Cum vor comunica primii oameni de pe Marte cu Pământul

Dacă credeți că este o durere să primiți celulele atunci când vă vizitați rudele într-un alt stat, imaginați-vă încercând să comunice cu oameni care se află la cel puțin 40 de milioane de mile distanță și se mișcă constant față de tu. Cu asta vom avea de a face dacă intenționăm să trimitem oameni pe Marte, când comunicațiile nu vor fi doar importante, ci vor fi vitale.

Pentru a afla cum să creați o rețea de comunicații care să acopere Marte și nu numai și cum sunt actualizate sistemele actuale pentru a face față provocării cantități tot mai mari de date, am vorbit cu doi experți care lucrează la sistemul actual de comunicații al NASA – unul pe Pământ și unul pe Marte. latură.

Acest articol face parte din Viata pe Marte, o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Atingerea sistemului solar cu Deep Space Network

Pentru a comunica cu misiunile curente precum roverul Perseverance pe Marte sau misiunile Voyager care se îndreaptă în spațiul interstelar, NASA are o rețea de antene construită în jurul planetei numită Deep Space Network, sau DSN.

DSN are trei site-uri în California, Spania și Australia, care predă sarcinile de comunicare între ele în fiecare zi. În acest fel, există întotdeauna un loc îndreptat în direcția necesară, indiferent de modul în care Pământul se rotește sau se clătește pe axa sa. La fiecare locație, există un număr de antene radio de până la 70 de metri în dimensiune care preiau transmisiile din misiunile spațiale și transmit datele oriunde trebuie să meargă pe Pământ.

Cooperare internațională în domeniul comunicațiilor

DSN este folosit pentru misiunile NASA, dar există și alte rețele globale utilizate de diferite agenții spațiale, cum ar fi Agenția Spațială Europeană (ESA). Într-un mod remarcabil de perspectivă, toate aceste rețele diferite urmează aceleași standarde internaționale pentru comunicațiile lor, astfel încât agențiile spațiale pot folosi rețelele reciproce dacă este nevoie.

„Este o comunitate destul de mică. Există doar câteva națiuni care au capacitatea de a trimite nave spațiale pe Marte, de exemplu”, Les Deutsch, directorul adjunct al Rețelei Interplanetary, care conduce Rețeaua de spațiu adânc, a declarat pentru Digital Tendințe. „Este în creștere, dar este încă un număr mic. Și se cuvine tuturor, deoarece este o comunitate mică de misiuni foarte scumpe, să încercăm să facem asta împreună.”

Asta înseamnă că, pe lângă agențiile cu care NASA lucrează îndeaproape, precum ESA, chiar și agențiile cu care nu are o relație, cum ar fi agenția spațială a Chinei, încă urmează aceleași standarde.

„Chiar și China subscrie la un set de standarde internaționale pe care le-am ajutat să le dezvoltăm de-a lungul anilor, astfel încât toate misiunile în spațiul adânc să comunice în același mod”, a spus el. „Nava spațială are formate radio similare, iar stațiile terestre au tipuri similare de antene și interfețe. Deci ne putem urmări reciproc navele spațiale prin aceste acorduri. Toate sunt construite pentru a fi interoperabile.”

Vorbind cu Marte

Deci, așa primim transmisii pe Pământ. Dar cum trimiți transmisii de pe Marte? Pentru a trimite comunicații la o distanță atât de mare, aveți nevoie de un radio puternic. Și misiunile precum roverele trebuie să fie mici și ușoare, așa că nu există loc pentru a le lega o antenă uriașă.

Pentru a evita această problemă, Marte are un sistem de retransmitere a comunicațiilor, numit Mars Relay Network sau MRN. Este format din diferiți orbitatori care călătoresc în prezent în jurul planetei și care pot fi utilizați pentru a ridica transmisii de la misiuni de la suprafață (cum ar fi rovere, landere sau, eventual, oameni) și transmite aceste date înapoi către Pământ. Puteți vedea de fapt poziția actuală a tuturor ambarcațiunilor din MRN folosind această simulare NASA.

Majoritatea orbitatoarelor din jurul lui Marte fac o dublă sarcină. Pe lângă operațiunile lor științifice, aceștia funcționează și ca relee - acesta este cazul Marte de la NASA Sonda spațială Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) și Mars Reconnaissance Orbiter și Marte de la ESA Expres. „Majoritatea misiunilor noastre pe care le-am trimis [pe Marte] se află pe orbite la altitudine joasă, deci se află undeva între 300 și 400 de kilometri deasupra suprafeței. Și acestea sunt cu adevărat grozave!” Managerul MRN, Roy Gladden, a declarat pentru Digital Trends. „Acelea sunt locuri grozave în care să fii, pentru că este frumos și aproape și poți transmite destul de multe date între un mijloc de aterizare și un orbiter în acel mediu.”

Totuși, nu orice misiune poate fi adăugată la rețeaua de releu. Dacă un orbiter se află la o altitudine foarte mare sau dacă are o orbită foarte eliptică unde uneori este aproape de planetă și alteori este mai departe, s-ar putea să nu fie potrivit să faci parte din MRN. Misiunea Hope a Emiratelor Arabe Unite (UAE), de exemplu, se află la o altitudine foarte mare, astfel încât să poată studia atmosfera superioară a lui Marte. Dar asta înseamnă că este prea departe de suprafață pentru a fi util ca releu.

Viitoarele misiuni pe Marte, cum ar fi Mars Ice Mapper de la NASA sau Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) sunt planificate misiune, va include și hardware de comunicații, așa că cu cât trimitem mai multe misiuni acolo, cu atât rețeaua poate fi mai mare Construit.

Importanța timpului

Una dintre provocările transmiterii comunicațiilor de pe Marte este faptul că planeta se rotește mereu și că toți orbitatorii NASA și ESA se mișcă în jurul ei. Aceasta nu este o problemă dacă rover-ul dvs. trebuie să trimită comunicații de două ori pe zi, de exemplu - sunt șanse mari ca mai mulți orbitatori să treacă deasupra capului la un moment dat. Dar când trebuie să urmăriți un anumit eveniment la un moment exact, devine mai complicat.

De exemplu, aterizarea unui rover pe suprafața planetei este cea mai dificilă parte a unei misiuni, așa că NASA dorește întotdeauna să aibă ochii pe o aterizare. Pentru aterizarea roverului Perseverance, orbitele din MRN au avut orbitele ajustate pentru a se asigura că vor fi la locul potrivit la momentul potrivit pentru a captura aterizarea. Dar pentru a economisi combustibil prețios, ei nu puteau face decât mici ajustări ale traiectoriilor lor, așa că procesul de a pune totul la locul potrivit a început cu ani înainte de aterizare.

O modalitate de a face acest proces mai eficient este utilizarea sateliților releu dedicati pentru a înregistra evenimente cheie, cum ar fi aterizările. Când aterizarea InSight a aterizat pe Marte în 2018, a fost însoțită de doi sateliți de mărimea unei serviete numiți MarCO, pentru Mars Cube One, care a acționat ca relee. Acești sateliți mici au urmărit InSight într-un zbor pe Marte, au monitorizat și au transmis date despre aterizare, apoi s-au îndreptat în spațiu. „Am reușit să-i direcționăm acolo unde ne doream să fie, astfel încât să poată face acea înregistrare pentru a capta acea telemetrie a evenimentului critic.” Gladden a spus: „și apoi, după ce evenimentul s-a terminat, s-au întors și și-au îndreptat antenele înapoi spre Pământ și au transmis asta. date."

Utilizarea MarCO-urilor a fost un test al unei capacități viitoare, deoarece sateliții nu mai fuseseră niciodată utilizați astfel. Dar testul a fost un succes. „Au făcut exact ceea ce trebuiau să facă”, a spus Gladden. MarCO-urile erau un articol de unică folosință, deoarece nu aveau suficient combustibil pentru a intra pe orbită. Dar astfel de sateliți mici sunt relativ ieftini și ușor de construit, iar MarCO-urile au demonstrat că aceasta este o modalitate viabilă de a monitoriza anumite evenimente fără a fi nevoie să rearanjeze întreaga rețea Marte.

Comunicații pentru misiuni cu echipaj

Pentru misiunile cu echipaj, comunicațiile regulate sunt și mai importante. Va exista întotdeauna o întârziere de până la 20 de minute în comunicațiile dintre Pământ și Marte din cauza vitezei luminii. Nu există absolut nicio cale de a ocoli asta. Cu toate acestea, putem construi o rețea de comunicații astfel încât oamenii de pe Marte să poată vorbi cu Pământul mai mult de câteva ori pe zi, cu scopul de a avea la dispoziție comunicări cât mai aproape de constantă posibil.

Viitorul Misiunea Mars Ice Mapper „Este un fel de pas în această direcție”, a spus Gladden. „Intenția noastră este să trimitem o mică constelație de nave spațiale care vor fi utilizatori de releu dedicati cu Ice Mapper.” Asta ar fi prima dată când o constelație este folosită pentru comunicațiile cu Marte și ar putea fi elementul de bază al unui releu mai mare reţea.

Un astfel de proiect necesită multă putere pentru a comunica pe distanțe mari dintre planete, dar este complet fezabil din punct de vedere tehnologic.

O rețea de ultimă generație în jurul lui Marte

Când vine vorba de imaginea viitorului nevoilor de comunicații extraplanetare, „încercăm să gândim înainte”, a spus Gladden. „Încercăm să luăm în considerare ce ne-ar trebui în viitor. Mai ales știind că în cele din urmă vrem să trimitem oameni acolo.”

Crearea unei rețele futuriste de comunicații Marte ar putea implica o asemănare mai mare cu ceea ce avem pe planeta noastră, prin adăugarea de mai multe nave spațiale la rețea cu o putere din ce în ce mai mare. „Pe Pământ, ne rezolvăm problema de comunicații trimițând o mulțime de nave spațiale la joasă altitudine care sunt sisteme de mare putere cu rețele solare mari, cu radiouri extrem de complexe care pot face direcția fasciculului”, el a spus. „La Marte, vrem același lucru.”

Există complexități în crearea unei rețele care poate face față întârzierilor mari și în crearea unor standarde de date care pot fi utilizate de toate navele Marte, dar este posibil. O astfel de rețea de comunicații ar putea fi, teoretic, extinsă pentru a face mai mult decât să furnizeze comunicații de la Pământ la Marte și înapoi. Ar putea fi folosit ca sistem de poziționare pentru a ajuta la navigarea pe Marte sau, cu unele modificări ale hardware-ului, ar putea oferi comunicații și pe Marte.

Dar astfel de nave spațiale capabile sunt mari și grele, ceea ce le face dificil de lansat. Și se confruntă cu o altă problemă: spre deosebire de sateliții din jurul Pământului, care sunt protejați de magnetosfera planetei noastre, sateliții care orbitează în jurul lui Marte ar fi bombardați cu radiații. Asta înseamnă că trebuie să fie ecranate, ceea ce necesită mai multă greutate.

Din punct de vedere tehnologic, este posibil să rezolvăm aceste probleme și să înființăm o rețea în jurul lui Marte comparabilă cu cea pe care o avem în jurul Pământului. Cu toate acestea, „cum să ajungeți acolo este o mare provocare”, a spus Gladden, „pentru că cineva trebuie să plătească pentru asta”.

Pregatirea comunicatiilor pentru viitor

Configurarea unei rețele de comunicații Marte este jumătate din puzzle-ul pentru viitoarele comunicații. Cealaltă jumătate pregătește tehnologia pe care o avem aici pe Pământ.

În prezent, DSN este construind mai multe antene astfel încât să poată ține pasul cu numărul tot mai mare de misiuni în spațiul adânc lansate. De asemenea, folosește îmbunătățiri ale software-ului pentru a automatiza mai multe procese din rețea, astfel încât un număr limitat de personal poate supraveghea mai multe misiuni fiecare.

Dar există o altă problemă a lățimii de bandă limitate. Navele spațiale au acum instrumente mai complexe care înregistrează cantități uriașe de date și transmit toate acestea aceste date printr-o conexiune lentă sunt limitative - ca oricine care a fost vreodată blocat cu internetul lent stie.

„De la orice navă spațială anume în viitor, dorim să putem aduce înapoi mai multe date”, a spus Deutsch, directorul adjunct al DSN. „Asta pentru că, pe măsură ce navele spațiale progresează în timp, transportă din ce în ce mai multe instrumente capabile și vor să aducă înapoi din ce în ce mai multe biți pe secundă. Așa că avem provocarea de a ține pasul cu curba asemănătoare cu legea lui Moore.”

Soluția la această problemă este transmiterea la frecvențe înalte. „Dacă creșteți frecvența la care comunicați, se îngustează fasciculul care este transmis de navă spațială și mai mult ajunge acolo unde doriți”, a explicat el. În timp ce misiunile timpurii foloseau 2,5 GHz, navele spațiale s-au mutat recent la aproximativ 8,5 GHz, iar cele mai recente misiuni folosesc 32 GHz.

Frecvențele mai mari pot oferi o îmbunătățire de aproximativ patru în termeni de biți pe secundă, dar nici măcar asta nu va fi suficient pe termen lung. Deci, următorul mare pas în comunicațiile spațiale este utilizarea comunicațiilor optice, cunoscute și sub numele de comunicatii cu laser. Acest lucru aduce multe dintre aceleași avantaje de a merge la o frecvență mai mare, dar comunicațiile optice pot oferi o îmbunătățire cu un factor de 10 față de comunicațiile radio de ultimă generație.

Și vestea bună este că DSN-ul nu va avea nevoie de hardware complet nou pentru a trece la comunicațiile optice. Antenele actuale pot fi modernizate pentru a funcționa cu noua tehnologie, iar antenele nou construite sunt proiectate să funcționeze pe mai multe benzi de frecvență și să fie capabile să recepționeze transmisii optice.

Există unele limitări ale comunicațiilor optice, cum ar fi norii deasupra capului care pot bloca semnalele. Dar chiar și ținând cont de acest lucru, utilizarea comunicațiilor optice va crește considerabil capacitatea generală a rețelei. Iar o soluție pe termen lung la această problemă ar putea implica punerea receptorilor pe orbită în jurul Pământului, unde ar fi deasupra norilor.

Unde mergem de aici?

Problemele comunicării cu o altă planetă sunt profunde și greu de rezolvat. „Fizica este imuabilă”, a spus Gladden. „Este departe, așa că pierzi puterea semnalului. Aceasta este o problemă pe care trebuie să o depășim atunci când ne gândim să încercăm să construim o rețea pentru oameni.”

Dar suntem în pragul unei noi ere în comunicațiile spațiale. În următorul deceniu, vom afla mai multe despre transmiterea și primirea datelor de la viitoarea misiune Artemis pe Lună și despre Mars Ice Mapper și despre nava spațială releu dedicată.

„Va fi neîndemânatic”, avertizează Gladden. „Încercăm doar să înțelegem asta.” El indică dezbaterile internaționale despre utilizarea standardelor și relația în schimbare dintre agențiile spațiale guvernamentale și companiile private. Deciziile luate acum vor determina modul în care explorarea spațiului va progresa în următoarele decenii.

„Va fi atât terifiant, cât și fascinant să vezi ce se întâmplă”, a spus el. „Pe de o parte, există atât de multă incertitudine cu privire la ceea ce se întâmplă. Dar, pe de altă parte, acestea sunt lucruri de înaltă tehnologie. Învățăm și facem lucruri pentru prima dată pe o altă planetă. Asta nu s-a mai făcut niciodată. Asta e uimitor."

Acest articol face parte din Viata pe Marte, o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte

Recomandările editorilor

• O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
• Astropsihologie: Cum să rămâneți sănătoși pe Marte
• Centrale electrice de pe alte planete: Cum vom genera electricitate pe Marte
• Recoltarea hidratării: cum vor crea și colecta apă pe Marte viitorii coloniști
• Astroagricultura: Cum vom crește culturi pe Marte