vicedirettore dell'Interplanetary Network, che gestisce il Deep Space Network, ha dichiarato a Digital Tendenze. “Sta crescendo, ma è ancora un piccolo numero. E spetta a tutti noi, dato che è una piccola comunità di missioni molto costose, provare a farlo insieme.

Ciò significa che oltre alle agenzie con cui la NASA lavora a stretto contatto, come l'ESA, anche le agenzie con cui non ha rapporti, come l'agenzia spaziale cinese, seguono ancora gli stessi standard.

"Anche la Cina aderisce a una serie di standard internazionali che abbiamo contribuito a sviluppare nel corso degli anni, in modo che tutte le missioni nello spazio profondo comunichino allo stesso modo", ha affermato. “I veicoli spaziali hanno formati radio simili e le stazioni di terra hanno tipi simili di antenne e interfacce. Quindi possiamo tracciare i veicoli spaziali degli altri attraverso questi accordi. Sono tutti costruiti per essere interoperabili".

Parlando con Marte

Ecco come riceviamo le trasmissioni sulla Terra. Ma come si inviano trasmissioni da Marte? Per inviare comunicazioni a una distanza così grande, è necessaria una radio potente. E le missioni come i rover devono essere piccole e leggere, quindi non c'è spazio per legare loro un'enorme antenna.

Per aggirare questo problema, Mars ha un sistema per l'inoltro delle comunicazioni, chiamato Mars Relay Network, o MRN. Consiste di diversi orbiter che stanno attualmente viaggiando intorno al pianeta e che possono essere utilizzati per raccogliere trasmissioni da missioni in superficie (come rover, lander o, eventualmente, persone) e ritrasmettere questi dati a Terra. Puoi effettivamente vedere la posizione corrente di tutte le imbarcazioni nell'MRN usando questa simulazione della NASA.

La maggior parte degli orbitanti attorno a Marte svolge il doppio servizio. Oltre alle loro operazioni scientifiche, funzionano anche come ripetitori, come nel caso di Mars della NASA Veicolo spaziale Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) e Mars Reconnaissance Orbiter e Mars dell'ESA Esprimere. “La maggior parte delle nostre missioni che abbiamo inviato [su Marte] si trovano in orbite a bassa quota, quindi si trovano tra i 300 e i 400 chilometri sopra la superficie. E quelli sono davvero fantastici! Il manager di MRN Roy Gladden ha dichiarato a Digital Trends. "Quelli sono ottimi posti dove stare, perché è bello e vicino, e puoi trasmettere un bel po' di dati tra una risorsa di atterraggio e un orbiter in quell'ambiente."

Tuttavia, non tutte le missioni possono essere aggiunte alla rete di ritrasmissione. Se un orbiter si trova a un'altitudine molto elevata o se ha un'orbita molto ellittica dove a volte si trova vicino al pianeta e altre volte è più lontano, potrebbe non essere adatto a farne parte MRN. La missione Hope degli Emirati Arabi Uniti (UAE), ad esempio, si trova a un'altitudine molto elevata, quindi può studiare l'atmosfera superiore di Marte. Ma ciò significa che è troppo lontano dalla superficie per essere utile come staffetta.

Sono previste future missioni su Marte, come Mars Ice Mapper della NASA o JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) missione, includerà anche l'hardware di comunicazione, quindi più missioni inviamo lì, più grande può essere la rete costruita fuori.

L'importanza del tempismo

Una delle sfide nel trasmettere le comunicazioni da Marte è il fatto che il pianeta è sempre in rotazione e che tutti gli orbiter della NASA e dell'ESA si muovono attorno ad esso. Questo non è un problema se il tuo rover deve inviare comunicazioni due volte al giorno, ad esempio: è molto probabile che diversi orbiter passino in alto a un certo punto. Ma quando devi monitorare un evento specifico in un momento preciso, diventa più complicato.

Ad esempio, l'atterraggio di un rover sulla superficie del pianeta è la parte più difficile di una missione, quindi la NASA vuole sempre tenere d'occhio un atterraggio. Per l'atterraggio del rover Perseverance, gli orbiter dell'MRN hanno modificato le loro orbite per assicurarsi che si trovassero nel posto giusto al momento giusto per catturare l'atterraggio. Ma per risparmiare sul prezioso carburante, potevano apportare solo piccoli aggiustamenti alle loro traiettorie, quindi il processo per mettere tutto al posto giusto è iniziato anni prima che avvenisse l'atterraggio.

Un modo per rendere questo processo più efficiente è utilizzare satelliti ripetitori dedicati per registrare eventi chiave come gli atterraggi. Quando il lander InSight è atterrato su Marte nel 2018, era accompagnato da due satelliti delle dimensioni di una valigetta chiamati MarCO, per Mars Cube One, che fungevano da ripetitori. Questi piccoli satelliti hanno seguito InSight su un sorvolo di Marte, hanno monitorato e trasmesso i dati sull'atterraggio e poi sono partiti nello spazio. "Siamo stati in grado di indirizzarli dove volevamo che fossero in modo che potessero fare quella registrazione per acquisire la telemetria di quell'evento critico", Gladden ha detto, "e poi, dopo che l'evento è finito, si sono girati e hanno puntato le loro antenne verso la Terra e hanno trasmesso quella dati."

L'uso dei MarCO è stato un test di capacità future, poiché i satelliti non erano mai stati usati in questo modo prima. Ma il test è stato un successo. "Hanno fatto esattamente quello che dovevano fare", ha detto Gladden. I MarCO erano un oggetto monouso, poiché non avevano abbastanza carburante per entrare in orbita. Ma satelliti così piccoli sono relativamente economici e facili da costruire, e i MarCO hanno dimostrato che questo è un modo fattibile per monitorare eventi specifici senza dover riorganizzare l'intera rete di Marte.

Comunicazioni per missioni con equipaggio

Per le missioni con equipaggio, le comunicazioni regolari sono ancora più importanti. Ci sarà sempre un ritardo fino a 20 minuti nelle comunicazioni tra la Terra e Marte a causa della velocità della luce. Non c'è assolutamente modo di aggirare questo. Tuttavia, possiamo costruire una rete di comunicazione in modo che le persone su Marte possano parlare con la Terra più di un paio di volte al giorno, con l'obiettivo di avere a disposizione comunicazioni il più possibile costanti possibile.

L'imminente Missione Mars Ice Mapper "è una specie di passo in quella direzione", ha detto Gladden. "La nostra intenzione è quella di inviare una piccola costellazione di veicoli spaziali che saranno utenti di relè dedicati con Ice Mapper." Questo sarebbe essere la prima volta che una costellazione è stata utilizzata per le comunicazioni su Marte e potrebbe essere l'elemento costitutivo di un relè più grande rete.

Un tale progetto richiede molta potenza per comunicare sulle grandi distanze tra i pianeti, ma è del tutto tecnologicamente fattibile.

Una rete di nuova generazione attorno a Marte

Quando si tratta di immaginare il futuro delle esigenze di comunicazione extraplanetaria, "stiamo cercando di essere lungimiranti", ha detto Gladden. “Stiamo cercando di considerare ciò di cui avremmo bisogno in futuro. Soprattutto sapendo che alla fine vogliamo mandare delle persone lì”.

La creazione di una futuristica rete di comunicazioni su Marte potrebbe implicare renderla più simile a quella che abbiamo sul nostro pianeta, aggiungendo più veicoli spaziali alla rete con sempre più potenza. “Sulla Terra, risolviamo il nostro problema di comunicazione inviando un sacco di veicoli spaziali a bassa quota sono sistemi ad alta potenza con grandi pannelli solari, con radio altamente complesse che possono eseguire il beam steering”, ha affermato disse. "Su Marte, vogliamo la stessa cosa."

Ci sono complessità nella creazione di una rete in grado di gestire lunghi ritardi e nella creazione di standard di dati che possono essere utilizzati da tutte le navicelle di Marte, ma è possibile. Una tale rete di comunicazioni potrebbe teoricamente essere ampliata per fare di più che fornire comunicazioni dalla Terra a Marte e ritorno. Potrebbe essere utilizzato come sistema di posizionamento per aiutare con la navigazione su Marte o, con alcune modifiche all'hardware, potrebbe fornire anche comunicazioni attraverso Marte.

Ma veicoli spaziali così capaci sono grandi e pesanti, il che li rende difficili da lanciare. E devono affrontare un altro problema: a differenza dei satelliti attorno alla Terra, che sono protetti dalla magnetosfera del nostro pianeta, i satelliti in orbita attorno a Marte sarebbero bombardati da radiazioni. Ciò significa che devono essere schermati, il che richiede più peso.

Tecnologicamente, è possibile risolvere questi problemi e creare una rete intorno a Marte paragonabile a quella che abbiamo attorno alla Terra. Tuttavia, "come arrivarci è una grande sfida", ha detto Gladden, "perché qualcuno deve pagare per questo".

Preparare le comunicazioni per il futuro

La creazione di una rete di comunicazioni su Marte è metà del puzzle per le comunicazioni future. L'altra metà sta preparando la tecnologia che abbiamo qui sulla Terra.

Attualmente, il DSN è costruire più antenne in modo che possa tenere il passo con il numero sempre crescente di missioni nello spazio profondo che vengono lanciate. Utilizza anche miglioramenti nel software per automatizzare più processi di rete, quindi un numero limitato di personale può supervisionare più missioni ciascuno.

Ma c'è un altro problema di larghezza di banda limitata. I veicoli spaziali ora hanno strumenti più complessi che registrano enormi quantità di dati e li trasmettono tutti questi dati su una connessione lenta sono limitanti, come chiunque sia mai stato bloccato con Internet lento conosce.

"Da qualsiasi particolare veicolo spaziale in futuro, vogliamo essere in grado di riportare più dati", ha affermato Deutsch, vicedirettore del DSN. “Questo perché man mano che i veicoli spaziali avanzano nel tempo, trasportano strumenti sempre più capaci e vogliono riportare sempre più bit al secondo. Quindi abbiamo quella sfida per tenere il passo con quella curva simile alla legge di Moore.

La soluzione a questo problema è trasmettere ad alte frequenze. "Se aumenti la frequenza con cui stai comunicando, si restringe il raggio che viene trasmesso dal veicolo spaziale e una parte maggiore arriva dove vuoi", ha spiegato. Mentre le prime missioni utilizzavano 2,5 GHz, i veicoli spaziali si sono recentemente spostati a circa 8,5 GHz e le missioni più recenti utilizzano 32 GHz.

Frequenze più elevate possono offrire un miglioramento di circa un fattore quattro in termini di bit al secondo, ma anche questo non sarà sufficiente a lungo termine. Quindi il prossimo grande passo nelle comunicazioni spaziali è l'uso delle comunicazioni ottiche, note anche come comunicazioni laser. Ciò porta molti degli stessi vantaggi di andare a una frequenza più alta, ma le comunicazioni ottiche possono offrire un miglioramento di un fattore 10 rispetto alle comunicazioni radio all'avanguardia di oggi.

E la buona notizia è che il DSN non avrà bisogno di hardware completamente nuovo per passare alle comunicazioni ottiche. Le antenne attuali possono essere aggiornate per funzionare con la nuova tecnologia e le antenne di nuova costruzione sono progettate per funzionare su più bande di frequenza ed essere in grado di ricevere trasmissioni ottiche.

Esistono alcune limitazioni alle comunicazioni ottiche, come le nuvole sopra la testa che possono bloccare i segnali. Ma anche tenendo conto di ciò, l'uso delle comunicazioni ottiche aumenterà considerevolmente la capacità complessiva della rete. E una soluzione a lungo termine a questo problema potrebbe comportare la messa in orbita di ricevitori attorno alla Terra, dove sarebbero al di sopra delle nuvole.

Dove andiamo da qui?

I problemi di comunicazione con un altro pianeta sono profondi e difficili da risolvere. "La fisica è immutabile", ha detto Gladden. “È molto lontano, quindi perdi la potenza del segnale. Questo è un problema che dobbiamo superare quando pensiamo di provare a costruire una rete per le persone”.

Ma siamo sulla soglia di una nuova era nelle comunicazioni spaziali. Nel prossimo decennio, impareremo di più sulla trasmissione e la ricezione di dati dall'imminente missione Artemis sulla luna, e dal Mars Ice Mapper e dal suo veicolo spaziale dedicato.

"Sarà goffo", avverte Gladden. "Stiamo solo cercando di capirlo." Indica i dibattiti internazionali sull'uso degli standard e il rapporto in evoluzione tra le agenzie spaziali governative e le società private. Le decisioni prese ora determineranno i progressi dell'esplorazione spaziale nei prossimi decenni.

"Sarà sia terrificante che affascinante vedere cosa succede", ha detto. “Da un lato, c'è così tanta incertezza su quello che sta succedendo. Ma dall'altro, questa è roba high-tech. Stiamo imparando e facendo cose per la prima volta su un altro pianeta. Non è mai stato fatto prima. È stupefacente."

Questo articolo fa parte di Vita su Marte, una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte

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