화성의 최초 인류가 지구와 소통하는 방법

다른 주에 있는 친척을 방문할 때 휴대폰 수신이 어렵다고 생각한다면 상상해 보세요. 최소 4천만 마일 떨어져 있고 지속적으로 이동하는 사람들과 통신하려고 합니다. 너. 인간을 화성에 보낼 계획이라면 이것이 바로 우리가 처리해야 할 문제입니다. 이때 통신은 단지 중요할 뿐만 아니라 매우 중요할 것입니다.

화성과 그 너머를 포괄하는 통신 네트워크를 만드는 방법과 현재 시스템이 다음 과제를 해결하기 위해 어떻게 업그레이드되고 있는지 알아보세요. 점점 더 많은 양의 데이터가 발생함에 따라 우리는 NASA의 현재 통신 시스템을 담당하는 두 명의 전문가(지구 측과 화성에서 각각 한 명)와 이야기를 나눴습니다. 옆.

이 기사는 다음의 일부입니다. 화성에 생명체인류가 화성을 점령할 수 있게 해 줄 최첨단 과학과 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

딥 스페이스 네트워크(Deep Space Network)를 통해 태양계에 접근

화성의 Perseverance 탐사선이나 앞으로 향하고 있는 Voyager 임무와 같은 현재 임무와 통신하기 위해 NASA는 성간 우주로 나가기 위해 Deep Space Network라고 불리는 지구 전체에 안테나 네트워크를 구축했습니다. DSN.

DSN은 캘리포니아, 스페인, 호주에 3개의 사이트를 두고 있으며 매일 서로 통신 업무를 인계합니다. 그렇게 하면 지구가 축을 중심으로 회전하거나 흔들리는 방식에 관계없이 항상 필요한 방향을 가리키는 사이트가 있습니다. 각 현장에는 우주 임무에서 전송되는 신호를 수신하고 데이터를 지구상 어디로든 전달하는 최대 70미터 크기의 무선 안테나가 많이 있습니다.

커뮤니케이션 분야의 국제 협력

DSN은 NASA 임무에 사용되지만 유럽 우주국(ESA)과 같은 다양한 우주 기관에서 사용하는 다른 글로벌 네트워크도 있습니다. 매우 미래 지향적인 방식으로 이러한 모든 다양한 네트워크는 통신에 대해 동일한 국제 표준을 따르므로 우주 기관은 필요할 경우 서로의 네트워크를 사용할 수 있습니다.

“아주 작은 공동체예요. 예를 들어, 화성에 우주선을 보낼 수 있는 능력을 갖춘 국가는 소수에 불과합니다.” Deep Space Network를 운영하는 Interplanetary Network의 부국장 Deutsch는 Digital과의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다. 동향. “늘어나고 있지만 여전히 적은 숫자입니다. 그리고 매우 값비싼 임무를 수행하는 작은 공동체이기 때문에 이 일을 함께 시도하는 것은 우리 모두의 의무입니다.”

이는 ESA와 같이 NASA와 긴밀히 협력하는 기관 외에도 중국 우주국과 같이 관계가 없는 기관도 여전히 동일한 표준을 따른다는 것을 의미합니다.

그는 "심지어 중국도 우리가 수년에 걸쳐 개발하는 데 도움을 준 일련의 국제 표준을 준수하고 있어 모든 심우주 임무가 동일한 방식으로 통신할 수 있다"고 말했습니다. “우주선은 비슷한 무선 형식을 가지고 있으며 지상국은 비슷한 종류의 안테나와 인터페이스를 가지고 있습니다. 따라서 우리는 이러한 계약을 통해 서로의 우주선을 추적할 수 있습니다. 모두 상호 운용이 가능하도록 만들어졌습니다.”

화성과 대화하기

이것이 바로 우리가 지구상에서 전송을 받는 방법입니다. 그런데 화성에서는 어떻게 전송을 보내나요? 이렇게 먼 거리까지 통신을 보내려면 강력한 무선 장치가 필요합니다. 그리고 로버와 같은 임무는 작고 가벼워야 하므로 거대한 안테나를 달 수 있는 공간이 없습니다.

이 문제를 피하기 위해 Mars에는 MRN(Mars Relay Network)이라는 통신 중계 시스템이 있습니다. 현재 행성 주위를 여행하고 있으며 픽업하는 데 사용할 수 있는 다양한 궤도선으로 구성됩니다. 지상 임무(로버, 착륙선, 최종적으로는 사람 등)에서 전송된 정보를 전송하고 이 데이터를 다시 지구. 실제로 다음을 사용하여 MRN에 있는 모든 항공기의 현재 위치를 볼 수 있습니다. 이번 NASA 시뮬레이션.

화성 주변의 대부분의 궤도선은 이중 임무를 수행합니다. 과학 작업 외에도 릴레이 역할도 합니다. NASA의 화성이 바로 그 예입니다. MAVEN(Atmospheric and Volatile EvolutioN) 우주선과 화성 정찰 궤도선, ESA의 화성 표현하다. “우리가 [화성에] 보낸 임무의 대부분은 저고도 궤도에 있으므로 표면 위 300~400km 사이에 있습니다. 정말 훌륭해요!” MRN 관리자 Roy Gladden은 Digital Trends에 말했습니다. "그곳은 아주 좋은 곳입니다. 가깝고 가깝고, 착륙 자산과 해당 환경의 궤도선 사이에 상당한 양의 데이터를 전송할 수 있기 때문입니다."

하지만 모든 임무를 중계 네트워크에 추가할 수 있는 것은 아닙니다. 궤도선이 매우 높은 고도에 있거나 때때로 궤도가 매우 타원형인 경우 행성에 가깝고 때로는 더 멀리 떨어져 있는 경우에는 행성의 일부가 되기에 적합하지 않을 수 있습니다. MRN. 예를 들어 아랍에미리트(UAE)의 Hope 임무는 고도가 매우 높아 화성의 상층 대기를 연구할 수 있습니다. 하지만 이는 릴레이로 유용하기에는 표면에서 너무 멀리 떨어져 있음을 의미합니다.

NASA의 Mars Ice Mapper 또는 일본 항공우주탐사국(JAXA)의 화성 탐사 계획 임무에는 통신 하드웨어도 포함되므로 더 많은 임무를 보낼수록 네트워크가 더 커질 수 있습니다. 지어졌습니다.

타이밍의 중요성

화성에서 통신을 중계할 때의 과제 중 하나는 행성이 항상 회전하고 있으며 NASA와 ESA의 모든 궤도선이 주위를 돌고 있다는 사실입니다. 예를 들어 탐사선이 하루에 두 번 통신을 보내야 하는 경우에는 문제가 되지 않습니다. 어느 시점에서는 여러 개의 궤도선이 머리 위로 지나갈 가능성이 높습니다. 그러나 정확한 시간에 특정 이벤트를 추적해야 하는 경우에는 더욱 까다로워집니다.

예를 들어, 행성 표면에 탐사선을 착륙시키는 것은 임무에서 가장 어려운 부분이므로 NASA는 항상 착륙을 주시하고 싶어합니다. Perseverance 탐사선의 착륙을 위해 MRN의 궤도선은 착륙을 포착하기 위해 적시에 적절한 위치에 있도록 궤도를 조정했습니다. 그러나 귀중한 연료를 절약하기 위해 궤도를 약간만 조정할 수 있었기 때문에 모든 것을 올바른 위치에 배치하는 과정은 착륙이 일어나기 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 서류가방 크기의 위성 2개, 릴레이 역할을 한 Mars Cube One의 경우. 이 작은 위성은 InSight를 따라 화성을 비행하며 착륙에 대한 데이터를 모니터링하고 중계한 후 우주로 향했습니다. "우리는 중요한 이벤트 원격 측정을 캡처하기 위해 녹음을 수행할 수 있도록 원하는 위치로 대상을 지정할 수 있었습니다." Gladden은 “그리고 행사가 끝난 후 그들은 뒤집어서 안테나를 지구로 향하게 해서 그 내용을 전송했습니다. 데이터."

MarCO의 사용은 이전에 위성이 이와 같이 사용된 적이 없었기 때문에 미래 기능에 대한 테스트였습니다. 그러나 테스트는 성공했습니다. Gladden은 "그들은 의도한 대로 정확하게 수행했습니다."라고 말했습니다. MarCO는 궤도에 진입하기 위한 연료가 충분하지 않았기 때문에 일회용 품목이었습니다. 그러나 이러한 소형 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 의사소통이 더욱 중요합니다. 지구와 화성 사이의 통신은 빛의 속도로 인해 항상 최대 20분의 지연이 발생합니다. 그 주위에는 전혀 방법이 없습니다. 하지만 화성에 있는 사람들이 지구와 대화할 수 있도록 통신 네트워크를 구축할 수는 있습니다. 하루에 몇 번 이상, 가능한 한 지속적으로 소통할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 가능한.

다가오는 화성 아이스 매퍼 임무 Gladden은 "그 방향으로 나아가는 일종의 단계"라고 말했습니다. "우리의 의도는 Ice Mapper를 사용하여 전담 중계 사용자가 될 소규모 우주선 집합을 보내는 것입니다." 이것은 화성 통신에 별자리가 사용된 최초의 사례이며 더 큰 릴레이의 구성 요소가 될 수 있습니다. 회로망.

이러한 프로젝트는 행성 간의 장거리 통신을 위해 많은 전력이 필요하지만 기술적으로는 전적으로 가능합니다.

화성 주변의 차세대 네트워크

외계 통신 요구의 미래를 구상할 때 Gladden은 "우리는 미래 지향적으로 생각하려고 노력하고 있습니다"라고 말했습니다. “우리는 미래에 무엇이 필요할지 고려하려고 노력하고 있습니다. 특히 우리는 결국 사람들을 그곳으로 보내고 싶어한다는 것을 알고 있습니다.”

미래형 화성 통신 네트워크를 만들려면 점점 더 많은 전력을 갖춘 더 많은 우주선을 네트워크에 추가하여 지구에 있는 것과 더 유사하게 만드는 것이 포함될 수 있습니다. “지구에서는 수많은 저고도 우주선을 보내 통신 문제를 해결합니다. 빔 조정이 가능한 매우 복잡한 무선 장치와 대형 태양열 어레이를 갖춘 고출력 시스템입니다.”라고 그는 말했습니다. 말했다. "화성에서도 우리는 같은 것을 원합니다."

긴 지연을 처리할 수 있는 네트워크를 만들고 모든 화성 우주선에서 사용할 수 있는 데이터 표준을 만드는 데는 복잡성이 있지만 가능합니다. 이러한 통신 네트워크는 이론적으로 지구에서 화성까지의 통신을 제공하는 것 이상의 기능을 수행하도록 확장될 수 있습니다. 화성 탐색을 돕기 위한 포지셔닝 시스템으로 사용될 수도 있고, 하드웨어를 일부 수정하면 화성 전역에서도 통신을 제공할 수 있습니다.

그러나 그러한 능력을 갖춘 우주선은 크고 무거워서 발사하기가 어렵습니다. 그리고 그들은 또 다른 문제에 직면해 있습니다. 우리 행성의 자기권에 의해 보호되는 지구 주변 위성과 달리 화성 주변 궤도에 있는 위성은 방사선 포격을 받게 됩니다. 즉, 보호해야 하므로 더 많은 무게가 필요합니다.

기술적으로 이러한 문제를 해결하고 우리가 지구 주변에 있는 것과 비슷한 네트워크를 화성 주변에 설정하는 것이 가능합니다. 그러나 "어떻게 거기까지 가는가는 큰 도전이다"라고 Gladden은 말했다. "누군가는 비용을 지불해야 하기 때문입니다."

미래를 위한 커뮤니케이션 준비

화성 통신 네트워크를 설정하는 것은 미래 통신을 위한 퍼즐의 절반입니다. 나머지 절반은 우리가 여기 지구상에 가지고 있는 기술을 준비하는 것입니다.

현재 DSN은 안테나를 더 건설하다 그래서 점점 더 많은 수의 심우주 임무가 시작되는 것을 따라잡을 수 있습니다. 또한 향상된 소프트웨어를 사용하여 더 많은 네트워크 프로세스를 자동화하므로 제한된 수의 직원이 더 많은 임무를 감독할 수 있습니다.

하지만 제한된 대역폭에는 또 다른 문제가 있습니다. 우주선은 이제 엄청난 양의 데이터를 기록하고 모든 데이터를 전송하는 더 복잡한 장비를 보유하고 있습니다. 느린 연결을 통한 이 데이터는 제한적입니다. 느린 인터넷에 갇힌 적이 있는 사람은 누구나 마찬가지입니다. 알고 있다.

DSN 부국장인 Deutsch는 “미래의 특정 우주선에서 더 많은 데이터를 가져올 수 있기를 원합니다.”라고 말했습니다. “시간이 지남에 따라 우주선이 발전함에 따라 점점 더 많은 기능을 갖춘 장비를 운반하고 초당 더 많은 비트를 가져오고 싶어하기 때문입니다. 그래서 우리는 무어의 법칙과 같은 곡선을 따라가야 하는 과제를 안고 있습니다.”

이 문제에 대한 해결책은 고주파수로 전송하는 것입니다. “통신 빈도를 높이면 우주선에서 전송되는 빔이 좁아지고 더 많은 빔이 원하는 곳으로 전달됩니다.”라고 그는 설명했습니다. 초기 임무에서는 2.5GHz를 사용했지만 우주선은 최근 약 8.5GHz로 이동했으며 최신 임무에서는 32GHz를 사용하고 있습니다.

주파수가 높을수록 초당 비트 수 측면에서 약 4배의 향상을 제공할 수 있지만 장기적으로는 그것만으로는 충분하지 않습니다. 따라서 우주 통신의 다음 큰 단계는 다음과 같은 광통신을 사용하는 것입니다. 레이저 통신. 이는 더 높은 주파수로 이동하는 것과 동일한 많은 이점을 제공하지만 광통신은 오늘날의 최첨단 무선 통신에 비해 10배 향상된 기능을 제공할 수 있습니다.

그리고 좋은 소식은 DSN이 광통신으로 전환하는 데 완전히 새로운 하드웨어가 필요하지 않다는 것입니다. 현재 안테나는 새로운 기술로 작동하도록 업그레이드될 수 있으며, 새로 제작된 안테나는 여러 주파수 대역에서 작동하고 광 전송을 수신할 수 있도록 설계되었습니다.

신호를 차단할 수 있는 클라우드 오버헤드와 같은 광통신에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 그러나 이를 허용하더라도 광통신을 사용하면 네트워크의 전체 성능이 상당히 향상됩니다. 그리고 이 문제에 대한 장기적인 해결책은 수신기를 지구 주위 궤도에 배치하여 구름 위에 위치시키는 것을 포함할 수 있습니다.

우리는 여기서 어디로 가는가?

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

그러나 우리는 우주 통신의 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 향후 10년 동안 우리는 다가오는 Artemis 임무에서 달까지의 데이터 전송 및 수신, Mars Ice Mapper 및 전용 중계 우주선에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

Gladden은 “서투른 일이 될 것입니다.”라고 경고합니다. "우리는 단지 이것을 알아내려고 노력하고 있을 뿐입니다." 그는 표준 사용에 대한 국제적 논쟁과 정부 우주 기관과 민간 기업 간의 관계 변화를 지적합니다. 지금 내려진 결정에 따라 향후 수십 년 동안 우주 탐사가 어떻게 진행될 것인지가 결정될 것입니다.

그는 “무슨 일이 일어나는지 지켜보는 것은 두렵기도 하고 흥미로울 것”이라고 말했다. “한편으로는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 불확실성이 너무 많습니다. 그러나 다른 한편으로는 이것은 첨단 기술입니다. 우리는 다른 행성에서 처음으로 배우고 일을 하고 있습니다. 이전에는 그런 일이 없었습니다. 그 놀라운."

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