Come i primi esseri umani su Marte comunicheranno con la Terra

Se pensi che sia una seccatura ricevere la ricezione del 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 sono in costante movimento rispetto ad esse Voi. Questo è ciò che dovremo affrontare se progettiamo di 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 crescenti 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 la Deep Space Network

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

Il DSN ha tre sedi in California, Spagna e Australia, che ogni giorno si trasferiscono tra loro i compiti di comunicazione. In questo modo, c’è sempre un sito puntato nella direzione necessaria, indipendentemente da come la Terra ruota o oscilla sul proprio asse. In ogni sito sono presenti un numero di 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 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”, ha affermato Les Deutsch, vicedirettore dell'Interplanetary Network, che gestisce la Deep Space Network, ha detto a Digital Tendenze. “È in crescita, ma è ancora un numero piccolo. E spetta a tutti noi, poiché è una piccola comunità con 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 sottoscrive 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 reciproci veicoli spaziali 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 agganciarvi un’enorme antenna.

Per aggirare questo problema, Mars dispone di un sistema per ritrasmettere le comunicazioni, chiamato Mars Relay Network o MRN. È composto da diversi orbiter che stanno attualmente viaggiando intorno al pianeta e che possono essere utilizzati per il ritiro trasmissioni da missioni sulla superficie (come rover, lander o, eventualmente, persone) e ritrasmettere questi dati a Terra. Puoi effettivamente vedere la posizione attuale di tutte le imbarcazioni nell'MRN utilizzando questa simulazione della NASA.

La maggior parte degli orbitanti attorno a Marte svolgono il doppio compito. Oltre alle loro operazioni scientifiche, funzionano anche come relè, come nel caso del Marte della NASA La sonda spaziale Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN), il Mars Reconnaissance Orbiter e il Mars dell'ESA Esprimere. “La maggior parte delle nostre missioni che abbiamo inviato [su Marte] sono 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 detto a Digital Trends. "Quelli sono ottimi posti dove stare, perché sono belli e vicini e puoi trasmettere un bel po' di dati tra una risorsa in atterraggio e un orbiter in quell'ambiente."

Tuttavia, non tutte le missioni possono essere aggiunte alla rete di relè. Se un orbiter si trova ad 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 far parte del MRN. La missione Hope degli Emirati Arabi Uniti (EAU), 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 della Japan Aerospace Exploration Agency missione, includerà anche l'hardware di comunicazione, quindi più missioni invieremo lì, più ampia sarà la rete costruita fuori.

L'importanza del tempismo

Una delle sfide legate alla trasmissione delle comunicazioni da Marte è il fatto che il pianeta ruota continuamente e che tutti gli orbiter della NASA e dell’ESA si muovono attorno ad esso. Questo non è un problema se il tuo rover ha bisogno di inviare comunicazioni due volte al giorno, ad esempio: è molto probabile che diversi orbiter passino sopra di te prima o poi. Ma quando devi monitorare un evento specifico in un momento preciso, le cose diventano più complicate.

Ad esempio, far atterrare un rover sulla superficie del pianeta è la parte più difficile di una missione, quindi la NASA vuole sempre avere gli occhi puntati su un atterraggio. Per l'atterraggio del rover Perseverance, gli orbiter dell'MRN hanno modificato le loro orbite per assicurarsi che fossero nel posto giusto al momento giusto per catturare l'atterraggio. Ma per risparmiare carburante prezioso, potevano apportare solo piccole modifiche alle loro traiettorie, quindi il processo per mettere tutto al posto giusto è iniziato anni prima che avvenisse lo sbarco.

Un modo per rendere questo processo più efficiente è utilizzare satelliti relè dedicati per registrare eventi chiave come gli atterraggi. Quando il lander InSight è atterrato su Marte nel 2018, era accompagnato da due satelliti grandi quanto una valigetta chiamati MarCO, per Mars Cube One, che fungeva da relè. Questi piccoli satelliti hanno seguito InSight durante un sorvolo di Marte, hanno monitorato e trasmesso i dati sull'atterraggio e poi si sono diretti nello spazio. "Siamo stati in grado di indirizzarli dove volevamo che fossero in modo che potessero effettuare la 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 quello dati."

L'uso dei MarCO è stato un test per le capacità future, poiché i satelliti non erano mai stati utilizzati 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 praticabile 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 alcun modo per aggirare questo problema. Tuttavia, possiamo costruire una rete di comunicazione in modo che le persone su Marte possano parlare con la Terra più di qualche volta 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 utilizzatori di relè dedicati con Ice Mapper”. Questo sarebbe sarà la prima volta che una costellazione verrà utilizzata per le comunicazioni su Marte e potrebbe costituire l'elemento costitutivo di un relè più grande rete.

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

Una rete di prossima 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 cosa ci servirebbe in futuro. Soprattutto sapendo che prima o poi vogliamo mandare la gente lì”.

Creare una futuristica rete di comunicazioni su Marte potrebbe implicare renderla più simile a quella che abbiamo sul nostro pianeta, aggiungendo alla rete più veicoli spaziali con sempre più potenza. “Sulla Terra, risolviamo i nostri problemi di comunicazione inviando moltissimi veicoli spaziali a bassa quota sono sistemi ad alta potenza con grandi pannelli solari, con radio altamente complesse in grado di orientare il raggio”, ha spiegato 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 possano essere utilizzati da tutte le navicelle marziane, ma è possibile. Una rete di comunicazione di questo tipo potrebbe teoricamente essere ampliata per fare di più che fornire semplicemente comunicazioni dalla Terra a Marte e ritorno. Potrebbe essere utilizzato come sistema di posizionamento per facilitare la navigazione su Marte o, con alcune modifiche all'hardware, potrebbe anche fornire comunicazioni su Marte.

Ma tali veicoli spaziali 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 attorno a Marte una rete 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 la comunicazione per il futuro

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

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

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

"Da qualsiasi veicolo spaziale in futuro, vogliamo essere in grado di riportare più dati", ha detto 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 dobbiamo affrontare la sfida di tenere il passo con la curva simile alla legge di Moore”.

La soluzione a questo problema è trasmettere ad alte frequenze. "Se aumenti la frequenza con cui comunichi, si restringe il raggio trasmesso dalla navicella spaziale e una maggiore quantità di esso arriva dove desideri", ha spiegato. Mentre le prime missioni utilizzavano 2,5 GHz, i veicoli spaziali sono recentemente passati a circa 8,5 GHz e le missioni più recenti utilizzano 32 GHz.

Frequenze più alte 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 sarà l'utilizzo della comunicazione ottica, nota anche come comunicazioni laser. Ciò comporta molti degli stessi vantaggi derivanti dal passaggio a una frequenza più elevata, 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 dei ricevitori attorno alla Terra, dove si troverebbero sopra le 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 dei dati dalla prossima missione Artemis sulla Luna, dal Mars Ice Mapper e dalla sua navicella spaziale a relè dedicata.

“Sarà goffo”, avverte Gladden. "Stiamo solo cercando di capirlo." Fa riferimento ai dibattiti internazionali sull’uso degli standard e al mutevole rapporto tra agenzie spaziali governative e aziende private. Le decisioni prese ora determineranno come progredirà l’esplorazione spaziale nei prossimi decenni.

“Sarà sia terrificante che affascinante vedere cosa succederà”, ha detto. “Da un lato, c’è così tanta incertezza su cosa sta succedendo. Ma dall'altro si tratta di 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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