Jak pierwsi ludzie na Marsie będą komunikować się z Ziemią

Jeśli uważasz, że uzyskanie zasięgu sieci komórkowej podczas wizyty u krewnych w innym stanie jest uciążliwe, wyobraź sobie to próbując komunikować się z ludźmi, którzy są oddaleni o co najmniej 40 milionów mil i stale się przemieszczają Ty. Z tym właśnie będziemy musieli sobie poradzić, jeśli planujemy wysłać ludzi na Marsa, gdzie komunikacja będzie nie tylko ważna – będzie wręcz niezbędna.

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

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowa seria poświęcona najnowocześniejszej nauce i technologii, która umożliwi ludziom okupację Marsa

Dotarcie do Układu Słonecznego za pomocą Deep Space Network

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

DSN ma trzy placówki w Kalifornii, Hiszpanii i Australii, które codziennie przekazują sobie nawzajem obowiązki komunikacyjne. W ten sposób zawsze znajdzie się miejsce skierowane w odpowiednim kierunku, niezależnie od tego, jak Ziemia obraca się lub kołysze wokół własnej osi. W każdym miejscu znajduje się wiele anten radiowych o długości do 70 metrów, które odbierają transmisje z misji kosmicznych i przekazują dane w dowolne miejsce na Ziemi.

Międzynarodowa współpraca w zakresie komunikacji

DSN jest używany w misjach NASA, ale istnieją inne globalne sieci wykorzystywane przez różne agencje kosmiczne, takie jak Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). W niezwykle przyszłościowy sposób wszystkie te różne sieci stosują te same międzynarodowe standardy w zakresie komunikacji, dzięki czemu agencje kosmiczne mogą w razie potrzeby korzystać ze swoich sieci.

„To dość mała społeczność. Na przykład tylko kilka krajów jest w stanie wysłać statek kosmiczny na Marsa” – Les Deutsch, zastępca dyrektora Sieci Międzyplanetarnej, która zarządza siecią Deep Space Network, powiedział Digital Trendy. „Rośnie, ale to nadal niewielka liczba. I wypada, żebyśmy wszyscy, ponieważ jest to mała społeczność bardzo kosztownych misji, spróbowali zrobić to razem”.

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

„Nawet Chiny przestrzegają zestawu międzynarodowych standardów, które pomogliśmy opracować na przestrzeni lat, dzięki czemu wszystkie misje kosmiczne komunikują się w ten sam sposób” – powiedział. „Statki kosmiczne mają podobne formaty radiowe, a stacje naziemne mają podobny rodzaj anten i interfejsów. Dzięki tym umowom będziemy mogli wzajemnie śledzić swoje statki kosmiczne. Wszystkie są zbudowane tak, aby były interoperacyjne.”

Rozmowa z Marsem

W ten sposób otrzymujemy transmisje na Ziemi. Ale jak wysyłać transmisje z Marsa? Aby przesyłać komunikaty na tak duże odległości, potrzebne jest mocne radio. Misje takie jak łaziki muszą być małe i lekkie, więc nie ma miejsca na przymocowanie do nich ogromnej anteny.

Aby obejść ten problem, firma Mars posiada system przekazywania komunikacji zwany Mars Relay Network, w skrócie MRN. Składa się z różnych orbiterów, które obecnie podróżują po planecie i których można używać do podnoszenia transmisje z misji na powierzchni (takich jak łaziki, lądowniki lub w końcu ludzie) i przekazują te dane z powrotem do Ziemia. Można faktycznie zobaczyć aktualną pozycję wszystkich jednostek w MRN za pomocą tej symulacji NASA.

Większość orbiterów wokół Marsa pełni podwójną funkcję. Oprócz zadań naukowych pełnią także funkcję przekaźników – tak jest w przypadku Marsa należącego do NASA Sonda kosmiczna Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) i Mars Reconnaissance Orbiter oraz Mars należący do ESA Wyrazić. „Większość naszych misji, które wysłaliśmy [na Marsa] odbywa się na orbitach na małych wysokościach, więc znajdują się one na wysokości od 300 do 400 kilometrów nad powierzchnią. A te są naprawdę świetne!” Menedżer MRN, Roy Gladden, powiedział Digital Trends. „To świetne miejsca, ponieważ jest miło i blisko, a w tym środowisku można przesyłać sporo danych między lądownikiem a orbiterem”.

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

Przyszłe misje na Marsa, takie jak planowana przez NASA Mars Ice Mapper lub Japońska Agencja Badań Kosmicznych (JAXA) misja będzie obejmować również sprzęt komunikacyjny, więc im więcej misji tam wyślemy, tym większa będzie sieć zbudowany.

Znaczenie czasu

Jednym z wyzwań związanych z przekazywaniem komunikacji z Marsa jest fakt, że planeta stale się obraca, a wszystkie orbitery NASA i ESA krążą wokół niej. Nie stanowi to problemu, jeśli na przykład łazik musi wysyłać komunikaty dwa razy dziennie – istnieje duże prawdopodobieństwo, że w pewnym momencie nad jego głową przeleci kilka orbiterów. Kiedy jednak trzeba śledzić określone wydarzenie 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. Przed lądowaniem łazika Perseverance orbitery w MRN zostały zmodyfikowane, aby zapewnić, że znajdą się we właściwym miejscu o właściwym czasie i uchwycą lądowanie. Aby jednak zaoszczędzić na cennym paliwie, mogli jedynie wprowadzać niewielkie zmiany w trajektoriach, dlatego proces ustawiania wszystkiego na właściwym miejscu rozpoczął się wiele lat przed lądowaniem.

Jednym ze sposobów usprawnienia tego procesu jest wykorzystanie dedykowanych satelitów przekaźnikowych do rejestrowania kluczowych zdarzeń, takich jak lądowania. Gdy w 2018 roku lądownik InSight wylądował na Marsie, towarzyszył mu m.in dwa satelity wielkości teczki zwane MarCO, dla Mars Cube One, który działał jako przekaźniki. Te małe satelity podążały za InSight podczas przelotu obok Marsa, monitorowały i przekazywały dane o lądowaniu, a następnie poleciały w przestrzeń kosmiczną. „Udało nam się skierować ich tam, gdzie chcieliśmy, aby mogli nagrać i uchwycić telemetrię krytycznego zdarzenia” Gladden powiedział: „a potem, gdy wydarzenie się skończyło, odwrócili się, skierowali swoje anteny z powrotem na Ziemię i przekazali to dane."

Wykorzystanie MarCO było sprawdzianem przyszłych możliwości, ponieważ nigdy wcześniej nie używano satelitów w ten sposób. Ale test zakończył się sukcesem. „Zrobili dokładnie to, co zamierzali” – stwierdził Gladden. MarCO były przedmiotem jednorazowego użytku, ponieważ nie miały wystarczającej ilości paliwa, aby wejść na orbitę. Jednak takie małe satelity są stosunkowo tanie i łatwe w budowie, a MarCO wykazało, że jest to realny sposób monitorowania określonych zdarzeń bez konieczności zmiany układu całej sieci marsjańskiej.

Łączność dla misji załogowych

W przypadku misji załogowych regularna komunikacja jest jeszcze ważniejsza. W komunikacji między Ziemią a Marsem zawsze będzie występować opóźnienie do 20 minut ze względu na prędkość światła. Nie ma na to absolutnie żadnego sposobu. Możemy jednak zbudować sieć komunikacyjną, dzięki której ludzie na Marsie będą mogli rozmawiać z Ziemią częściej niż kilka razy dziennie, w celu zapewnienia możliwie stałej komunikacji możliwy.

Nadchodzący Misja Mapera Lodu Marsa „To rodzaj kroku w tym kierunku” – stwierdził Gladden. „Naszym zamiarem jest wysłanie małej konstelacji statków kosmicznych, które będą dedykowanymi użytkownikami przekaźników z Ice Mapperem”. To by będzie to pierwszy przypadek wykorzystania konstelacji do komunikacji na Marsie i może stanowić element składowy większego przekaźnika sieć.

Taki projekt wymaga dużej mocy, aby komunikować się na duże odległości między planetami, ale jest całkowicie wykonalny technologicznie.

Sieć nowej generacji wokół Marsa

Jeśli chodzi o przewidywanie przyszłości potrzeb w zakresie komunikacji pozaplanetarnej, „staramy się myśleć przyszłościowo” – powiedziała Gladden. „Próbujemy rozważyć, czego będziemy potrzebować w przyszłości. Szczególnie wiedząc, że ostatecznie będziemy chcieli tam wysyłać ludzi”.

Stworzenie futurystycznej sieci komunikacyjnej na Marsie może wiązać się z upodobnieniem jej do tej, którą mamy na naszej planecie, poprzez dodanie do sieci większej liczby statków kosmicznych o coraz większej mocy. „Na Ziemi rozwiązujemy nasz problem komunikacyjny, wysyłając mnóstwo statków kosmicznych na małą wysokość to systemy o dużej mocy, wyposażone w duże panele słoneczne i bardzo złożone radia, które potrafią sterować wiązką” – stwierdził powiedział. „W Marsie chcemy tego samego”.

Tworzenie sieci zdolnej obsłużyć duże opóźnienia oraz tworzenie standardów danych, z których mogą korzystać wszystkie statki marsjańskie, jest złożone, ale jest możliwe. Taką sieć komunikacyjną można teoretycznie rozszerzyć, aby spełniała więcej funkcji niż tylko zapewnianie komunikacji z Ziemi na Marsa i z powrotem. Można go wykorzystać jako system pozycjonowania ułatwiający nawigację po Marsie lub, po pewnych modyfikacjach sprzętu, zapewnić także komunikację na Marsie.

Jednak tak zdolne statki kosmiczne są duże i ciężkie, co utrudnia ich wystrzelenie. Stoją przed kolejnym problemem: w przeciwieństwie do satelitów 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, stanowi duże wyzwanie” – stwierdził Gladden – „ponieważ ktoś musi za to zapłacić”.

Przygotowanie komunikacji na przyszłość

Skonfigurowanie sieci komunikacyjnej na Marsie to połowa układanki przyszłej komunikacji. Druga połowa to przygotowanie technologii, którą mamy tutaj na Ziemi.

Obecnie DSN jest zbudować więcej anten dzięki czemu może nadążać za stale rosnącą liczbą przeprowadzanych misji kosmicznych. Wykorzystuje również ulepszenia oprogramowania, aby zautomatyzować więcej procesów sieciowych, dzięki czemu ograniczona liczba pracowników może nadzorować większą liczbę misji.

Istnieje jednak inny problem związany z ograniczoną przepustowością. Statki kosmiczne mają teraz bardziej złożone instrumenty, które rejestrują ogromne ilości danych i przesyłają je wszystkie dane te przy wolnym łączu są ograniczone – jak każdy, kto kiedykolwiek utknął z powolnym internetem wie.

„Chcemy móc w przyszłości uzyskać więcej danych z dowolnego statku kosmicznego” – powiedział Deutsch, zastępca dyrektora DSN. „Dzieje się tak, ponieważ w miarę postępu statków kosmicznych noszą one coraz bardziej wydajne instrumenty i chcą przywracać coraz więcej bitów na sekundę. Stoimy więc przed wyzwaniem, aby dotrzymać kroku krzywej podobnej do prawa Moore’a.

Rozwiązaniem tego problemu jest transmisja na wysokich częstotliwościach. „Jeśli zwiększysz częstotliwość, z jaką się komunikujesz, zawęża to wiązkę przesyłaną ze statku kosmicznego i większa jej część dociera tam, gdzie chcesz” – wyjaśnił. Podczas gdy wczesne misje wykorzystywały częstotliwość 2,5 GHz, ostatnio statki kosmiczne przestawiły się na częstotliwość około 8,5 GHz, a najnowsze misje wykorzystują częstotliwość 32 GHz.

Wyższe częstotliwości mogą zapewnić około czterokrotną poprawę w zakresie bitów na sekundę, ale nawet to nie wystarczy w dłuższej perspektywie. Zatem kolejnym dużym krokiem w komunikacji kosmicznej jest wykorzystanie komunikacji optycznej, zwanej także komunikacja laserowa. Daje to wiele takich samych korzyści, jak przejście na wyższą częstotliwość, ale komunikacja optyczna może zapewnić poprawę 10-krotnie w porównaniu z dzisiejszą, najnowocześniejszą komunikacją radiową.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​DSN nie będzie potrzebował zupełnie nowego sprzętu, aby przejść na komunikację optyczną. Obecne anteny można zmodernizować do pracy z nową technologią, a nowo budowane anteny są zaprojektowane do pracy w wielu pasmach częstotliwości i odbierania transmisji optycznych.

Istnieją pewne ograniczenia komunikacji optycznej, takie jak chmury nad głową, które mogą blokować sygnały. Ale nawet przy uwzględnieniu tego, wykorzystanie komunikacji optycznej znacznie zwiększy ogólną wydajność sieci. Długoterminowym rozwiązaniem tego problemu mogłoby być umieszczenie odbiorników na orbicie okołoziemskiej, gdzie znajdowałyby się ponad chmurami.

Dokąd stąd pójdziemy?

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

Ale jesteśmy u progu nowej ery komunikacji kosmicznej. W następnej dekadzie dowiemy się więcej o przesyłaniu i odbieraniu danych z nadchodzącej misji Artemis na Księżyc oraz o marsjańskiej sondzie Ice Mapper i dedykowanym jej statku kosmicznym przekaźnikowym.

„To będzie niezdarne” – ostrzega Gladden. „Po prostu próbujemy to rozgryźć”. Wskazuje na międzynarodowe debaty na temat stosowania standardów i zmieniających się relacji pomiędzy rządowymi agencjami kosmicznymi a prywatnymi firmami. Podjęte teraz decyzje zadecydują o tym, jak będzie przebiegać eksploracja kosmosu w ciągu najbliższych dziesięcioleci.

„To będzie zarówno przerażające, jak i fascynujące zobaczyć, co się stanie” – powiedział. „Z jednej strony jest wielka niepewność co do tego, co się dzieje. Ale z drugiej strony jest to sprzęt high-tech. Po raz pierwszy uczymy się i robimy rzeczy na innej planecie. Nigdy wcześniej tego nie robiono. To jest wspaniałe."

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowa seria poświęcona najnowocześniejszej nauce i technologii, która umożliwi ludziom okupację Marsa

Zalecenia redaktorów

• Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka wysłania ludzi na Marsa
• Astropsychologia: jak zachować zdrowie psychiczne na Marsie
• Elektrownie na innych planetach: Jak będziemy wytwarzać energię elektryczną na Marsie
• Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie
• Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie