Jak pierwsi ludzie na Marsie będą komunikować się z Ziemią

Jeśli uważasz, że odbieranie telefonu komórkowego podczas wizyty u krewnych w innym stanie jest uciążliwe, wyobraź sobie próbując komunikować się z ludźmi oddalonymi o co najmniej 40 milionów mil i stale przemieszczającymi się względem siebie Ty. Z tym będziemy musieli sobie poradzić, jeśli planujemy wysłać ludzi na Marsa, kiedy komunikacja będzie nie tylko ważna – będzie niezbędna.

Aby dowiedzieć się, jak stworzyć sieć komunikacyjną obejmującą Marsa i nie tylko, oraz w jaki sposób modernizowane są obecne systemy, aby sprostać wyzwaniu stale rosnących ilości danych, rozmawialiśmy z dwoma ekspertami, którzy pracują nad obecnym systemem komunikacyjnym NASA – jednym po stronie Ziemi i jednym na Marsie strona.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które pozwolą ludziom okupować Marsa

Sięganie do Układu Słonecznego za pomocą Deep Space Network

Aby komunikować się z obecnymi misjami, takimi jak łazik Perseverance na Marsie lub misje Voyager, które zmierzają w przestrzeń międzygwiezdną, NASA ma sieć anten zbudowaną na całej planecie, zwaną Deep Space Network, lub DSN.

DSN ma trzy lokalizacje w Kalifornii, Hiszpanii i Australii, które codziennie przekazują sobie obowiązki komunikacyjne. W ten sposób zawsze istnieje miejsce skierowane w wymaganym kierunku, niezależnie od tego, jak Ziemia obraca się lub chwieje wokół własnej osi. W każdym miejscu znajduje się kilka anten radiowych o wielkości do 70 metrów, które odbierają transmisje z misji kosmicznych i przekazują dane do dowolnego miejsca na Ziemi.

Międzynarodowa współpraca w komunikacji

DSN jest używany w misjach NASA, ale istnieją inne globalne sieci używane przez różne agencje kosmiczne, takie jak Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). W niezwykle przyszłościowy sposób wszystkie te różne sieci przestrzegają tych samych międzynarodowych standardów komunikacji, więc agencje kosmiczne mogą wzajemnie korzystać z sieci, jeśli zajdzie taka potrzeba.

„To dość mała społeczność. Jest tylko kilka krajów, które mają możliwość wysłania statku kosmicznego na przykład na Marsa”, Les Deutsch, zastępca dyrektora sieci międzyplanetarnej, która zarządza siecią Deep Space Network, powiedział Digital Trendy. „Rośnie, ale wciąż jest to niewielka liczba. I wypada nam wszystkim, ponieważ jest to mała społeczność bardzo kosztownych misji, abyśmy spróbowali to zrobić razem”.

Oznacza to, że oprócz agencji, z którymi NASA ściśle współpracuje, takich jak ESA, nawet agencje, z którymi nie ma relacji, jak chińska agencja kosmiczna, nadal przestrzegają tych samych standardów.

„Nawet Chiny podpisują się pod zestawem międzynarodowych standardów, które pomogliśmy opracować przez lata, dzięki czemu wszystkie misje kosmiczne komunikują się w ten sam sposób” – powiedział. „Statki kosmiczne mają podobne formaty radiowe, a stacje naziemne mają podobne rodzaje anten i interfejsów. Dzięki tym umowom możemy śledzić nawzajem swoje statki kosmiczne. Wszystkie są zbudowane z myślą o interoperacyjności”.

Rozmowa z Marsem

Tak właśnie odbieramy transmisje na Ziemi. Ale jak wysyłać transmisje z Marsa? Aby wysyłać komunikaty na tak dużą odległość, potrzebujesz wydajnego radia. A misje takie jak łaziki muszą być małe i lekkie, więc nie ma miejsca na przymocowanie do nich wielkiej anteny.

Aby obejść ten problem, Mars ma system przekazywania komunikacji, zwany Mars Relay Network lub MRN. Składa się z różnych orbiterów, które aktualnie podróżują po planecie i które można wykorzystać do podnoszenia transmisje z misji na powierzchni (takich jak łaziki, lądowniki lub ostatecznie ludzie) i przekazują te dane z powrotem do Ziemia. W rzeczywistości możesz zobaczyć aktualną pozycję wszystkich jednostek w MRN ta symulacja NASA.

Większość orbiterów wokół Marsa pełni podwójną funkcję. Oprócz operacji naukowych działają również jako przekaźniki – tak jest w przypadku Marsa należącego do NASA Statek kosmiczny Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) i Mars Reconnaissance Orbiter oraz Mars ESA Wyrazić. „Większość naszych misji, które wysłaliśmy [na Marsa], znajduje się na orbitach o małej wysokości, więc znajdują się one gdzieś pomiędzy 300 a 400 kilometrów nad powierzchnią. A te są naprawdę świetne!” Menedżer MRN, Roy Gladden, powiedział Digital Trends. „To świetne miejsca, ponieważ są ładne i blisko, a w tym środowisku można przesyłać całkiem sporo danych między lądownikiem a orbiterem”.

Jednak nie każdą misję można dodać do sieci przekaźników. Jeśli orbiter znajduje się na bardzo dużej wysokości lub ma bardzo eliptyczną orbitę, gdzie czasami tak jest blisko planety, a innym razem jest dalej, bycie częścią może nie być odpowiednie MRN. Na przykład misja Hope w Zjednoczonych Emiratach Arabskich (ZEA) znajduje się na bardzo dużej wysokości, dzięki czemu może badać górne warstwy atmosfery Marsa. Oznacza to jednak, że jest zbyt daleko od powierzchni, aby mógł służyć jako przekaźnik.

Planowane przyszłe misje na Marsa, takie jak Mars Ice Mapper NASA lub Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) misja obejmie również sprzęt komunikacyjny, więc im więcej misji tam wyślemy, tym większa może być sieć zbudowany.

Znaczenie czasu

Jednym z wyzwań związanych z przekazywaniem komunikacji z Marsa jest fakt, że planeta zawsze się obraca i że wszystkie orbitery NASA i ESA poruszają się wokół niej. Nie stanowi to problemu, jeśli twój łazik musi na przykład wysyłać komunikaty dwa razy dziennie – istnieje duże prawdopodobieństwo, że w pewnym momencie kilka orbiterów przeleci nad głową. Ale kiedy musisz śledzić określone zdarzenie w dokładnym czasie, staje się to trudniejsze.

Na przykład lądowanie łazika na powierzchni planety jest najtrudniejszą częścią misji, dlatego NASA zawsze chce mieć oko na lądowanie. W celu lądowania łazika Perseverance orbitery w MRN miały zmodyfikowane orbity, aby upewnić się, że znajdą się we właściwym miejscu we właściwym czasie, aby uchwycić lądowanie. Ale aby zaoszczędzić na cennym paliwie, mogli tylko nieznacznie dostosować swoje trajektorie, więc proces umieszczania wszystkiego we właściwym miejscu rozpoczął się na wiele lat przed lądowaniem.

Jednym ze sposobów usprawnienia tego procesu jest wykorzystanie dedykowanych satelitów przekaźnikowych do rejestrowania kluczowych zdarzeń, takich jak lądowania. Kiedy lądownik InSight wylądował na Marsie w 2018 roku, towarzyszyły mu dwa satelity wielkości teczki zwane MarCO, dla Mars Cube One, który działał jako przekaźniki. Te małe satelity podążały za sondą InSight podczas przelotu obok Marsa, monitorowały i przekazywały dane dotyczące lądowania, a następnie wyruszały w kosmos. „Byliśmy w stanie skierować ich tam, gdzie chcieliśmy, aby mogli zrobić to nagranie, aby uchwycić telemetrię tego krytycznego zdarzenia” Gladden powiedział: „a potem po zakończeniu wydarzenia odwrócili się i skierowali swoje anteny z powrotem na Ziemię i przesłali to dane."

Wykorzystanie MarCO było testem przyszłych możliwości, ponieważ satelity nigdy wcześniej nie były używane w ten sposób. Ale próba wypadła pomyślnie. „Zrobili dokładnie to, co zamierzali zrobić” – powiedział Gladden. MarCO były przedmiotem jednorazowego użytku, ponieważ nie miały wystarczającej ilości paliwa, aby wejść na orbitę. Ale takie małe satelity są stosunkowo tanie i łatwe do zbudowania, a MarCO wykazało, że jest to realny sposób monitorowania określonych zdarzeń bez konieczności zmiany całej sieci marsjańskiej.

Łączność dla misji załogowych

W przypadku misji z załogą regularna komunikacja jest jeszcze ważniejsza. Zawsze będzie opóźnienie do 20 minut w komunikacji między Ziemią a Marsem z powodu prędkości światła. Absolutnie nie da się tego obejść. Możemy jednak zbudować sieć komunikacyjną, aby ludzie na Marsie mogli rozmawiać z Ziemią więcej niż kilka razy dziennie, aby mieć jak najbardziej stałą komunikację możliwy.

Nadchodzący Misja Mars Ice Mapper „jest rodzajem kroku w tym kierunku” — powiedział Gladden. „Naszym zamiarem jest wysłanie małej konstelacji statków kosmicznych, które będą dedykowanymi użytkownikami przekaźników za pomocą Ice Mapper”. To by po raz pierwszy konstelacja została użyta do komunikacji z Marsem i może być budulcem większego przekaźnika sieć.

Taki projekt wymaga dużej mocy do komunikacji na duże odległości między planetami, ale jest całkowicie technicznie wykonalny.

Sieć nowej generacji wokół Marsa

Jeśli chodzi o przewidywanie przyszłości potrzeb komunikacji pozaplanetarnej, „staramy się myśleć przyszłościowo” – powiedział Gladden. „Staramy się zastanowić, czego będziemy potrzebować w przyszłości. Zwłaszcza wiedząc, że ostatecznie chcemy tam wysłać ludzi”.

Stworzenie futurystycznej marsjańskiej sieci komunikacyjnej może wiązać się z upodobnieniem jej do tego, co mamy na naszej planecie, poprzez dodanie do sieci większej liczby statków kosmicznych o coraz większej mocy. „Na Ziemi rozwiązujemy nasz problem z komunikacją, wysyłając wiele statków kosmicznych na niskich wysokościach to systemy o dużej mocy z dużymi panelami słonecznymi, z bardzo złożonymi radiami, które mogą sterować wiązką” – powiedział powiedział. „Na Marsie chcemy tego samego”.

Tworzenie sieci, która poradzi sobie z dużymi opóźnieniami, oraz tworzenie standardów danych, z których mogą korzystać wszystkie statki marsjańskie, jest skomplikowane, ale jest to możliwe. Taka sieć komunikacyjna mogłaby teoretycznie zostać rozszerzona, aby robić coś więcej niż tylko zapewniać komunikację z Ziemi na Marsa iz powrotem. Może być używany jako system pozycjonowania pomagający w nawigacji na Marsie lub, po pewnych modyfikacjach sprzętu, może również zapewniać komunikację na Marsie.

Ale takie zdolne statki kosmiczne są duże i ciężkie, co utrudnia ich wystrzelenie. I napotykają kolejny problem: w przeciwieństwie do satelitów krążących wokół Ziemi, które są chronione przez magnetosferę naszej planety, satelity na orbicie wokół Marsa byłyby bombardowane promieniowaniem. Oznacza to, że muszą być ekranowane, co wymaga większej wagi.

Technologicznie możliwe jest rozwiązanie tych problemów i utworzenie wokół Marsa sieci porównywalnej z tą, którą mamy wokół Ziemi. Jednak „jak się tam dostać jest dużym wyzwaniem”, powiedział Gladden, „ponieważ ktoś musi za to zapłacić”.

Przygotowanie komunikacji na przyszłość

Konfiguracja sieci komunikacyjnej Marsa to połowa układanki dla przyszłej komunikacji. Druga połowa to przygotowanie technologii, którą mamy tutaj na Ziemi.

Obecnie DSN jest zbudować więcej anten dzięki czemu może nadążyć za stale rosnącą liczbą uruchamianych misji kosmicznych. Wykorzystuje również ulepszenia oprogramowania do automatyzacji większej liczby procesów sieciowych, dzięki czemu ograniczona liczba pracowników może nadzorować więcej misji.

Ale jest inny problem z ograniczoną przepustowością. Statki kosmiczne mają teraz bardziej złożone instrumenty, które rejestrują ogromne ilości danych i przesyłają je wszystkie te dane przez wolne połączenie są ograniczone – jak każdy, kto kiedykolwiek utknął z wolnym Internetem wie.

„Z dowolnego konkretnego statku kosmicznego w przyszłości chcemy mieć możliwość przywrócenia większej ilości danych” — powiedział Deutsch, zastępca dyrektora DSN. „To dlatego, że w miarę upływu czasu statki kosmiczne noszą coraz bardziej wydajne instrumenty i chcą przywracać coraz więcej bitów na sekundę. Mamy więc wyzwanie, aby nadążyć za tą podobną do prawa krzywą Moore'a.

Rozwiązaniem tego problemu jest nadawanie na wysokich częstotliwościach. „Jeśli zwiększysz częstotliwość, z jaką się komunikujesz, zawęzi się wiązka wysyłana ze statku kosmicznego i więcej z niej dotrze tam, gdzie chcesz” – wyjaśnił. Podczas gdy wczesne misje wykorzystywały 2,5 GHz, statki kosmiczne ostatnio przeniosły się do około 8,5 GHz, a najnowsze misje wykorzystują 32 GHz.

Wyższe częstotliwości mogą zapewnić czterokrotną poprawę liczby bitów na sekundę, ale nawet to nie wystarczy na dłuższą metę. Tak więc kolejnym dużym krokiem w komunikacji kosmicznej jest wykorzystanie komunikacji optycznej, znanej również jako łączność laserowa. Daje to wiele takich samych korzyści, jak przejście na wyższą częstotliwość, ale komunikacja optyczna może zapewnić 10-krotną poprawę w porównaniu z dzisiejszą najnowocześniejszą łącznością radiową.

Dobrą wiadomością jest to, że DSN nie będzie potrzebował zupełnie nowego sprzętu, aby przejść na komunikację optyczną. Obecne anteny można zmodernizować do pracy z nową technologią, a nowo zbudowane anteny są zaprojektowane do pracy w wielu pasmach częstotliwości i mogą odbierać transmisje optyczne.

Istnieją pewne ograniczenia komunikacji optycznej, takie jak chmury napowietrzne, które mogą blokować sygnały. Ale nawet uwzględniając to, wykorzystanie komunikacji optycznej znacznie zwiększy ogólną wydajność sieci. A długoterminowe rozwiązanie tego problemu mogłoby obejmować umieszczenie odbiorników na orbicie wokół Ziemi, gdzie znajdowałyby się ponad chmurami.

Dokąd idziemy stąd?

Problemy komunikacji z inną planetą są głębokie i trudne do rozwiązania. „Fizyka jest niezmienna” – powiedział Gladden. „To daleko, więc tracisz siłę sygnału. To problem, który musimy przezwyciężyć, gdy myślimy o próbie zbudowania sieci dla ludzi”.

Ale jesteśmy na progu nowej ery w komunikacji kosmicznej. W następnej dekadzie dowiemy się więcej o przesyłaniu i odbieraniu danych z nadchodzącej misji Artemis na Księżyc oraz Mars Ice Mapper i jego dedykowanego statku kosmicznego przekaźnikowego.

„To będzie niezdarne” — ostrzega Gladden. „Po prostu próbujemy to rozgryźć”. Wskazuje na międzynarodowe debaty na temat stosowania standardów i zmieniające się relacje między rządowymi agencjami kosmicznymi a firmami prywatnymi. Decyzje podjęte teraz zadecydują o tym, jak eksploracja kosmosu będzie się rozwijać w następnych dziesięcioleciach.

„To będzie zarówno przerażające, jak i fascynujące zobaczyć, co się stanie” – powiedział. „Z jednej strony jest tak wiele niepewności co do tego, co się dzieje. Ale z drugiej strony to zaawansowane technologicznie rzeczy. Uczymy się i robimy rzeczy po raz pierwszy na innej planecie. Nigdy wcześniej tego nie robiono. To jest wspaniałe."

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które pozwolą ludziom okupować Marsa

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka umieszczania ludzi na Marsie
• Astropsychologia: Jak zachować rozsądek na Marsie
• Elektrownie na innych planetach: jak będziemy generować energię elektryczną na Marsie
• Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie
• Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie