איך בני האדם הראשונים על מאדים יתקשרו עם כדור הארץ

אם אתה חושב שזה כאב לקבל קליטה סלולרית כשאתה מבקר את קרובי משפחתך במדינה אחרת, רק דמיין מנסה לתקשר עם אנשים שנמצאים במרחק של לפחות 40 מיליון קילומטרים ונעים כל הזמן ביחס אליהם אתה. עם זה נצטרך להתמודד אם אנחנו מתכננים לשלוח בני אדם למאדים, כשהתקשורת לא רק תהיה חשובה - היא תהיה חיונית.

כדי לגלות כיצד ליצור רשת תקשורת המכסה את מאדים ומעבר לכך, וכיצד המערכות הנוכחיות משודרגות כדי לעמוד באתגר של כמויות הולכות וגדלות של נתונים, שוחחנו עם שני מומחים שעובדים על מערכת התקשורת הנוכחית של נאס"א - אחד בצד כדור הארץ ואחד על מאדים צַד.

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים, סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

הושט יד אל מערכת השמש עם רשת החלל העמוק

על מנת לתקשר עם משימות נוכחיות כמו רובר Perseverance על מאדים או משימות וויאג'ר שעומדות בפניהן אל החלל הבין-כוכבי, לנאס"א יש רשת של אנטנות שנבנו מסביב לכוכב הלכת הנקראת רשת החלל העמוק, או DSN.

ל-DSN יש שלושה אתרים בקליפורניה, ספרד ואוסטרליה, המעבירים את חובות התקשורת ביניהם בכל יום. כך, תמיד יש אתר שמצביע לכיוון הדרוש, ללא קשר לאופן שבו כדור הארץ מסתובב או מתנודד על צירו. בכל אתר יש מספר אנטנות רדיו בגודל של עד 70 מטר הקולטות שידורים ממשימות חלל ומעבירות את הנתונים לכל מקום בו הם צריכים להגיע על פני כדור הארץ.

שיתוף פעולה בינלאומי בתקשורת

ה-DSN משמש למשימות של נאס"א, אך ישנן רשתות גלובליות אחרות המשמשות סוכנויות חלל שונות כמו סוכנות החלל האירופית (ESA). בצורה יוצאת דופן, כל הרשתות השונות הללו עוקבות אחר אותם סטנדרטים בינלאומיים לתקשורת שלהן, כך שסוכנויות חלל יכולות להשתמש אחת ברשתות של השנייה אם יתעורר הצורך.

"זו קהילה קטנה למדי. יש רק מדינות בודדות שיש להן את היכולת לשלוח חלליות למאדים, כדוגמה", לס דויטש, סגן המנהל של הרשת הבין-פלנטרית, שמנהלת את רשת החלל העמוק, אמר לדיגיטל טרנדים. "זה גדל, אבל זה עדיין מספר קטן. וראוי לכולנו, מכיוון שזו קהילה קטנה של משימות יקרות מאוד, לנסות לעשות זאת ביחד".

זה אומר שבנוסף לסוכנויות ש-NASA עובדת איתן בשיתוף פעולה הדוק, כמו ESA, אפילו סוכנויות שאין לה קשר איתן, כמו סוכנות החלל של סין, עדיין עוקבות אחר אותם סטנדרטים.

"אפילו סין מצטרפת לסט של סטנדרטים בינלאומיים שעזרנו לפתח לאורך השנים, כך שכל משימות החלל העמוק מתקשרות באותו אופן", אמר. "לחללית יש פורמטים דומים של רדיו ולתחנות הקרקע יש סוגים דומים של אנטנות וממשקים. אז אנחנו יכולים לעקוב אחר חלליות אחד של השני באמצעות ההסכמים האלה. כולם בנויים להיות ניתנים להפעלה הדדית".

מדברים עם מאדים

אז ככה אנחנו מקבלים שידורים על כדור הארץ. אבל איך שולחים שידורים ממאדים? כדי לשלוח תקשורת למרחק כה גדול, אתה צריך רדיו חזק. ומשימות כמו רוברים צריכות להיות קטנות וקלות, אז אין מקום לחגור אליהן אנטנה ענקית.

כדי לעקוף בעיה זו, למאדים יש מערכת להעברת תקשורת, הנקראת Mars Relay Network, או MRN. הוא מורכב ממסלולים שונים שמסתובבים כעת סביב כדור הארץ ואשר ניתן להשתמש בהם כדי לאסוף שידורים ממשימות על פני השטח (כמו רוברים, נחתות, או, בסופו של דבר, אנשים) ומעבירים את הנתונים האלה בחזרה ל כדור הארץ. אתה יכול למעשה לראות את המיקום הנוכחי של כל כלי השיט ב-MRN באמצעות הדמיית נאס"א הזו.

