Hoe de eerste mensen op Mars met de aarde zullen communiceren

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

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

Dit artikel maakt deel uit van Leven op Mars, een tiendelige serie die de baanbrekende wetenschap en technologie onderzoekt die mensen in staat zullen stellen Mars te bezetten

Bereik het zonnestelsel met het Deep Space Network

Om te communiceren met huidige missies zoals de Perseverance-rover op Mars of de Voyager-missies die eraan komen in de interstellaire ruimte heeft NASA een netwerk van antennes gebouwd over de hele planeet, genaamd het Deep Space Network, of DSN.

De DSN heeft drie locaties in Californië, Spanje en Australië, die dagelijks de communicatietaken onderling overdragen. Op die manier is er altijd een plek die in de richting wijst die nodig is, ongeacht hoe de aarde draait of wiebelt om haar as. Op elke locatie staan ​​een aantal radioantennes met een grootte tot wel 70 meter die signalen van ruimtemissies opvangen en de gegevens doorgeven aan de plek op aarde waar deze naartoe moeten.

Internationale samenwerking op het gebied van communicatie

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

“Het is een vrij kleine gemeenschap. Er zijn maar een paar landen die de mogelijkheid hebben om ruimtevaartuigen naar Mars te sturen, bijvoorbeeld”, zegt Les Deutsch, 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 dit samen te proberen.”

Dat betekent dat naast agentschappen waarmee NASA nauw samenwerkt, zoals ESA, zelfs agentschappen waarmee het geen relatie heeft, zoals de Chinese ruimtevaartorganisatie, 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. “De ruimtevaartuigen hebben vergelijkbare radioformaten en de grondstations hebben vergelijkbare soorten antennes en interfaces. We kunnen elkaars ruimtevaartuigen dus volgen via deze overeenkomsten. Ze zijn allemaal gebouwd om interoperabel te zijn.”

Praten met Mars

Dus dat is hoe we transmissies op aarde ontvangen. 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 genoemd. Het bestaat uit verschillende orbiters die momenteel rond de planeet reizen en die kunnen worden gebruikt om op te pikken transmissies van missies aan de oppervlakte (zoals rovers, landers of uiteindelijk mensen) en sturen deze gegevens terug naar Aarde. U kunt feitelijk de huidige positie van alle vaartuigen in de MRN zien met behulp van deze NASA-simulatie.

De meeste orbiters rond Mars doen dubbel werk. Naast hun wetenschappelijke activiteiten 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, vinden plaats in banen op lage hoogte, dus 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 uitwisselen 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 dichtbij de planeet en andere keren is het verder weg, het is 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 deze de bovenste atmosfeer van Mars kan bestuderen. Maar dat betekent dat het te ver van het oppervlak verwijderd is om als relais bruikbaar te zijn.

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

Het belang van timing

Een van de uitdagingen bij 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 boven uw hoofd vliegen. Maar als je 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 lieten de orbiters in de MRN hun banen aanpassen 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 plek te krijgen begon jaren voordat de landing plaatsvond.

Eén 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, werd hij vergezeld door twee satellieten ter grootte van een koffer, MarCO's genaamd, voor Mars Cube One, die als relais fungeerde. Deze kleine satellieten volgden InSight tijdens een vlucht langs Mars, monitorden en stuurden gegevens over de landing door en gingen vervolgens de ruimte in. “We konden ze richten op de plek waar we ze wilden hebben, zodat ze die opname konden maken om de telemetrie van kritieke gebeurtenissen vast te leggen,” Gladden zei: “en nadat de gebeurtenis 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 gebruiksartikel, 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 monitoren 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. Er is absoluut geen manier om dat te omzeilen. 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 een zo goed mogelijke constante communicatie beschikbaar te hebben mogelijk.

De komende Mars Ice Mapper-missie “Het is een soort 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 Het zou de eerste keer zijn dat een sterrenbeeld wordt gebruikt voor Mars-communicatie, en zou de bouwsteen kunnen zijn van een groter relais netwerk.

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

Een netwerk van de volgende generatie rond Mars

Als het gaat om het visualiseren van de toekomst van buitenplanetaire communicatiebehoeften, “proberen we vooruit te denken”, zei Gladden. “We proberen na te denken over wat we in de toekomst nodig hebben. Zeker wetende dat we daar uiteindelijk mensen naar toe willen sturen.”

Het creëren van een futuristisch Mars-communicatienetwerk kan inhouden dat het meer gaat lijken op wat we op onze planeet hebben, door meer ruimtevaartuigen met steeds meer kracht aan het netwerk toe te voegen. “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 straalsturing kunnen uitvoeren”, zegt hij gezegd. “Bij Mars willen we hetzelfde.”

Er zijn complexiteiten bij het creëren van een netwerk dat lange vertragingen aankan, en het creëren van datastandaarden die door alle Mars-vaartuigen kunnen worden gebruikt, maar het is mogelijk. Een dergelijk communicatienetwerk zou theoretisch kunnen worden uitgebreid om meer te doen dan alleen communicatie van de aarde naar Mars en terug te verzorgen. Het zou kunnen worden gebruikt als positioneringssysteem om te helpen bij de navigatie over Mars, of zou, met enkele aanpassingen aan de hardware, ook voor communicatie over Mars kunnen zorgen.

Maar dergelijke capabele ruimtevaartuigen zijn groot en zwaar, waardoor ze moeilijk te lanceren zijn. En ze worden geconfronteerd met 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 afgeschermd moeten worden, wat meer gewicht vergt.

Technologisch gezien is het mogelijk 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. Maar “hoe dat te bereiken is een grote uitdaging”, 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 dat de DSN meer antennes bouwen zodat het gelijke tred kan houden met het steeds toenemende aantal ruimtemissies dat wordt gelanceerd. Het maakt ook gebruik van verbeteringen in de software om meer netwerkprocessen te automatiseren, zodat een beperkt aantal medewerkers elk meer missies kan overzien.

Maar er is nog een probleem: de beperkte bandbreedte. Ruimtevaartuigen hebben nu complexere instrumenten die enorme hoeveelheden gegevens registreren en deze allemaal verzenden deze gegevens via een trage verbinding zijn beperkend – net als iedereen die ooit met traag internet is opgezadeld weet.

“Van elk specifiek ruimtevaartuig in de toekomst willen we meer gegevens kunnen terughalen”, zegt Deutsch, adjunct-directeur van DSN. “Dat komt omdat naarmate ruimtevaartuigen in de tijd vooruitgaan, ze steeds capabelere instrumenten bij zich hebben en steeds meer bits per seconde terug willen brengen. We hebben dus de uitdaging om de wet-achtige curve van Moore bij te houden.”

De oplossing voor dit probleem is het zenden op hoge frequenties. “Als je de frequentie waarmee je communiceert verhoogt, wordt de straal die door het ruimtevaartuig wordt uitgezonden smaller en komt er meer op de plek waar je wilt”, legde hij uit. Terwijl vroege missies 2,5 GHz gebruikten, zijn ruimtevaartuigen recentelijk opgeschoven naar ongeveer 8,5 GHz, en de allernieuwste missies gebruiken 32 GHz.

Hogere frequenties kunnen een verbetering van ongeveer een factor vier opleveren in termen van bits per seconde, maar zelfs dat zal op de lange termijn niet genoeg zijn. De volgende grote stap in ruimtecommunicatie is dus het gebruik van optische communicatie, ook wel bekend als lasercommunicatie. 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. De 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 we dat in ogenschouw nemen, zal het gebruik van optische communicatie de algehele capaciteit van het netwerk aanzienlijk vergroten. En een langetermijnoplossing voor dit probleem zou kunnen bestaan ​​uit het plaatsen van ontvangers in een baan rond de aarde, waar ze zich boven de wolken zouden bevinden.

Hoe gaan we verder?

De problemen bij het communiceren met een andere planeet zijn diepgaand en moeilijk op te lossen. ‘De 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 een netwerk voor mensen op te bouwen.”

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

“Het wordt onhandig”, waarschuwt Gladden. “We proberen dit alleen maar uit te zoeken.” Hij wijst op internationale debatten over het gebruik van standaarden en de veranderende relatie tussen overheidsruimtevaartorganisaties en particuliere bedrijven. De beslissingen die nu worden genomen, zullen bepalen hoe de ruimteverkenning de komende decennia zal verlopen.

“Het zal zowel angstaanjagend als fascinerend zijn 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 maakt deel uit van Leven op Mars, een tiendelige serie die de baanbrekende wetenschap en technologie onderzoekt die mensen in staat zullen stellen Mars te bezetten

Aanbevelingen van de redactie

• Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek van het plaatsen van mensen op Mars
• Astropsychologie: hoe je gezond kunt blijven op Mars
• Energiecentrales op andere planeten: hoe we elektriciteit op Mars zullen opwekken
• Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
• Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars zullen verbouwen