Hoe de eerste mensen op Mars met de aarde zullen communiceren

Als je denkt dat het lastig is om mobiele ontvangst te krijgen wanneer je je familie in een andere staat bezoekt, stel je dan eens voor proberen te communiceren met mensen die minstens 40 miljoen mijl verwijderd zijn en constant in beweging zijn ten opzichte van Jij. Dat is waar we mee te maken krijgen als we van plan zijn mensen naar Mars te sturen, wanneer communicatie niet alleen belangrijk is, maar ook van vitaal belang.

Om erachter te komen hoe je een communicatienetwerk kunt creëren dat Mars en daarbuiten dekt, en hoe huidige systemen worden geüpgraded om de uitdaging van Vanwege de steeds grotere hoeveelheden gegevens spraken we met twee experts die werken aan het huidige communicatiesysteem van NASA: een aan de aardzijde en een aan de Marszijde kant.

Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars, een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie onderzoekt waarmee mensen Mars kunnen bezetten

Reiken naar het zonnestelsel met het Deep Space Network

Om te kunnen communiceren met lopende missies zoals de Perseverance rover op Mars of de Voyager missies die onderweg zijn de interstellaire ruimte in, heeft NASA een netwerk van antennes gebouwd over de hele planeet, het Deep Space Network, of DSN.

De DSN heeft drie vestigingen in Californië, Spanje en Australië, die elke dag de communicatietaken onderling overdragen. Op die manier is er altijd een site die in de richting wijst die nodig is, ongeacht hoe de aarde draait of wiebelt om zijn as. Op elke locatie zijn er een aantal radioantennes tot 70 meter groot die uitzendingen van ruimtemissies oppikken en de gegevens doorgeven aan waar ze ook heen moeten op aarde.

Internationale samenwerking op het gebied van communicatie

De DSN wordt gebruikt voor NASA-missies, maar er zijn andere wereldwijde netwerken die worden gebruikt door verschillende ruimteagentschappen, zoals de European Space Agency (ESA). Op een opmerkelijk vooruitstrevende manier volgen al deze verschillende netwerken dezelfde internationale standaarden voor hun communicatie, zodat ruimteagentschappen elkaars netwerken kunnen gebruiken als dat nodig is.

“Het is een vrij kleine gemeenschap. Er zijn bijvoorbeeld maar een paar landen die ruimtevaartuigen naar Mars kunnen sturen”, zegt Les Deutsch, de adjunct-directeur van het Interplanetary Network, dat het Deep Space Network beheert, vertelde Digital Trends. “Het groeit, maar het is nog steeds een klein aantal. En het betaamt ons allemaal, aangezien het een kleine gemeenschap van zeer dure missies is, om te proberen dit samen te doen.

Dat betekent dat naast agentschappen waarmee NASA nauw samenwerkt, zoals ESA, zelfs agentschappen waarmee het geen relatie heeft, zoals het Chinese ruimteagentschap, nog steeds dezelfde normen volgen.

"Zelfs China onderschrijft een reeks internationale normen die we in de loop der jaren hebben helpen ontwikkelen, zodat alle ruimtemissies op dezelfde manier communiceren", zei hij. "Het ruimtevaartuig heeft vergelijkbare radioformaten en de grondstations hebben vergelijkbare soorten antennes en interfaces. Dus we kunnen elkaars ruimtevaartuigen volgen via deze overeenkomsten. Ze zijn allemaal gebouwd om interoperabel te zijn.”

Praten met Mars

Dus zo ontvangen we uitzendingen op aarde. Maar hoe verstuur je transmissies vanaf Mars? Om communicatie over zo'n grote afstand te verzenden, heb je een krachtige radio nodig. En missies zoals rovers moeten klein en licht zijn, dus er is geen ruimte om er een enorme antenne aan vast te maken.

Om dit probleem te omzeilen, heeft Mars een systeem voor het doorgeven van communicatie, het Mars Relay Network of MRN. Het bestaat uit verschillende orbiters die momenteel rond de planeet reizen en die kunnen worden opgepikt uitzendingen van missies aan de oppervlakte (zoals rovers, landers of uiteindelijk mensen) en deze gegevens terugsturen naar Aarde. U kunt de huidige positie van alle vaartuigen in het MRN zien met behulp van deze NASA-simulatie.

De meeste orbiters rond Mars doen dubbel werk. Naast hun wetenschappelijke operaties werken ze ook als relais - dat is het geval met NASA's Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) ruimtevaartuig en Mars Reconnaissance Orbiter, en ESA's Mars Nadrukkelijk. "De meeste van onze missies die we [naar Mars] hebben gestuurd, bevinden zich in banen op lage hoogte, dus ze bevinden zich ergens tussen de 300 en 400 kilometer boven het oppervlak. En die zijn echt geweldig!” MRN-manager Roy Gladden vertelde Digital Trends. "Dat zijn geweldige plekken om te zijn, want het is lekker dichtbij, en je kunt in die omgeving behoorlijk wat gegevens verzenden tussen een landingsmiddel en een orbiter."

Niet elke missie kan echter aan het relaisnetwerk worden toegevoegd. Als een orbiter zich op zeer grote hoogte bevindt, of als hij een zeer elliptische baan heeft waar hij soms is dicht bij de planeet en andere keren is het verder weg, is het misschien niet geschikt om deel uit te maken van de MRN. De Hope-missie van de Verenigde Arabische Emiraten (VAE) bevindt zich bijvoorbeeld op zeer grote hoogte, zodat ze de bovenste atmosfeer van Mars kan bestuderen. Maar dat betekent dat het te ver van het oppervlak verwijderd is om bruikbaar te zijn als relais.

Toekomstige missies naar Mars, zoals NASA's Mars Ice Mapper of de Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) gepland missie, zal ook communicatiehardware omvatten, dus hoe meer missies we daarheen sturen, hoe uitgebreider het netwerk kan zijn uitgebouwd.

Het belang van timing

Een van de uitdagingen van het doorgeven van communicatie vanaf Mars is het feit dat de planeet altijd draait en dat alle NASA- en ESA-orbiters eromheen bewegen. Dat is geen probleem als uw rover bijvoorbeeld twee keer per dag communicatie moet verzenden - de kans is groot dat er op een gegeven moment meerdere orbiters overvliegen. Maar wanneer u een specifieke gebeurtenis op een exact tijdstip moet volgen, wordt het lastiger.

Het landen van een rover op het aardoppervlak is bijvoorbeeld het moeilijkste deel van een missie, dus NASA wil altijd een landing in de gaten houden. Voor de landing van de Perseverance-rover hadden de orbiters in de MRN hun banen aangepast om ervoor te zorgen dat ze op het juiste moment op de juiste plaats zouden zijn om de landing vast te leggen. Maar om kostbare brandstof te besparen, konden ze slechts kleine aanpassingen aan hun trajecten maken, dus het proces om alles op de juiste plaats te krijgen begon jaren voordat de landing plaatsvond.

Een manier om dit proces efficiënter te maken, is door speciale relaissatellieten te gebruiken om belangrijke gebeurtenissen zoals landingen vast te leggen. Toen de InSight-lander in 2018 op Mars landde, ging hij vergezeld van twee satellieten ter grootte van een koffer, MarCO's genaamd, voor Mars Cube One, die fungeerde als relais. Deze kleine satellieten volgden InSight tijdens een flyby van Mars, controleerden en gaven gegevens over de landing door en gingen vervolgens de ruimte in. "We waren in staat om ze te richten op waar we ze wilden hebben, zodat ze die opname konden maken om die kritieke gebeurtenistelemetrie vast te leggen," Gladden zei: 'en toen het evenement voorbij was, draaiden ze zich om en richtten hun antennes terug naar de aarde en zonden dat uit gegevens."

Het gebruik van de MarCO's was een test voor toekomstige mogelijkheden, aangezien satellieten nog nooit eerder op deze manier waren gebruikt. Maar de proef was een succes. "Ze deden precies waarvoor ze bedoeld waren", zei Gladden. De MarCO's waren een eenmalig item, omdat ze niet genoeg brandstof hadden om in een baan om de aarde te komen. Maar zulke kleine satellieten zijn relatief goedkoop en gemakkelijk te bouwen, en de MarCO's hebben aangetoond dat dit een haalbare manier is om specifieke gebeurtenissen te volgen zonder het hele Mars-netwerk te hoeven herschikken.