רוב המסלולים סביב מאדים עושים עבודה כפולה. בנוסף לפעולות המדע שלהם, הם גם עובדים כממסרים - זה המקרה עם מאדים של נאס"א חללית אטמוספירה ו-Vatile EvolutionN (MAVEN) ו-Mars Reconnaissance Orbiter, ומאדים של ESA אֶקְסְפּרֶס. "רוב המשימות שלנו ששלחנו [למאדים] הן במסלולים בגובה נמוך, כך שהן נמצאות איפשהו בין 300 ל-400 ק"מ מעל פני השטח. ואלה ממש מעולים!" מנהל MRN רוי גלדן אמר ל-Digital Trends. "אלה מקומות נהדרים להיות בהם, כי זה נחמד וקרוב, ואתה יכול להעביר לא מעט נתונים בין נכס נחיתה למסלול בסביבה הזו."

עם זאת, לא כל משימה ניתן להוסיף לרשת הממסר. אם המסלול נמצא בגובה גבוה מאוד, או אם יש לו מסלול אליפטי מאוד שבו לפעמים הוא נמצא קרוב לכוכב הלכת ובפעמים אחרות שהוא רחוק יותר, אולי זה לא מתאים להיות חלק מה MRN. משימת התקווה של איחוד האמירויות הערביות (איחוד האמירויות הערביות), למשל, נמצאת בגובה רב מאוד כך שהיא יכולה לחקור את האטמוספירה העליונה של מאדים. אבל זה אומר שהוא רחוק מדי מהמשטח כדי להיות שימושי כממסר.

מתוכננות משימות עתידיות למאדים, כמו מפת הקרח של מאדים של נאס"א או הסוכנות לחקר החלל היפנית (JAXA) mission, יכלול גם חומרת תקשורת, כך שככל שנשלח לשם יותר משימות, כך הרשת יכולה להיות יותר גדולה בנוי.

חשיבות התזמון

אחד האתגרים של העברת תקשורת ממאדים היא העובדה שכוכב הלכת תמיד מסתובב, ושכל המסלולים של נאס"א וה-ESA נעים סביבו. זו לא בעיה אם הרובר שלך צריך לשלוח תקשורת פעמיים ביום, למשל - הסיכוי גבוה שכמה מסלולים יעברו מעל הראש בשלב מסוים. אבל כאשר אתה צריך לעקוב אחר אירוע ספציפי בזמן מדויק, זה נהיה יותר מסובך.

לדוגמה, נחיתת רובר על פני כדור הארץ היא החלק הקשה ביותר במשימה, ולכן נאס"א תמיד רוצה לראות נחיתה. עבור הנחיתה של רובר Perseverance, המסלולים ב-MRN כוונו את המסלולים שלהם כדי להבטיח שהם יהיו במקום הנכון בזמן הנכון כדי ללכוד את הנחיתה. אבל כדי לחסוך בדלק היקר, הם יכלו לבצע רק התאמות קטנות למסלולים שלהם, ולכן התהליך של הכנסת הכל למקום הנכון החל שנים לפני שהתרחשה הנחיתה.

אחת הדרכים להפוך את התהליך הזה ליעיל יותר היא להשתמש בלווייני ממסר ייעודיים כדי להקליט אירועי מפתח כמו נחיתות. כאשר נחיתת הנחתת InSight על מאדים בשנת 2018, היא לוותה ב שני לוויינים בגודל תיק הנקראים MarCOs, עבור Mars Cube One, שפעל כממסרים. הלוויינים הקטנים האלה עקבו אחר InSight בטיסה על מאדים, ניטרו והעבירו נתונים על הנחיתה, ואז יצאו לחלל. "הצלחנו לכוון אותם למקום שבו רצינו שהם יהיו כדי שיוכלו לבצע את ההקלטה הזו כדי ללכוד את הטלמטריה של האירוע הקריטי הזה", גלדן אמר, "ואז לאחר שהאירוע הסתיים, הם התהפכו והפנו את האנטנות שלהם בחזרה לכדור הארץ ושדרו את זה נתונים."

השימוש ב-MarCOs היה מבחן של יכולת עתידית, שכן מעולם לא נעשה שימוש כזה בלוויינים. אבל המבחן היה מוצלח. "הם עשו בדיוק מה שהם התכוונו לעשות", אמר גלדן. ה-MarCOs היו פריט חד פעמי, מכיוון שלא היה להם מספיק דלק כדי להיכנס למסלול. אבל לוויינים קטנים כאלה הם זולים יחסית וקלים לבנייה, וה-MarCOs הוכיחו שזו דרך קיימא לנטר אירועים ספציפיים בלי צורך לסדר מחדש את כל רשת מאדים.

