화성의 첫 인간이 지구와 소통하는 방법

다른 주에 있는 친지들을 방문했을 때 세포 수신을 받는 것이 고통스럽다고 생각한다면 상상해보세요. 적어도 4000만 마일 떨어져 있고 끊임없이 이동하는 사람들과 의사 소통을 시도합니다. 너. 통신이 중요할 뿐만 아니라 필수적일 때 인간을 화성에 보낼 계획이라면 우리가 처리해야 할 것입니다.

화성과 그 너머를 포괄하는 통신 네트워크를 만드는 방법과 현재 시스템을 업그레이드하여 계속해서 증가하는 데이터의 양에 따라 우리는 NASA의 현재 통신 시스템에서 일하는 두 명의 전문가(한 명은 지구 측과 다른 한 명은 화성 측)와 이야기를 나눴습니다. 옆.

이 글은 화성에 생명체, 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

Deep Space Network로 태양계에 도달

화성의 Perseverance rover 또는 앞으로 향하고 있는 Voyager 임무와 같은 현재 임무와 통신하기 위해 NASA는 행성 전체에 Deep Space Network라고 하는 안테나 네트워크를 구축했습니다. DSN.

DSN은 캘리포니아, 스페인 및 호주에 3개의 사이트를 두고 있으며 매일 서로 간의 통신 의무를 인계합니다. 그렇게 하면 지구가 자전하거나 축에서 흔들리는 방식에 관계없이 항상 필요한 방향을 가리키는 사이트가 있습니다. 각 사이트에는 최대 70미터 크기의 무선 안테나가 여러 개 있어 우주 임무에서 전송된 신호를 수신하고 데이터를 지구 어디에서나 전달해야 합니다.

통신의 국제 협력

DSN은 NASA 임무에 사용되지만 유럽 우주국(ESA)과 같은 다른 우주 기관에서 사용하는 다른 글로벌 네트워크가 있습니다. 놀랍도록 미래 지향적인 방식으로 이러한 모든 네트워크는 통신에 대해 동일한 국제 표준을 따르므로 우주 기관은 필요에 따라 서로의 네트워크를 사용할 수 있습니다.

“상당히 작은 커뮤니티입니다. 예를 들어 우주선을 화성에 보낼 수 있는 능력을 가진 국가는 소수에 불과합니다.” Deep Space Network를 운영하는 Interplanetary Network의 Deutsch 부국장은 Digital에 말했습니다. 트렌드. “증가하고 있지만 여전히 적은 수입니다. 그리고 매우 값비싼 임무를 수행하는 소규모 커뮤니티인 우리 모두가 함께 이 일을 시도해야 합니다.”

즉, ESA와 같이 NASA와 밀접하게 협력하는 기관 외에도 중국의 우주국과 같이 관계가 없는 기관도 여전히 동일한 표준을 따릅니다.

"심지어 중국도 우리가 수년에 걸쳐 개발하는 데 도움을 준 일련의 국제 표준을 준수하므로 모든 심우주 임무가 동일한 방식으로 통신합니다."라고 그는 말했습니다. “우주선은 비슷한 무선 형식을 가지고 있고 지상국은 비슷한 종류의 안테나와 인터페이스를 가지고 있습니다. 그래서 우리는 이러한 합의를 통해 서로의 우주선을 추적할 수 있습니다. 모두 상호 운용이 가능하도록 제작되었습니다.”

화성과 대화

그것이 우리가 지구에서 전송을 받는 방법입니다. 하지만 화성에서 어떻게 전송을 보내나요? 그렇게 먼 거리에 통신을 보내려면 강력한 라디오가 필요합니다. 그리고 로버와 같은 임무는 작고 가벼워야 하므로 거대한 안테나를 묶을 공간이 없습니다.

이 문제를 피하기 위해 Mars는 Mars Relay Network 또는 MRN이라는 통신 중계 시스템을 갖추고 있습니다. 그것은 현재 행성 주위를 여행하고 픽업하는 데 사용할 수 있는 다양한 궤도선으로 구성됩니다. 로버, 착륙선 또는 궁극적으로 사람과 같은 지상 임무에서 전송하고 이 데이터를 다시 지구. 다음을 사용하여 MRN에서 모든 항공기의 현재 위치를 실제로 볼 수 있습니다. 이 NASA 시뮬레이션.