Communicatie voor bemande missies

Voor bemande missies is regelmatige communicatie zelfs nog belangrijker. Er zal altijd een vertraging van maximaal 20 minuten zijn in de communicatie tussen de aarde en Mars vanwege de snelheid van het licht. Daar is absoluut geen ontkomen aan. We kunnen echter een communicatienetwerk uitbouwen zodat mensen op Mars met de aarde kunnen praten meer dan een paar keer per dag, met als doel om zo dicht mogelijk bij constante communicatie beschikbaar te zijn mogelijk.

De komende Mars Ice Mapper-missie "is een soort van stap in die richting," zei Gladden. "Het is onze bedoeling om een ​​kleine constellatie van ruimtevaartuigen te sturen die toegewijde relay-gebruikers zullen zijn met Ice Mapper." Dit zou de eerste keer zijn dat een sterrenbeeld wordt gebruikt voor Mars-communicatie, en het zou de bouwsteen kunnen zijn van een groter relais netwerk.

Zo'n project vereist veel kracht om te communiceren over de grote afstanden tussen planeten, maar het is volledig technologisch haalbaar.

Een netwerk van de volgende generatie rond Mars

Als het gaat om het visualiseren van de toekomst van extraplanetaire communicatiebehoeften, "proberen we vooruitstrevend te zijn", zei Gladden. “We proberen te bedenken wat we in de toekomst nodig hebben. Zeker wetende dat we daar uiteindelijk mensen naartoe willen sturen.”

Het creëren van een futuristisch Mars-communicatienetwerk kan inhouden dat het meer lijkt op wat we op onze planeet hebben, door meer ruimtevaartuigen aan het netwerk toe te voegen met steeds meer kracht. “Op aarde lossen we ons communicatieprobleem op door heel veel ruimtevaartuigen op lage hoogte naar boven te sturen zijn krachtige systemen met grote zonnepanelen, met zeer complexe radio's die bundelsturing kunnen doen, "hij gezegd. "Bij Mars willen we hetzelfde."

Het creëren van een netwerk dat lange vertragingen aankan, en het creëren van gegevensstandaarden die door alle Mars-vaartuigen kunnen worden gebruikt, brengt moeilijkheden met zich mee, maar het is mogelijk. Zo'n communicatienetwerk zou theoretisch kunnen worden uitgebreid om meer te doen dan alleen communicatie van de aarde naar Mars en terug te bieden. Het zou kunnen worden gebruikt als een positioneringssysteem om te helpen bij navigatie over Mars of, met enkele aanpassingen aan de hardware, ook communicatie over Mars kunnen bieden.

Maar zulke capabele ruimtevaartuigen zijn groot en zwaar, waardoor ze moeilijk te lanceren zijn. En ze hebben nog een ander probleem: in tegenstelling tot satellieten rond de aarde, die worden beschermd door de magnetosfeer van onze planeet, zouden satellieten in een baan rond Mars worden gebombardeerd met straling. Dat betekent dat ze moeten worden afgeschermd, wat meer gewicht vereist.

Technologisch is het mogelijk om deze problemen op te lossen en een netwerk rond Mars op te zetten dat vergelijkbaar is met het netwerk dat we rond de aarde hebben. "Het is echter een grote uitdaging om daar te komen", zei Gladden, "omdat iemand ervoor moet betalen."

Communicatie voorbereiden op de toekomst

Het opzetten van een Mars-communicatienetwerk is de helft van de puzzel voor toekomstige communicatie. De andere helft bereidt de technologie voor die we hier op aarde hebben.

Momenteel is de DSN meer antennes bouwen zodat het het steeds toenemende aantal deep space-missies dat wordt gelanceerd, kan bijhouden. Het maakt ook gebruik van softwareverbeteringen om meer netwerkprocessen te automatiseren, zodat een beperkt aantal medewerkers elk meer missies kan overzien.

Maar er is nog een probleem van beperkte bandbreedte. Ruimtevaartuigen hebben nu complexere instrumenten die enorme hoeveelheden gegevens registreren en alles verzenden deze gegevens via een trage verbinding zijn beperkend - zoals iedereen die ooit vastzit aan traag internet weet.

"Van een bepaald ruimtevaartuig in de toekomst willen we meer gegevens kunnen terughalen", zei Deutsch, de adjunct-directeur van DSN. "Dat komt omdat naarmate ruimtevaartuigen in de tijd vorderen, ze steeds meer capabele instrumenten bij zich hebben en steeds meer bits per seconde willen terugbrengen. Dus we hebben die uitdaging om die wetachtige curve van Moore bij te houden.

De oplossing voor dit probleem is uitzenden op hoge frequenties. "Als je de frequentie verhoogt waarmee je communiceert, vernauwt het de straal die door het ruimtevaartuig wordt uitgezonden en komt er meer van waar je wilt", legde hij uit. Terwijl vroege missies 2,5 GHz gebruikten, zijn ruimtevaartuigen onlangs verhuisd naar ongeveer 8,5 GHz en de allernieuwste missies gebruiken 32 GHz.

Hogere frequenties kunnen een verbetering opleveren van ongeveer een factor vier in termen van bits per seconde, maar zelfs dat zal op de lange termijn niet genoeg zijn. Dus de volgende grote stap in ruimtecommunicatie is het gebruik van optische communicatie, ook wel bekend als laser communicatie. Dit brengt veel van dezelfde voordelen met zich mee als naar een hogere frequentie gaan, maar optische communicatie kan een verbetering van een factor 10 bieden ten opzichte van de huidige ultramoderne radiocommunicatie.

En het goede nieuws is dat de DSN geen geheel nieuwe hardware nodig heeft om over te stappen op optische communicatie. Huidige antennes kunnen worden geüpgraded om met de nieuwe technologie te werken, en nieuw gebouwde antennes zijn ontworpen om op meerdere frequentiebanden te werken en optische transmissies te kunnen ontvangen.

Er zijn enkele beperkingen aan optische communicatie, zoals wolken boven je hoofd die signalen kunnen blokkeren. Maar zelfs als dat wordt meegerekend, zal het gebruik van optische communicatie de algehele capaciteit van het netwerk aanzienlijk vergroten. En een langetermijnoplossing voor dit probleem zou kunnen zijn om ontvangers in een baan rond de aarde te plaatsen, waar ze zich boven de wolken zouden bevinden.

Hoe gaan we verder?

De problemen van communicatie met een andere planeet zijn diep en moeilijk op te lossen. "Natuurkunde is onveranderlijk," zei Gladden. “Het is ver weg, dus je verliest signaalsterkte. Dat is een probleem dat we moeten overwinnen als we erover nadenken om een ​​netwerk voor mensen op te bouwen.”

Maar we staan ​​op de drempel van een nieuw tijdperk in ruimtecommunicatie. In het komende decennium zullen we meer leren over het verzenden en ontvangen van gegevens van de aanstaande Artemis-missie naar de maan, en de Mars Ice Mapper en zijn speciale relaisruimtevaartuig.

"Het wordt onhandig", waarschuwt Gladden. "We proberen dit gewoon uit te zoeken." Hij wijst op internationale debatten over het gebruik van standaarden en de veranderende relatie tussen ruimtevaartorganisaties van de overheid en particuliere bedrijven. Beslissingen die nu worden genomen, zullen bepalen hoe ruimteverkenning de komende decennia zal verlopen.

"Het wordt zowel angstaanjagend als fascinerend om te zien wat er gebeurt", zei hij. “Aan de ene kant is er zoveel onzekerheid over wat er aan de hand is. Maar aan de andere kant is dit hightech spul. We leren en doen voor het eerst dingen op een andere planeet. Dat is nog nooit eerder gedaan. Dat is geweldig."

Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars, een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie onderzoekt waarmee mensen Mars kunnen bezetten

Aanbevelingen van de redactie

• Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek om mensen op Mars te zetten
• Astropsychologie: hoe gezond te blijven op Mars
• Energiecentrales op andere planeten: hoe we elektriciteit opwekken op Mars
• Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
• Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars gaan verbouwen