תקשורת למשימות צוות

עבור משימות צוות, תקשורת סדירה חשובה אפילו יותר. תמיד יהיה עיכוב של עד 20 דקות בתקשורת בין כדור הארץ למאדים בגלל מהירות האור. אין שום דרך לעקוף את זה. עם זאת, אנחנו יכולים לבנות רשת תקשורת כדי שאנשים על מאדים יוכלו לדבר עם כדור הארץ יותר מכמה פעמים ביום, במטרה שתהיה גישה קרובה לתקשורת קבועה ככל הניתן אפשרי.

הקרוב משימת מיפוי הקרח של מאדים "זה סוג של צעד בכיוון הזה," אמר גלדן. "הכוונה שלנו היא לשלוח קבוצת חלליות קטנה שתהיה משתמשי ממסר ייעודיים עם Ice Mapper." זה היה תהיה הפעם הראשונה שקבוצת כוכבים משמשת לתקשורת על מאדים, ויכולה להיות אבן הבניין של ממסר גדול יותר רֶשֶׁת.

פרויקט כזה דורש הרבה כוח כדי לתקשר על פני המרחקים הגדולים בין כוכבי לכת, אבל זה לגמרי אפשרי מבחינה טכנולוגית.

רשת הדור הבא סביב מאדים

כשזה מגיע לחזות את העתיד של צורכי תקשורת חוץ-פלנטריים, "אנחנו מנסים לחשוב קדימה", אמר גלדן. "אנחנו מנסים לשקול מה נצטרך בעתיד. במיוחד בידיעה שבסופו של דבר אנחנו רוצים לשלוח לשם אנשים".

יצירת רשת תקשורת עתידנית של מאדים עשויה להיות כרוכה בהפיכתה לדומה יותר למה שיש לנו על הפלנטה שלנו, על ידי הוספת חלליות נוספות לרשת עם יותר ויותר כוח. "על כדור הארץ, אנו פותרים את בעיית התקשורת שלנו על ידי שליחת המון המון חלליות בגובה נמוך הן מערכות בעלות עוצמה גבוהה עם מערכים סולאריים גדולים, עם מכשירי רדיו מורכבים ביותר שיכולים לבצע היגוי קרן", הוא אמר. "במאדים, אנחנו רוצים את אותו הדבר."

יש מורכבות ליצירת רשת שיכולה להתמודד עם עיכובים ארוכים, ויצירת תקני נתונים שיכולים לשמש את כל כלי הטיס של מאדים, אבל זה אפשרי. באופן תיאורטי ניתן להרחיב רשת תקשורת כזו כדי לעשות יותר מאשר רק לספק תקשורת מכדור הארץ למאדים ובחזרה. זה יכול לשמש כמערכת מיקום כדי לעזור בניווט על פני מאדים או, עם כמה שינויים בחומרה, יכול לספק תקשורת גם על פני מאדים.

אבל חלליות בעלות יכולת כזו הן גדולות וכבדות, מה שמקשה על שיגורן. והם מתמודדים עם בעיה נוספת: בניגוד ללוויינים מסביב לכדור הארץ, המוגנים על ידי המגנטוספירה של הפלנטה שלנו, לוויינים במסלול סביב מאדים יופגזו בקרינה. זה אומר שהם צריכים להיות מוגנים, מה שדורש יותר משקל.

מבחינה טכנולוגית, אפשר לפתור את הבעיות הללו ולהקים רשת סביב מאדים דומה לזו שיש לנו סביב כדור הארץ. עם זאת, "איך להגיע לשם הוא אתגר גדול", אמר גלדן, "כי מישהו צריך לשלם על זה".

הכנת תקשורת לעתיד

הקמת רשת תקשורת מאדים היא חצי אחד מהפאזל לתקשורת עתידית. החצי השני מכין את הטכנולוגיה שיש לנו כאן על כדור הארץ.

נכון לעכשיו, ה-DSN הוא לבנות עוד אנטנות כך שהוא יכול לעמוד בקצב ההולך וגדל של משימות חלל עמוקות המשוגרות. הוא גם משתמש בשיפורים בתוכנה כדי להפוך יותר מתהליכי הרשת לאוטומטיים, כך שמספר מצומצם של צוות יכול לפקח על יותר משימות כל אחת.

אבל יש בעיה נוספת של רוחב פס מוגבל. לחללית יש כעת מכשירים מורכבים יותר שמתעדים חבילות ענק של נתונים ומשדרים את כולם הנתונים האלה בחיבור איטי הם מגבילים - כמו כל מי שאי פעם נתקע עם אינטרנט איטי יודע.

"מכל חללית מסוימת בעתיד, אנחנו רוצים להיות מסוגלים להחזיר נתונים נוספים", אמר דויטש, סגן מנהל ה-DSN. "זה בגלל שככל שהחללית מתקדמת בזמן, הם נושאים יותר ויותר מכשירים בעלי יכולת, ורוצים להחזיר עוד ועוד ביטים לשנייה. אז יש לנו את האתגר הזה לעמוד בקצב של העקומה הדומה לחוק של מור".

הפתרון לבעיה זו הוא שידור בתדרים גבוהים. "אם אתה מגדיל את התדר שבו אתה מתקשר, זה מצמצם את האלומה המשודרת מהחללית ויותר ממנה מגיע לאן שאתה רוצה", הסביר. בעוד שהמשימות המוקדמות השתמשו בתדר 2.5 גיגה-הרץ, חלליות עברו לאחרונה לסביבות 8.5 גיגה-הרץ, והמשימות האחרונות מאוד משתמשות בתדר 32 גיגה-הרץ.

תדרים גבוהים יותר יכולים להציע שיפור של בסביבות פקטור של ארבע במונחים של ביטים לשנייה, אבל אפילו זה לא יספיק בטווח הארוך. אז הצעד הגדול הבא בתקשורת בחלל הוא שימוש בתקשורת אופטית, הידועה גם בשם תקשורת לייזר. זה מביא הרבה מאותם יתרונות של מעבר לתדר גבוה יותר, אבל תקשורת אופטית יכולה להציע שיפור של פקטור של 10 ביחס לתקשורת הרדיו המתקדמת של היום.

והחדשות הטובות הן שה-DSN לא יזדקק לחומרה חדשה לגמרי כדי לעבור לתקשורת אופטית. ניתן לשדרג את האנטנות הנוכחיות כך שיעבדו עם הטכנולוגיה החדשה, והאנטנות החדשות שנבנו מתוכננות לעבוד על פסי תדר מרובים ולהיות מסוגלות לקלוט שידורים אופטיים.

יש כמה מגבלות לתקשורת אופטית, כמו עננים מעל הראש שיכולים לחסום אותות. אבל גם אם אפשר זאת, השימוש בתקשורת אופטית יגדיל באופן ניכר את היכולת הכוללת של הרשת. ופתרון ארוך טווח לבעיה זו עשוי לכלול הצבת מקלטים במסלול סביב כדור הארץ, היכן שהם יהיו מעל העננים.

לאן אנחנו הולכים מכאן?

הבעיות של תקשורת עם כוכב אחר הן עמוקות וקשות לפתרון. "הפיזיקה היא בלתי ניתנת לשינוי," אמר גלדן. "זה רחוק, אז אתה מאבד את עוצמת האות. זו בעיה שעלינו להתגבר עליה כשאנחנו חושבים לנסות לבנות רשת לאנשים".

אבל אנחנו בפתחו של עידן חדש בתקשורת בחלל. בעשור הבא, נלמד יותר על שידור וקבלה של נתונים ממשימת ארטמיס הקרובה לירח, ומפת הקרח של מאדים וחלל הממסר הייעודית שלו.

"זה הולך להיות מגושם," מזהיר גלדן. "אנחנו רק מנסים להבין את זה." הוא מצביע על דיונים בינלאומיים על השימוש בתקנים, ועל היחסים המשתנים בין סוכנויות חלל ממשלתיות לחברות פרטיות. החלטות שיתקבלו כעת יקבעו כיצד יתקדם חקר החלל בעשורים הבאים.

"זה הולך להיות מפחיד ומרתק לראות מה קורה", אמר. "מצד אחד, יש כל כך הרבה אי ודאות לגבי מה שקורה. אבל מצד שני, זה חומר הייטק. אנחנו לומדים ועושים דברים בפעם הראשונה סביב כוכב אחר. זה מעולם לא נעשה בעבר. זה מדהים."

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים, סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

המלצות עורכים

• נסיעה קוסמולוגית: הלוגיסטיקה המסובכת של העלאת אנשים על מאדים
• אסטרופסיכולוגיה: איך להישאר שפוי על מאדים
• תחנות כוח בכוכבי לכת אחרים: איך ניצור חשמל על מאדים
• הידרציה לקציר: כיצד מתיישבים עתידיים ייצרו ויאספו מים על מאדים
• אסטרו חקלאות: איך נצמיח יבולים על מאדים