화성 주변의 대부분의 궤도선은 이중 임무를 수행합니다. 과학 작업 외에도 릴레이 역할도 합니다. NASA의 화성도 마찬가지입니다. 대기 및 휘발성 진화(MAVEN) 우주선과 화성 정찰 궤도선, ESA의 화성 표현하다. “우리가 [화성에] 보낸 대부분의 임무는 저고도 궤도에 있으므로 표면에서 300~400km 사이에 있습니다. 그리고 그것들은 정말 훌륭합니다!” MRN 매니저 Roy Gladden은 Digital Trends에 말했습니다. "그곳은 멋지고 가깝고 그 환경에서 착륙 자산과 궤도선 간에 상당한 양의 데이터를 전송할 수 있기 때문에 좋은 장소입니다."

그러나 모든 임무를 중계 네트워크에 추가할 수 있는 것은 아닙니다. 궤도선이 매우 높은 고도에 있거나 매우 타원형 궤도를 가지고 있는 경우 행성에 가깝고 다른 때에는 멀리 떨어져 있기 때문에 행성의 일부가 되기에는 적합하지 않을 수 있습니다. MRN. 예를 들어 아랍에미리트(UAE)의 호프 미션은 고도가 매우 높아 화성의 상층 대기를 연구할 수 있습니다. 그러나 그것은 릴레이로 유용하기에는 표면에서 너무 멀리 떨어져 있다는 것을 의미합니다.

NASA의 Mars Ice Mapper 또는 Japan Aerospace Exploration Agency(JAXA)의 계획과 같은 화성에 대한 향후 임무 계획 미션에는 통신 하드웨어도 포함될 것이므로 더 많은 미션을 보낼수록 네트워크가 더 많아질 수 있습니다. 내장.

타이밍의 중요성

화성에서 통신 중계의 어려움 중 하나는 행성이 항상 회전하고 있고 모든 NASA와 ESA의 궤도선이 화성 주변을 이동하고 있다는 사실입니다. 예를 들어 로버가 하루에 두 번 통신을 보내야 하는 경우 문제가 되지 않습니다. 여러 궤도선이 어느 시점에서 오버헤드를 통과할 가능성이 높습니다. 그러나 정확한 시간에 특정 이벤트를 추적해야 하는 경우에는 더 까다로워집니다.

예를 들어, 행성 표면에 로버를 착륙시키는 것은 임무에서 가장 어려운 부분이므로 NASA는 항상 착륙을 주시하고 싶어합니다. Perseverance 로버의 착륙을 위해 MRN의 궤도선은 궤도를 조정하여 착륙을 캡처하기 위해 적시에 적절한 위치에 있도록 했습니다. 그러나 귀중한 연료를 절약하기 위해 궤도를 약간만 조정할 수 있었기 때문에 모든 것을 올바른 위치에 배치하는 과정은 착륙이 발생하기 몇 년 전에 시작되었습니다.

이 프로세스를 보다 효율적으로 만드는 한 가지 방법은 전용 중계 위성을 사용하여 착륙과 같은 주요 이벤트를 기록하는 것입니다. 2018년 인사이트 착륙선이 화성에 착륙했을 때 MarCO라고 불리는 두 개의 서류가방 크기의 위성, 릴레이 역할을 한 Mars Cube One의 경우. 이 작은 위성은 InSight를 따라 화성 저공 비행을 하고 착륙에 대한 데이터를 모니터링하고 전달한 다음 우주로 향했습니다. "우리는 그들이 중요한 이벤트 텔레메트리를 캡처하기 위해 녹화를 할 수 있도록 그들이 있기를 원하는 곳을 목표로 삼을 수 있었습니다." Gladden은 “그리고 이벤트가 끝난 후 그들은 몸을 돌려 안테나를 다시 지구로 향하게 하고 전송했습니다. 데이터."

MarCO의 사용은 이전에 이와 같이 위성이 사용된 적이 없었기 때문에 미래 기능에 대한 테스트였습니다. 그러나 테스트는 성공적이었습니다. Gladden은 "그들은 의도한 바를 정확히 수행했습니다."라고 말했습니다. MarCO는 궤도에 진입할 연료가 충분하지 않았기 때문에 일회용 품목이었습니다. 그러나 그러한 작은 위성은 상대적으로 저렴하고 구축하기 쉬우며 MarCO는 이것이 전체 화성 네트워크를 재정렬하지 않고도 특정 이벤트를 모니터링할 수 있는 실행 가능한 방법임을 입증했습니다.

승무원 임무를 위한 통신

승무원 임무의 경우 정기적인 통신이 훨씬 더 중요합니다. 빛의 속도 때문에 지구와 화성 사이의 통신에는 항상 최대 20분의 지연이 있습니다. 그 주위에는 절대 방법이 없습니다. 그러나 우리는 화성에 있는 사람들이 지구와 대화할 수 있도록 통신 네트워크를 구축할 수 있습니다. 하루에 몇 번 이상 지속적으로 의사 소통을 할 수 있도록 가능한.

다가오는 화성 얼음 매퍼 임무 Gladden은 "그 방향으로 나아가는 단계입니다."라고 말했습니다. "우리의 의도는 Ice Mapper와 함께 헌신적인 릴레이 사용자가 될 작은 우주선 무리를 보내는 것입니다." 이것은 별자리가 화성 통신에 처음으로 사용되었으며 더 큰 릴레이의 구성 요소가 될 수 있습니다. 회로망.

이러한 프로젝트는 행성 간의 먼 거리에서 통신하는 데 많은 전력이 필요하지만 기술적으로 완전히 실현 가능합니다.

화성 주변의 차세대 네트워크

행성 외 통신 요구의 미래를 구상할 때 "우리는 미래 지향적이 되려고 노력하고 있습니다"라고 Gladden은 말했습니다. “우리는 미래에 필요한 것이 무엇인지 고려하려고 노력하고 있습니다. 특히 우리는 결국 사람들을 그곳으로 보내고 싶다는 것을 알고 있습니다.”

미래형 화성 통신 네트워크를 구축하려면 점점 더 강력해지는 네트워크에 더 많은 우주선을 추가하여 지구상에 있는 것과 더 유사하게 만드는 것이 포함될 수 있습니다. "지구에서 우리는 수많은 저고도 우주선을 보내 통신 문제를 해결합니다. 빔 스티어링을 할 수 있는 매우 복잡한 무선 장치가 있는 대형 태양 전지판을 갖춘 고성능 시스템입니다.”라고 그는 말했습니다. 말했다. "화성에서 우리는 같은 것을 원합니다."

긴 지연을 처리할 수 있는 네트워크를 만들고 모든 화성 우주선에서 사용할 수 있는 데이터 표준을 만드는 데에는 복잡성이 있지만 가능합니다. 이러한 통신 네트워크는 이론적으로 지구에서 화성까지 통신을 제공하는 것 이상으로 확장될 수 있습니다. 화성을 가로질러 탐색하는 데 도움이 되는 위치 확인 시스템으로 사용하거나 하드웨어를 약간 수정하면 화성 전체에서 통신을 제공할 수도 있습니다.

그러나 그러한 유능한 우주선은 크고 무거워서 발사하기가 어렵습니다. 그리고 그들은 또 다른 문제에 직면합니다. 지구의 자기권에 의해 보호되는 지구 주변의 위성과 달리 화성 주변의 궤도에 있는 위성은 방사선에 노출될 것입니다. 즉, 차폐가 필요하므로 더 많은 무게가 필요합니다.

기술적으로는 이러한 문제를 해결하고 지구 주변에 있는 것과 비슷한 화성 주변에 네트워크를 구축하는 것이 가능합니다. 그러나 "누군가는 비용을 지불해야 하기 때문에 어떻게 가는 것이 큰 도전"이라고 Gladden은 말했습니다.

미래를 위한 커뮤니케이션 준비

화성 통신 네트워크 설정은 미래 통신을 위한 퍼즐의 절반입니다. 나머지 절반은 우리가 여기 지구에서 가지고 있는 기술을 준비하고 있습니다.

현재 DSN은 더 많은 안테나 만들기 따라서 계속해서 증가하는 심우주 미션의 수를 따라잡을 수 있습니다. 또한 향상된 소프트웨어를 사용하여 더 많은 네트워크 프로세스를 자동화하므로 제한된 수의 직원이 각각 더 많은 임무를 감독할 수 있습니다.

그러나 제한된 대역폭의 또 다른 문제가 있습니다. 우주선은 이제 엄청난 양의 데이터를 기록하고 모든 데이터를 전송하는 더 복잡한 장비를 가지고 있습니다. 느린 연결을 통한 이 데이터는 제한적입니다. 느린 인터넷에 갇힌 사람이라면 누구든지 알고있다.

DSN 부국장 Deutsch는 "미래의 특정 우주선에서 더 많은 데이터를 가져올 수 있기를 원합니다."라고 말했습니다. “그 이유는 우주선이 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 기능을 탑재하고 있으며 점점 더 많은 초당 비트를 가져오기를 원하기 때문입니다. 그래서 우리는 무어의 법칙과 같은 곡선을 따라가야 하는 과제를 안고 있습니다.”

이 문제에 대한 해결책은 고주파로 전송하는 것입니다. "통신 빈도를 높이면 우주선에서 전송되는 빔이 좁아지고 원하는 곳에 더 많이 도달합니다."라고 그는 설명했습니다. 초기 임무는 2.5GHz를 사용했지만 최근 우주선은 약 8.5GHz로 이동했으며 최신 임무는 32GHz를 사용하고 있습니다.

더 높은 주파수는 초당 비트 수 측면에서 약 4배의 향상을 제공할 수 있지만 장기적으로는 그것으로도 충분하지 않습니다. 따라서 우주 통신의 다음 큰 단계는 광 통신을 사용하는 것입니다. 레이저 통신. 이것은 더 높은 주파수로 가는 것과 동일한 많은 이점을 제공하지만 광 통신은 오늘날의 최첨단 무선 통신에 비해 10배의 개선을 제공할 수 있습니다.

좋은 소식은 DSN이 광통신으로 전환하기 위해 완전히 새로운 하드웨어가 필요하지 않다는 것입니다. 현재 안테나는 신기술과 함께 작동하도록 업그레이드할 수 있으며, 새로 구축된 안테나는 다중 주파수 대역에서 작동하고 광 전송을 수신할 수 있도록 설계되었습니다.

신호를 차단할 수 있는 구름 오버헤드와 같은 광 통신에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 그러나 이를 허용하더라도 광통신을 사용하면 네트워크의 전반적인 기능이 상당히 향상됩니다. 그리고 이 문제에 대한 장기적인 해결책은 수신기를 구름 위에 있는 지구 주위의 궤도에 배치하는 것과 관련될 수 있습니다.

여기서 어디로 가야 합니까?

다른 행성과 통신하는 문제는 깊고 해결하기 어렵습니다. "물리학은 불변입니다."라고 Gladden은 말했습니다. “멀리 떨어져 있어서 신호 강도가 떨어집니다. 사람들을 위한 네트워크를 구축하려고 할 때 극복해야 할 문제입니다.”

그러나 우리는 우주 통신의 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 향후 10년 동안 우리는 다가오는 Artemis 미션에서 달, Mars Ice Mapper 및 전용 릴레이 우주선에서 데이터를 송수신하는 방법에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

Gladden은 "서투르게 될 것입니다. "라고 경고합니다. "우리는 이것을 알아 내려고 노력하고 있습니다." 그는 표준 사용에 대한 국제적 논쟁과 정부 우주 기관과 민간 기업 간의 변화하는 관계를 지적합니다. 지금 내린 결정은 향후 수십 년 동안 우주 탐사가 어떻게 진행될 것인지를 결정할 것입니다.

"무슨 일이 일어나는지 보는 것은 두렵고 매혹적일 것"이라고 그는 말했다. “한편으로는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 너무 많은 불확실성이 있습니다. 그러나 다른 한편으로 이것은 첨단 기술입니다. 우리는 다른 행성에서 처음으로 배우고 일을 하고 있습니다. 그것은 전에 한 번도 해본 적이 없습니다. 그 놀라운."

이 글은 화성에 생명체, 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

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