Como os primeiros humanos em Marte se comunicarão com a Terra

Se você acha chato receber sinal de celular quando visita parentes em outro estado, imagine só tentando se comunicar com pessoas que estão a pelo menos 40 milhões de milhas de distância e estão constantemente se movendo em relação a você. É com isso que teremos que lidar se planejarmos enviar humanos a Marte, quando as comunicações não serão apenas importantes – elas serão vitais.

Para descobrir como criar uma rede de comunicações que cubra Marte e além, e como os sistemas atuais estão sendo atualizados para enfrentar o desafio de quantidades cada vez maiores de dados, conversamos com dois especialistas que trabalham no atual sistema de comunicações da NASA – um no lado da Terra e outro em Marte lado.

Este artigo faz parte Vida em Marte, uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte

Alcançando o sistema solar com a Deep Space Network

Para se comunicar com as missões atuais, como o rover Perseverance em Marte ou as missões Voyager que estão indo no espaço interestelar, a NASA tem uma rede de antenas construída ao redor do planeta chamada Deep Space Network, ou DSN.

O DSN tem três sites na Califórnia, Espanha e Austrália, que entregam tarefas de comunicação entre si todos os dias. Dessa forma, sempre há um local apontado na direção necessária, independentemente de como a Terra gira ou oscila em seu eixo. Em cada local, há várias antenas de rádio de até 70 metros de tamanho que captam as transmissões das missões espaciais e retransmitem os dados para onde for necessário na Terra.

Cooperação internacional em comunicações

O DSN é usado para missões da NASA, mas existem outras redes globais usadas por diferentes agências espaciais, como a Agência Espacial Européia (ESA). De uma maneira notavelmente inovadora, todas essas diferentes redes seguem os mesmos padrões internacionais para suas comunicações, de modo que as agências espaciais podem usar as redes umas das outras, se necessário.

“É uma comunidade relativamente pequena. Existem apenas algumas nações que têm a capacidade de enviar espaçonaves para Marte, por exemplo”, Les Deutsch, vice-diretor da Interplanetary Network, que administra a Deep Space Network, disse à Digital Tendências. “Está crescendo, mas ainda é um número pequeno. E cabe a todos nós, como é uma pequena comunidade de missões muito caras, tentar fazer isso juntos.”

Isso significa que, além de agências com as quais a NASA trabalha de perto, como a ESA, até mesmo agências com as quais não tem relacionamento, como a agência espacial da China, ainda seguem os mesmos padrões.

“Até a China subscreve um conjunto de padrões internacionais que ajudamos a desenvolver ao longo dos anos, para que todas as missões espaciais se comuniquem da mesma maneira”, disse ele. “As espaçonaves têm formatos de rádio semelhantes e as estações terrestres têm tipos semelhantes de antenas e interfaces. Assim, podemos rastrear as espaçonaves uns dos outros por meio desses acordos. Eles são todos construídos para serem interoperáveis.”

conversando com marte

Então é assim que recebemos as transmissões na Terra. Mas como você envia transmissões de Marte? Para enviar comunicações a uma distância tão grande, você precisa de um rádio potente. E missões como rovers precisam ser pequenas e leves, então não há espaço para amarrar uma enorme antena a elas.

Para contornar esse problema, a Mars possui um sistema para retransmitir comunicações, chamado Mars Relay Network, ou MRN. Consiste em diferentes orbitadores que atualmente estão viajando ao redor do planeta e que podem ser usados ​​para pegar transmissões de missões na superfície (como rovers, landers ou, eventualmente, pessoas) e retransmitir esses dados de volta para Terra. Você pode realmente ver a posição atual de todas as embarcações no MRN usando esta simulação da NASA.

A maioria dos orbitadores em torno de Marte tem dupla função. Além de suas operações científicas, eles também funcionam como retransmissores – é o caso do Mars da NASA Nave espacial Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) e Mars Reconnaissance Orbiter, e Mars da ESA Expressar. “A maioria das nossas missões que enviamos [para Marte] estão em órbitas de baixa altitude, então estão entre 300 e 400 quilômetros acima da superfície. E esses são realmente ótimos!” O gerente da MRN, Roy Gladden, disse à Digital Trends. “Esses são ótimos lugares para se estar, porque é agradável e próximo, e você pode transmitir muitos dados entre um recurso de pouso e um orbitador naquele ambiente.”

Porém, nem todas as missões podem ser adicionadas à rede de retransmissão. Se um orbitador estiver em uma altitude muito alta, ou se tiver uma órbita muito elíptica onde às vezes é perto do planeta e outras vezes mais longe, pode não ser adequado fazer parte do MRN. A missão Hope dos Emirados Árabes Unidos (EAU), por exemplo, está em uma altitude muito alta para poder estudar a atmosfera superior de Marte. Mas isso significa que está muito longe da superfície para ser útil como relé.

Futuras missões a Marte, como o Mars Ice Mapper da NASA ou a Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) estão planejadas missão, também incluirá hardware de comunicação, portanto, quanto mais missões enviarmos para lá, mais a rede poderá ser construído.

A importância do tempo

Um dos desafios de retransmitir comunicações de Marte é o fato de o planeta estar sempre girando e que todos os orbitadores da NASA e da ESA estão se movendo ao seu redor. Isso não é um problema se o seu rover precisar enviar comunicações duas vezes por dia, por exemplo – as chances são altas de que vários orbitadores passem por cima em algum momento. Mas quando você precisa rastrear um evento específico em um horário exato, fica mais complicado.

Por exemplo, pousar um rover na superfície do planeta é a parte mais difícil de uma missão, então a NASA sempre quer estar de olho em um pouso. Para o pouso do rover Perseverance, os orbitadores do MRN tiveram suas órbitas ajustadas para garantir que estariam no lugar certo na hora certa para capturar o pouso. Mas, para economizar o precioso combustível, eles só podiam fazer pequenos ajustes em suas trajetórias, então o processo de colocar tudo no lugar certo começou anos antes do pouso.

Uma maneira de tornar esse processo mais eficiente é usar satélites de retransmissão dedicados para registrar eventos importantes, como pousos. Quando a sonda InSight pousou em Marte em 2018, ela foi acompanhada por dois satélites do tamanho de pastas chamados MarCOs, para o Mars Cube One, que atuaram como relés. Esses pequenos satélites seguiram o InSight em um sobrevôo de Marte, monitoraram e retransmitiram dados sobre o pouso e depois partiram para o espaço. “Conseguimos direcioná-los para onde queríamos que estivessem, para que pudessem fazer a gravação para capturar a telemetria do evento crítico”, Gladden disse, “e depois que o evento acabou, eles se viraram e apontaram suas antenas de volta para a Terra e transmitiram isso dados."

O uso dos MarCOs foi um teste de uma capacidade futura, pois os satélites nunca haviam sido usados ​​dessa forma antes. Mas o teste foi um sucesso. “Eles fizeram exatamente o que pretendiam fazer”, disse Gladden. Os MarCOs eram um item de uso único, pois não tinham combustível suficiente para entrar em órbita. Mas esses pequenos satélites são relativamente baratos e fáceis de construir, e os MarCOs demonstraram que esta é uma maneira viável de monitorar eventos específicos sem ter que reorganizar toda a rede de Marte.

Comunicações para missões tripuladas

Para missões tripuladas, as comunicações regulares são ainda mais importantes. Sempre haverá um atraso de até 20 minutos nas comunicações entre a Terra e Marte por causa da velocidade da luz. Não há absolutamente nenhuma maneira de contornar isso. No entanto, podemos construir uma rede de comunicação para que as pessoas em Marte possam falar com a Terra. mais do que algumas vezes por dia, com o objetivo de ter comunicações o mais próximas possível das constantes possível.

O próximo Missão Mars Ice Mapper “É uma espécie de passo nessa direção”, disse Gladden. “Nossa intenção é enviar uma pequena constelação de espaçonaves que serão usuários de retransmissão dedicados com o Ice Mapper.” Isso seria ser a primeira vez que uma constelação foi usada para comunicações com Marte e pode ser o bloco de construção de um relé maior rede.

Tal projeto requer muita energia para se comunicar nas grandes distâncias entre os planetas, mas é totalmente viável tecnologicamente.

Uma rede de próxima geração em torno de Marte

Quando se trata de prever o futuro das necessidades de comunicações extraplanetárias, “estamos tentando pensar no futuro”, disse Gladden. “Estamos tentando considerar o que precisaríamos no futuro. Especialmente sabendo que, eventualmente, queremos enviar pessoas para lá.”

A criação de uma rede de comunicação futurista em Marte pode envolver torná-la mais semelhante à que temos em nosso planeta, adicionando mais espaçonaves à rede com cada vez mais poder. “Na Terra, resolvemos nosso problema de comunicação enviando muitas e muitas espaçonaves de baixa altitude que são sistemas de alta potência com grandes matrizes solares, com rádios altamente complexos que podem direcionar o feixe”, ele disse. “Na Mars, queremos a mesma coisa.”

Existem complexidades na criação de uma rede que pode lidar com longos atrasos e na criação de padrões de dados que podem ser usados ​​por todas as naves de Marte, mas é possível. Essa rede de comunicações poderia teoricamente ser expandida para fazer mais do que apenas fornecer comunicações da Terra para Marte e vice-versa. Ele pode ser usado como um sistema de posicionamento para ajudar na navegação em Marte ou, com algumas modificações no hardware, também pode fornecer comunicações em Marte.

Mas essas espaçonaves capazes são grandes e pesadas, o que as torna difíceis de lançar. E eles enfrentam outro problema: ao contrário dos satélites ao redor da Terra, que são protegidos pela magnetosfera do nosso planeta, os satélites em órbita ao redor de Marte seriam bombardeados com radiação. Isso significa que eles precisam ser blindados, o que requer mais peso.

Tecnologicamente, é possível resolver esses problemas e montar uma rede em torno de Marte comparável à que temos em torno da Terra. No entanto, “como chegar lá é um grande desafio”, disse Gladden, “porque alguém tem que pagar por isso”.

Preparando as comunicações para o futuro

Estabelecer uma rede de comunicações em Marte é metade do quebra-cabeça para futuras comunicações. A outra metade está preparando a tecnologia que temos aqui na Terra.

Atualmente, o DSN é construindo mais antenas para que possa acompanhar o número cada vez maior de missões espaciais profundas sendo lançadas. Ele também usa melhorias no software para automatizar mais processos de rede, para que um número limitado de funcionários possa supervisionar mais missões cada.

Mas há outro problema de largura de banda limitada. As espaçonaves agora têm instrumentos mais complexos que registram grandes quantidades de dados e transmitem todos eles. esses dados em uma conexão lenta são limitados - como qualquer pessoa que já ficou presa com uma internet lenta sabe.

“De qualquer espaçonave específica no futuro, queremos ser capazes de trazer mais dados”, disse Deutsch, vice-diretor do DSN. “Isso ocorre porque, à medida que as espaçonaves avançam no tempo, elas carregam instrumentos cada vez mais capazes e querem trazer de volta mais e mais bits por segundo. Portanto, temos o desafio de acompanhar a curva semelhante à lei de Moore.”

A solução para este problema é transmitir em altas frequências. “Se você aumentar a frequência na qual está se comunicando, isso estreita o feixe que é transmitido da espaçonave e mais chega onde você deseja”, explicou ele. Enquanto as primeiras missões usavam 2,5 GHz, as espaçonaves mudaram recentemente para cerca de 8,5 GHz, e as missões mais recentes estão usando 32 GHz.

Frequências mais altas podem oferecer uma melhoria de cerca de um fator de quatro em termos de bits por segundo, mas mesmo isso não será suficiente a longo prazo. Portanto, o próximo grande passo nas comunicações espaciais é usar comunicações ópticas, também conhecidas como comunicações a laser. Isso traz muitas das mesmas vantagens de ir para uma frequência mais alta, mas as comunicações ópticas podem oferecer uma melhoria de um fator de 10 em relação às comunicações de rádio de última geração de hoje.

E a boa notícia é que o DSN não precisará de hardware totalmente novo para fazer a transição para comunicações ópticas. As antenas atuais podem ser atualizadas para funcionar com a nova tecnologia, e as antenas recém-construídas são projetadas para funcionar em várias bandas de frequência e serem capazes de receber transmissões ópticas.

Existem algumas limitações para comunicações ópticas, como nuvens suspensas que podem bloquear sinais. Mas mesmo permitindo isso, o uso de comunicações ópticas aumentará consideravelmente a capacidade geral da rede. E uma solução de longo prazo para esse problema pode envolver a colocação de receptores em órbita ao redor da Terra, onde eles estariam acima das nuvens.

Para onde vamos daqui?

Os problemas de comunicação com outro planeta são profundos e difíceis de resolver. “A física é imutável”, disse Gladden. “É muito longe, então você perde a força do sinal. Esse é um problema que temos que superar quando pensamos em tentar construir uma rede para as pessoas.”

Mas estamos no limiar de uma nova era nas comunicações espaciais. Na próxima década, aprenderemos mais sobre como transmitir e receber dados da próxima missão Artemis à lua, e do Mars Ice Mapper e sua espaçonave de retransmissão dedicada.

“Vai ser desajeitado”, avisa Gladden. “Estamos apenas tentando descobrir isso.” Ele aponta para debates internacionais sobre o uso de padrões e a mudança no relacionamento entre agências espaciais governamentais e empresas privadas. As decisões tomadas agora determinarão como a exploração espacial progredirá nas próximas décadas.

“Vai ser aterrorizante e fascinante ver o que acontece”, disse ele. “Por um lado, há muita incerteza sobre o que está acontecendo. Mas, por outro lado, isso é coisa de alta tecnologia. Estamos aprendendo e fazendo coisas pela primeira vez em outro planeta. Isso nunca foi feito antes. Isso é incrível.

Este artigo faz parte Vida em Marte, uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte

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