Hvordan de første menneskene på Mars vil kommunisere med jorden

Hvis du synes det er vondt å få cellemottak når du besøker slektningene dine i en annen stat, bare tenk prøver å kommunisere med folk som er minst 40 millioner miles unna og stadig beveger seg i forhold til du. Det er det vi må forholde oss til hvis vi planlegger å sende mennesker til Mars, når kommunikasjon ikke bare vil være viktig – de vil være avgjørende.

For å finne ut hvordan du oppretter et kommunikasjonsnettverk som dekker Mars og utover, og hvordan dagens systemer oppgraderes for å møte utfordringen med stadig økende datamengder snakket vi med to eksperter som jobber med NASAs nåværende kommunikasjonssystem – en på jordsiden og en på Mars side.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars, en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Nå ut i solsystemet med Deep Space Network

For å kommunisere med nåværende oppdrag som Perseverance-roveren på Mars eller Voyager-oppdragene som er på vei ut i det interstellare rommet, har NASA et nettverk av antenner bygget rundt hele planeten kalt Deep Space Network, eller DSN.

DSN har tre nettsteder i California, Spania og Australia, som overlater kommunikasjonsoppgaver mellom hverandre hver dag. På den måten er det alltid et sted som peker i retningen som trengs, uavhengig av hvordan jorden roterer eller slingrer rundt sin akse. På hvert sted er det en rekke radioantenner på opptil 70 meter som fanger opp sendinger fra romfart og videresender dataene dit de skal på jorden.

Internasjonalt samarbeid innen kommunikasjon

DSN brukes til NASA-oppdrag, men det finnes andre globale nettverk som brukes av forskjellige romorganisasjoner som European Space Agency (ESA). På en bemerkelsesverdig fremtidsrettet måte følger alle disse forskjellige nettverkene de samme internasjonale standardene for kommunikasjon, slik at romfartsorganisasjoner kan bruke hverandres nettverk hvis behovet oppstår.

– Det er et ganske lite samfunn. Det er bare noen få nasjoner som har evnen til å sende romfartøyer til Mars, for eksempel," Les Deutsch, visedirektøren for Interplanetary Network, som driver Deep Space Network, fortalte Digital Trender. "Det vokser, men det er fortsatt et lite antall. Og det tilkommer oss alle, siden det er et lite samfunn med svært kostbare oppdrag, å prøve å gjøre dette sammen.»

Det betyr at i tillegg til byråer som NASA jobber tett med, som ESA, følger selv byråer som den ikke har et forhold til, som Kinas romfartsorganisasjon, de samme standardene.

"Selv Kina abonnerer på et sett med internasjonale standarder som vi har bidratt til å utvikle gjennom årene, slik at alle romfartsoppdrag kommuniserer på samme måte," sa han. "Romfartøyet har lignende radioformater og bakkestasjonene har lignende typer antenner og grensesnitt. Så vi kan spore hverandres romfartøy gjennom disse avtalene. De er alle bygget for å være interoperable.»

Snakker med Mars

Så det er hvordan vi mottar overføringer på jorden. Men hvordan sender du sendinger fra Mars? For å sende kommunikasjon over så stor avstand trenger du en kraftig radio. Og oppdrag som rovere må være små og lette, så det er ikke plass til å feste en stor antenne til dem.

For å omgå dette problemet har Mars et system for videresending av kommunikasjon, kalt Mars Relay Network, eller MRN. Den består av forskjellige orbitere som for tiden reiser rundt på planeten og som kan brukes til å plukke opp overføringer fra oppdrag på overflaten (som rovere, landere, eller til slutt mennesker) og videresende disse dataene tilbake til Jord. Du kan faktisk se den nåværende posisjonen til alle fartøyene i MRN ved hjelp av denne NASA-simuleringen.

Flertallet av bane rundt Mars gjør dobbelt plikt. I tillegg til vitenskapelige operasjoner fungerer de også som reléer – det er tilfellet med NASAs Mars Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) romfartøy og Mars Reconnaissance Orbiter, og ESAs Mars Uttrykke. "De fleste av oppdragene våre som vi har sendt [til Mars] er i lav høyde, så de er et sted mellom 300 og 400 kilometer over overflaten. Og de er virkelig flotte!» Det sier MRN-sjef Roy Gladden til Digital Trends. "Dette er flotte steder å være, fordi det er hyggelig og nært, og du kan overføre ganske mye data mellom et landingsmiddel og en orbiter i det miljøet."

Ikke alle oppdrag kan legges til relénettverket. Hvis en bane befinner seg i veldig stor høyde, eller hvis den har en veldig elliptisk bane der den noen ganger er nær planeten og andre ganger er den lenger unna, er det kanskje ikke egnet å være en del av MRN. De forente arabiske emiraters (UAE) Hope-oppdrag, for eksempel, er i veldig stor høyde, slik at det kan studere Mars' øvre atmosfære. Men det betyr at det er for langt unna overflaten til å være nyttig som stafett.

Fremtidige oppdrag til Mars, som NASAs Mars Ice Mapper eller Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) planlagt oppdrag, vil inkludere kommunikasjonsmaskinvare også, så jo flere oppdrag vi sender dit, jo mer kan nettverket være bygget ut.

Viktigheten av timing

En av utfordringene med å formidle kommunikasjon fra Mars er det faktum at planeten alltid roterer, og at alle NASA og ESAs orbitere beveger seg rundt den. Det er ikke et problem hvis roveren din trenger å sende kommunikasjon to ganger om dagen, for eksempel - sjansen er stor for at flere orbitere vil passere over hodet på et tidspunkt. Men når du trenger å spore en bestemt hendelse på et nøyaktig tidspunkt, blir det vanskeligere.

For eksempel er det å lande en rover på planetens overflate den vanskeligste delen av et oppdrag, så NASA vil alltid ha øyne på en landing. For landingen av Perseverance-roveren fikk orbiterne i MRN sine baner tilpasset for å sikre at de var på rett sted til rett tid for å fange landingen. Men for å spare på dyrebart drivstoff kunne de bare gjøre små justeringer av banene sine, så prosessen med å få alt på rett plass begynte år før landingen skjedde.

En måte å gjøre denne prosessen mer effektiv på er å bruke dedikerte relésatellitter for å registrere viktige hendelser som landinger. Da InSight-landeren landet på Mars i 2018, ble den ledsaget av to satellitter i koffertstørrelse kalt MarCOs, for Mars Cube One, som fungerte som reléer. Disse små satellittene fulgte InSight på en forbiflyvning av Mars, overvåket og videreformidlet data om landingen, og dro deretter ut i verdensrommet. "Vi var i stand til å målrette dem dit vi ønsket at de skulle være, slik at de kunne gjøre det opptaket for å fange opp den kritiske hendelsestelemetrien," Gladden sa, "og så etter at hendelsen var over, snudde de seg og pekte antennene sine tilbake til jorden og sendte det data."

Bruken av MarCO-ene var en test av en fremtidig evne, ettersom satellitter aldri hadde blitt brukt på denne måten før. Men testen var en suksess. "De gjorde akkurat det de var ment å gjøre," sa Gladden. MarCO-ene var en engangsgjenstand, siden de ikke hadde nok drivstoff til å gå inn i bane. Men slike små satellitter er relativt billige og enkle å bygge, og MarCO-ene demonstrerte at dette er en levedyktig måte å overvåke spesifikke hendelser uten å måtte omorganisere hele Mars-nettverket.

Kommunikasjon for mannskapsoppdrag

For mannskapsoppdrag er regelmessig kommunikasjon enda viktigere. Det vil alltid være en forsinkelse på opptil 20 minutter i kommunikasjonen mellom Jorden og Mars på grunn av lysets hastighet. Det er absolutt ingen vei utenom det. Imidlertid kan vi bygge ut et kommunikasjonsnettverk slik at folk på Mars kan snakke med jorden mer enn noen få ganger om dagen, med mål om å ha så nær konstant kommunikasjon tilgjengelig som mulig.

Den kommende Mars Ice Mapper-oppdrag "er på en måte et skritt i den retningen," sa Gladden. "Vår intensjon er å sende en liten konstellasjon av romfartøy som vil være dedikerte relébrukere med Ice Mapper." Dette ville være første gang en konstellasjon har blitt brukt til Mars-kommunikasjon, og kan være byggesteinen til et større relé Nettverk.

Et slikt prosjekt krever mye kraft for å kommunisere over store avstander mellom planeter, men det er helt teknologisk gjennomførbart.

Et neste generasjons nettverk rundt Mars

Når det gjelder å se for seg fremtiden til ekstraplanetære kommunikasjonsbehov, "prøver vi å være fremtidsrettet," sa Gladden. "Vi prøver å vurdere hva vi trenger i fremtiden. Spesielt å vite at vi til slutt ønsker å sende folk dit.»

Å lage et futuristisk Mars-kommunikasjonsnettverk kan innebære å gjøre det mer likt det vi har på planeten vår, ved å legge til flere romfartøyer til nettverket med stadig mer kraft. "På jorden løser vi kommunikasjonsproblemet vårt ved å sende opp massevis av romfartøyer i lav høyde er kraftige systemer med store solcellepaneler, med svært komplekse radioer som kan utføre strålestyring,» sa. "På Mars ønsker vi det samme."

Det er kompleksitet ved å lage et nettverk som kan håndtere lange forsinkelser, og å lage datastandarder som kan brukes av alle Mars-fartøyer, men det er mulig. Et slikt kommunikasjonsnettverk kan teoretisk utvides til å gjøre mer enn bare å tilby kommunikasjon fra Jorden til Mars og tilbake. Det kan brukes som et posisjoneringssystem for å hjelpe med navigering på tvers av Mars, eller, med noen modifikasjoner av maskinvaren, kan det også gi kommunikasjon over Mars.

Men slike dyktige romfartøyer er store og tunge, noe som gjør dem vanskelige å skyte opp. Og de står overfor et annet problem: I motsetning til satellitter rundt jorden, som er beskyttet av planetens magnetosfære, ville satellitter i bane rundt Mars bli bombardert med stråling. Det betyr at de må skjermes, noe som krever mer vekt.

Teknologisk er det mulig å løse disse problemene og sette opp et nettverk rundt Mars som kan sammenlignes med det vi har rundt jorden. Men "hvordan man kommer dit er en stor utfordring," sa Gladden, "fordi noen må betale for det."

Forberede kommunikasjon for fremtiden

Å sette opp et Mars-kommunikasjonsnettverk er halvparten av puslespillet for fremtidig kommunikasjon. Den andre halvparten forbereder teknologien vi har her på jorden.

For øyeblikket er DSN bygge flere antenner slik at den kan holde tritt med det stadig økende antallet romfartsoppdrag som lanseres. Den bruker også forbedringer i programvare for å automatisere flere av nettverksprosessene, slik at et begrenset antall ansatte kan overvåke flere oppdrag hver.

Men det er et annet problem med begrenset båndbredde. Romfartøyer har nå mer komplekse instrumenter som registrerer enorme mengder data, og som overfører alt disse dataene over en treg tilkobling er begrensende - som alle som noen gang har vært fast med tregt internett vet.

"Fra et bestemt romfartøy i fremtiden ønsker vi å kunne bringe tilbake mer data," sa Deutsch, DSN-nestlederen. "Det er fordi etter hvert som romfartøyer skrider frem i tid, bærer de stadig flere instrumenter som er dyktige, og ønsker å bringe tilbake flere og flere biter per sekund. Så vi har den utfordringen å holde tritt med den Moores lovlignende kurve.»

Løsningen på dette problemet er å sende ved høye frekvenser. "Hvis du øker frekvensen du kommuniserer med, begrenser det strålen som sendes fra romfartøyet og mer av den kommer dit du vil," forklarte han. Mens tidlige oppdrag brukte 2,5 GHz, har romfartøy nylig flyttet til rundt 8,5 GHz, og de aller siste oppdragene bruker 32 GHz.

Høyere frekvenser kan gi en forbedring på rundt en faktor fire når det gjelder bits per sekund, men selv det vil ikke være nok på lang sikt. Så det neste store steget i romkommunikasjon er å bruke optisk kommunikasjon, også kjent som laserkommunikasjon. Dette gir mange av de samme fordelene ved å gå til en høyere frekvens, men optisk kommunikasjon kan tilby en forbedring på en faktor på 10 i forhold til dagens toppmoderne radiokommunikasjon.

Og den gode nyheten er at DSN ikke trenger helt ny maskinvare for å gå over til optisk kommunikasjon. Nåværende antenner kan oppgraderes for å fungere med den nye teknologien, og nybygde antenner er designet for å fungere på flere frekvensbånd og være i stand til å motta optiske overføringer.

Det er noen begrensninger for optisk kommunikasjon, som skyer over hodet som kan blokkere signaler. Men selv om det er mulig, vil bruken av optisk kommunikasjon øke nettverkets samlede kapasitet betraktelig. Og en langsiktig løsning på dette problemet kan innebære å sette mottakere i bane rundt jorden, der de vil være over skyene.

Hvor går vi herfra?

Problemene med å kommunisere med en annen planet er dype og vanskelige å løse. "Fysikk er uforanderlig," sa Gladden. «Det er langt unna, så du mister signalstyrken. Det er et problem vi må overvinne når vi tenker på å prøve å bygge et nettverk for folk.»

Men vi står på terskelen til en ny æra innen romkommunikasjon. I det neste tiåret vil vi lære mer om overføring og mottak av data fra det kommende Artemis-oppdraget til månen, og Mars Ice Mapper og dets dedikerte relé-romfartøy.

"Det kommer til å bli klønete," advarer Gladden. "Vi prøver bare å finne ut av dette." Han peker på internasjonale debatter om bruk av standarder, og det skiftende forholdet mellom statlige romfartsorganisasjoner og private selskaper. Avgjørelser tatt nå vil avgjøre hvordan romutforskningen vil utvikle seg i løpet av de neste tiårene.

"Det kommer til å bli både skremmende og fascinerende å se hva som skjer," sa han. "På den ene siden er det så mye usikkerhet om hva som skjer. Men på den andre siden er dette høyteknologiske greier. Vi lærer og gjør ting for første gang rundt en annen planet. Det er aldri gjort før. Det er utrolig."

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars, en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Astropsykologi: Hvordan holde seg tilregnelig på Mars
• Kraftverk på andre planeter: Hvordan vi genererer elektrisitet på Mars
• Høsting av hydrering: Hvordan fremtidige nybyggere vil skape og samle vann på Mars
• Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars