Como os primeiros humanos em Marte se comunicarão com a Terra

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

Para descobrir como criar uma rede de comunicações que cubra Marte e mais além, e como os sistemas actuais estão a ser actualizados para enfrentar o desafio da 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 no lado de 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 comunicar com as missões atuais, como o rover Perseverance em Marte ou as missões Voyager que se dirigem no espaço interestelar, a NASA tem uma rede de antenas construída em todo o planeta chamada Deep Space Network, ou DSN.

O DSN tem três locais na Califórnia, Espanha e Austrália, que realizam tarefas de comunicação entre si todos os dias. Dessa forma, há sempre um local apontado na direção necessária, independentemente de como a Terra gira ou oscila em seu eixo. Em cada local, há uma série de antenas de rádio de até 70 metros de tamanho que captam transmissões de missões espaciais e retransmitem os dados para onde quer que sejam necessários na Terra.

Cooperação internacional em comunicações

O DSN é utilizado para missões da NASA, mas existem outras redes globais utilizadas por diferentes agências espaciais, como a Agência Espacial Europeia (ESA). De uma forma notavelmente inovadora, todas estas diferentes redes seguem os mesmos padrões internacionais para as suas comunicações, para que as agências espaciais possam utilizar as redes umas das outras, se necessário.

“É uma comunidade bastante pequena. Existem apenas algumas nações que têm a capacidade de enviar naves espaciais para Marte, por exemplo”, Les Deutsch, vice-diretor da Rede Interplanetária, que administra a Deep Space Network, disse ao Digital Tendências. “Está crescendo, mas ainda é um número pequeno. E cabe a todos nós, já que é uma comunidade pequena e com missões muito caras, tentar fazer isso juntos.”

Isso significa que, além das agências com as quais a NASA trabalha em estreita colaboração, como a ESA, mesmo as 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 ajudámos a desenvolver ao longo dos anos, para que todas as missões no espaço profundo comuniquem da mesma forma”, disse ele. “As naves espaciais têm formatos de rádio semelhantes e as estações terrestres têm tipos semelhantes de antenas e interfaces. Assim, podemos rastrear as naves espaciais uns dos outros através destes acordos. Eles são todos construídos para serem interoperáveis.”

Conversando com Marte

Então é assim que recebemos 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, para que não haja espaço para prender uma antena enorme a eles.

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

A maioria dos orbitadores em torno de Marte cumprem uma função dupla. Além de suas operações científicas, eles também funcionam como retransmissores – é o caso da sonda 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, portanto 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 são agradáveis ​​e próximos, e você pode transmitir uma grande quantidade de dados entre um recurso de pouso e um orbitador nesse ambiente.”

Porém, nem todas as missões podem ser adicionadas à rede de retransmissão. Se um orbitador estiver em uma altitude muito elevada, 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 a uma altitude muito elevada para poder estudar a atmosfera superior de Marte. Mas isso significa que está muito longe da superfície para ser útil como retransmissor.

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

A importância do tempo

Um dos desafios da transmissão de comunicações a partir de Marte é o facto de o planeta estar sempre em rotação e de todos os orbitadores da NASA e da ESA se movimentarem à sua volta. 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 momento exato, fica mais complicado.

Por exemplo, pousar um rover na superfície do planeta é a parte mais difícil de uma missão, por isso a NASA sempre quer estar de olho no 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 combustível precioso, eles só puderam fazer pequenos ajustes em suas trajetórias, de modo que o processo de colocar tudo no lugar certo começou anos antes de ocorrer o pouso.

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

O uso dos MarCOs foi um teste de capacidade futura, já que satélites nunca haviam sido usados ​​desta forma antes. Mas o teste foi um sucesso. “Eles fizeram exatamente o que deveriam fazer”, disse Gladden. Os MarCOs eram itens 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 forma viável de monitorizar eventos específicos sem ter de reorganizar toda a rede de Marte.

Comunicações para missões tripuladas

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

O próximo Missão do Mapeador de Gelo de Marte “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 será a primeira vez que uma constelação será usada para comunicações de Marte e poderá ser o alicerce 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 comunicações futurista em Marte pode envolver torná-la mais semelhante à que temos no nosso planeta, adicionando mais naves espaciais à rede com cada vez mais potência. “Na Terra, resolvemos o nosso problema de comunicação enviando muitas e muitas naves espaciais de baixa altitude que são sistemas de alta potência com grandes painéis solares, com rádios altamente complexos que podem direcionar o feixe”, ele disse. “Em Marte, queremos a mesma coisa.”

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

Mas essas naves espaciais capazes são grandes e pesadas, o que torna difícil o seu lançamento. E enfrentam outro problema: ao contrário dos satélites em torno da Terra, que são protegidos pela magnetosfera do nosso planeta, os satélites em órbita de Marte seriam bombardeados com radiação. Isso significa que precisam ser blindados, o que exige mais peso.

Tecnologicamente, é possível resolver estes problemas e estabelecer 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 comunicações para o futuro

Configurar uma rede de comunicações em Marte é metade do quebra-cabeça para comunicações futuras. 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 no espaço profundo que estão sendo lançadas. Ele também utiliza melhorias no software para automatizar mais processos de rede, de modo que um número limitado de funcionários possa supervisionar mais missões cada.

Mas há outro problema de largura de banda limitada. As espaçonaves agora possuem instrumentos mais complexos que registram enormes quantidades de dados e transmitem todos esses dados em uma conexão lenta são limitantes – como qualquer pessoa que já ficou presa em 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 cada vez mais instrumentos capazes e querem trazer de volta cada vez 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 com que está se comunicando, isso estreitará o feixe que é transmitido da espaçonave e mais feixe chegará onde você deseja”, explicou ele. Embora as primeiras missões usassem 2,5 GHz, as espaçonaves mudaram recentemente para cerca de 8,5 GHz e as missões mais recentes usam 32 GHz.

Frequências mais altas podem oferecer uma melhoria de cerca de quatro vezes 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. Isto traz muitas das mesmas vantagens de ir para uma frequência mais alta, mas as comunicações ópticas podem oferecer uma melhoria de um factor de 10 em relação às comunicações de rádio de última geração actuais.

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 múltiplas bandas de frequência e serem capazes de receber transmissões ópticas.

Existem algumas limitações nas comunicações ópticas, como nuvens no alto que podem bloquear sinais. Mas mesmo tendo em conta isso, a utilização de comunicações ópticas aumentará consideravelmente a capacidade global da rede. E uma solução a longo prazo para esta questão poderia envolver colocar receptores em órbita ao redor da Terra, onde 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 a transmissão e recepção de dados da próxima missão Artemis à Lua, e do Mars Ice Mapper e da sua nave espacial 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 irá progredir nas próximas décadas.

“Será ao mesmo tempo 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 algo 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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