Ako budú prví ľudia na Marse komunikovať so Zemou

Ak si myslíte, že je ťažké dostať bunku, keď navštívite svojich príbuzných v inom štáte, predstavte si to snažia sa komunikovať s ľuďmi, ktorí sú vzdialení najmenej 40 miliónov míľ a neustále sa pohybujú vzhľadom na vy. To je to, s čím sa budeme musieť vyrovnať, ak plánujeme poslať ľudí na Mars, keď komunikácia nebude len dôležitá – bude životne dôležitá.

Ak chcete zistiť, ako vytvoriť komunikačnú sieť, ktorá pokrýva Mars aj mimo neho, a ako sa modernizujú súčasné systémy, aby splnili výzvu stále narastajúce množstvo údajov, sme hovorili s dvoma odborníkmi, ktorí pracujú na súčasnom komunikačnom systéme NASA – jeden na Zemi a druhý na Marse. strane.

Tento článok je súčasťou

Život na Marse, 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Dosiahnutie dosahu do slnečnej sústavy pomocou siete Deep Space Network

Aby sme mohli komunikovať so súčasnými misiami, ako je vozítko Perseverance na Marse alebo misie Voyager, ktoré smerujú do medzihviezdneho priestoru má NASA po celej planéte vybudovanú sieť antén s názvom Deep Space Network, resp. DSN.

DSN má tri miesta v Kalifornii, Španielsku a Austrálii, ktoré si medzi sebou každý deň odovzdávajú komunikačné povinnosti. Týmto spôsobom je vždy miesto nasmerované v smere, ktorý je potrebný, bez ohľadu na to, ako sa Zem otáča alebo kolíše na svojej osi. Na každom mieste je niekoľko rádiových antén s veľkosťou až 70 metrov, ktoré zachytávajú prenosy z vesmírnych misií a prenášajú údaje kamkoľvek na Zemi.

Medzinárodná spolupráca v oblasti komunikácie

DSN sa používa pre misie NASA, ale existujú aj iné globálne siete používané rôznymi vesmírnymi agentúrami, ako je Európska vesmírna agentúra (ESA). Všetky tieto rôzne siete sa pozoruhodne pokrokovým spôsobom riadia rovnakými medzinárodnými štandardmi pre svoju komunikáciu, takže vesmírne agentúry môžu v prípade potreby vzájomne využívať svoje siete.

„Je to pomerne malá komunita. Existuje len niekoľko krajín, ktoré majú schopnosť poslať kozmickú loď na Mars, ako príklad, “Les Deutsch, zástupca riaditeľa pre Interplanetary Network, ktorá prevádzkuje Deep Space Network, povedal pre Digital Trendy. "Rastie, ale stále je to malé číslo. A patrí sa nám všetkým, keďže ide o malú komunitu veľmi nákladných misií, pokúsiť sa o to spoločne.“

To znamená, že okrem agentúr, s ktorými NASA úzko spolupracuje, ako je ESA, aj agentúry, s ktorými nemá vzťah, ako napríklad čínska vesmírna agentúra, stále dodržiavajú rovnaké štandardy.

„Dokonca aj Čína sa prihlásila k súboru medzinárodných štandardov, ktoré sme v priebehu rokov pomáhali rozvíjať, aby všetky misie do hlbokého vesmíru komunikovali rovnakým spôsobom,“ povedal. „Kozmická loď má podobné rádiové formáty a pozemné stanice majú podobné druhy antén a rozhraní. Takže prostredníctvom týchto dohôd môžeme sledovať navzájom vesmírne lode. Všetky sú skonštruované tak, aby boli interoperabilné."

Rozhovor s Marsom

Takže takto prijímame prenosy na Zemi. Ale ako posielate prenosy z Marsu? Na odosielanie komunikácie na takú veľkú vzdialenosť potrebujete výkonné rádio. A misie, ako sú rovery, musia byť malé a ľahké, takže nie je priestor na pripevnenie veľkej antény.

Na obídenie tohto problému má Mars systém na prenos komunikácie nazývaný Mars Relay Network alebo MRN. Pozostáva z rôznych orbiterov, ktoré momentálne cestujú po planéte a ktoré možno použiť na vyzdvihnutie prenosy z misií na povrchu (ako sú rovery, landery alebo prípadne ľudia) a odovzdať tieto údaje späť Zem. Môžete skutočne vidieť aktuálnu polohu všetkých plavidiel v MRN pomocou túto simuláciu NASA.

Väčšina orbiterov okolo Marsu plní dvojitú povinnosť. Okrem svojich vedeckých operácií fungujú aj ako relé – to je prípad Marsu NASA Kozmická loď Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) a sonda Mars Reconnaissance Orbiter a Mars ESA Expresné. „Väčšina našich misií, ktoré sme vyslali [na Mars], je na obežných dráhach v nízkej nadmorskej výške, takže sú niekde vo výške 300 až 400 kilometrov nad povrchom. A tie sú naozaj skvelé!" Manažér MRN Roy Gladden povedal pre Digital Trends. "Sú to skvelé miesta, pretože je to pekné a blízko a v tomto prostredí môžete prenášať pomerne veľa údajov medzi pristávacím zariadením a orbiterom."

Nie každá misia však môže byť pridaná do prenosovej siete. Ak je orbiter vo veľmi vysokej nadmorskej výške alebo ak má veľmi eliptickú obežnú dráhu, kde je niekedy blízko planéty a inokedy je vzdialenejšia, nemusí byť vhodné byť súčasťou MRN. Misia Hope Spojených arabských emirátov (SAE) je napríklad vo veľmi vysokej nadmorskej výške, takže môže študovať hornú vrstvu atmosféry Marsu. Ale to znamená, že je príliš ďaleko od povrchu, aby bol užitočný ako relé.

Plánované budúce misie na Mars, ako napríklad Mars Ice Mapper NASA alebo Japonská agentúra pre výskum vesmíru (JAXA). misia, bude zahŕňať aj komunikačný hardvér, takže čím viac misií tam pošleme, tým väčšia bude sieť vybudované.

Dôležitosť načasovania

Jednou z výziev prenosu komunikácie z Marsu je skutočnosť, že planéta sa neustále otáča a že sa okolo nej pohybujú všetky orbitálne sondy NASA a ESA. To nie je problém, ak váš rover potrebuje posielať komunikáciu napríklad dvakrát denne – je vysoká pravdepodobnosť, že v určitom bode preletí niekoľko orbiterov nad hlavou. Ale keď potrebujete sledovať konkrétnu udalosť v presnom čase, je to zložitejšie.

Napríklad pristátie roveru na povrchu planéty je najťažšia časť misie, takže NASA chce mať vždy oči na pristátie. Na pristátie roveru Perseverance si orbiteri v MRN upravili svoje obežné dráhy, aby sa zaistilo, že budú na správnom mieste v správnom čase na zachytenie pristátia. Aby však ušetrili drahocenné palivo, mohli urobiť len malé úpravy svojich trajektórií, takže proces dostať všetko na správne miesto sa začal roky pred pristátím.

Jedným zo spôsobov, ako zefektívniť tento proces, je použiť špeciálne reléové satelity na zaznamenávanie kľúčových udalostí, ako sú pristátia. Keď pristávací modul InSight v roku 2018 pristál na Marse, sprevádzali ho dva satelity veľkosti kufríka nazývané MarCO, pre Mars Cube One, ktorý fungoval ako relé. Tieto malé satelity sledovali InSight na prelete okolo Marsu, monitorovali a prenášali údaje o pristátí a potom zamierili do vesmíru. "Dokázali sme ich zacieliť tam, kde sme chceli, aby boli, aby mohli urobiť záznam, aby zachytili telemetriu kritickej udalosti," Gladden povedal: „A potom, keď sa udalosť skončila, otočili sa a nasmerovali svoje antény späť na Zem a odvysielali to údaje.”

Použitie MarCO bolo testom budúcej schopnosti, keďže satelity sa nikdy predtým takto nepoužívali. Ale test bol úspešný. "Urobili presne to, čo mali urobiť," povedal Gladden. MarCO boli tovar na jednorazové použitie, pretože nemali dostatok paliva na vstup na obežnú dráhu. Takéto malé satelity sú však relatívne lacné a ľahko sa stavajú a MarCO demonštrovali, že je to životaschopný spôsob monitorovania konkrétnych udalostí bez toho, aby museli preskupovať celú sieť Marsu.

Komunikácia pre misie s posádkou

Pre misie s posádkou je pravidelná komunikácia ešte dôležitejšia. Kvôli rýchlosti svetla bude komunikácia medzi Zemou a Marsom vždy oneskorená až o 20 minút. Neexistuje absolútne žiadny spôsob, ako to obísť. Môžeme však vybudovať komunikačnú sieť, aby ľudia na Marse mohli hovoriť so Zemou viac ako niekoľkokrát denne, s cieľom mať k dispozícii čo najbližšiu nepretržitú komunikáciu možné.

Nadchádzajúce Misia Mars Ice Mapper "Je to určitý krok týmto smerom," povedal Gladden. "Naším zámerom je vyslať malú konšteláciu kozmických lodí, ktoré budú špecializovanými užívateľmi prenosu s Ice Mapper." Toto by bolo byť prvýkrát, čo sa konštelácia použila na komunikáciu na Marse, a mohla by byť stavebným kameňom väčšieho relé siete.

Takýto projekt vyžaduje veľa energie na komunikáciu na veľké vzdialenosti medzi planétami, ale je to úplne technologicky uskutočniteľné.

Sieť novej generácie okolo Marsu

Pokiaľ ide o predstavu budúcnosti mimoplanetárnych komunikačných potrieb, „snažíme sa myslieť dopredu,“ povedal Gladden. „Snažíme sa zvážiť, čo by sme v budúcnosti potrebovali. Najmä s vedomím, že nakoniec tam chceme poslať ľudí.“

Vytvorenie futuristickej komunikačnej siete na Marse môže zahŕňať jej podobnosť s tým, čo máme na našej planéte, pridaním ďalších kozmických lodí do siete s čoraz väčším výkonom. „Na Zemi riešime náš problém s komunikáciou tak, že vysielame veľa a veľa kozmických lodí v nízkej nadmorskej výške sú vysokovýkonné systémy s veľkými solárnymi panelmi, s veľmi zložitými rádiami, ktoré dokážu riadiť lúč,“ povedal povedal. "Na Marse chceme to isté."

Vytváranie siete, ktorá dokáže zvládnuť veľké oneskorenia, a vytváranie dátových štandardov, ktoré môžu používať všetky plavidlá Marsu, je zložité, ale je to možné. Takáto komunikačná sieť by sa teoreticky mohla rozšíriť tak, aby robila viac, než len zabezpečovala komunikáciu zo Zeme na Mars a späť. Mohol by sa použiť ako systém určovania polohy na pomoc s navigáciou naprieč Marsom alebo s určitými úpravami hardvéru by mohol poskytovať aj komunikáciu naprieč Marsom.

Takéto schopné kozmické lode sú však veľké a ťažké, čo sťažuje ich štart. A čelia ďalšiemu problému: Na rozdiel od satelitov okolo Zeme, ktoré sú chránené magnetosférou našej planéty, satelity na obežnej dráhe okolo Marsu by boli bombardované radiáciou. To znamená, že musia byť tienené, čo si vyžaduje väčšiu váhu.

Technologicky je možné tieto problémy vyriešiť a vytvoriť okolo Marsu sieť porovnateľnú s tou, ktorú máme okolo Zeme. Gladden povedal, že „ako sa tam dostať je veľká výzva, pretože niekto za to musí zaplatiť“.

Príprava komunikácie do budúcnosti

Vytvorenie komunikačnej siete Mars je jednou polovicou hádanky pre budúcu komunikáciu. Druhá polovica pripravuje technológiu, ktorú máme tu na Zemi.

V súčasnosti je DSN budovanie ďalších antén takže môže držať krok s neustále sa zvyšujúcim počtom vypúšťaných misií do hlbokého vesmíru. Využíva tiež vylepšenia softvéru na automatizáciu viacerých sieťových procesov, takže na každú môže dohliadať obmedzený počet zamestnancov.

Ale je tu ďalší problém obmedzenej šírky pásma. Kozmické lode majú teraz zložitejšie prístroje, ktoré zaznamenávajú obrovské množstvo údajov a všetky ich prenášajú tieto údaje pri pomalom pripojení sú obmedzujúce – ako každý, kto niekedy uviazol s pomalým internetom vie.

"Z akejkoľvek konkrétnej kozmickej lode v budúcnosti chceme byť schopní vrátiť viac údajov," povedal Deutsch, zástupca riaditeľa DSN. „Je to preto, že ako vesmírne lode postupujú v čase, nesú stále viac schopnejších nástrojov a chcú vrátiť späť stále viac a viac bitov za sekundu. Takže pred nami je výzva držať krok s krivkou podobnou Moorovmu zákonu."

Riešením tohto problému je vysielanie na vysokých frekvenciách. "Ak zvýšite frekvenciu, na ktorej komunikujete, zúži to lúč, ktorý sa prenáša z kozmickej lode, a viac sa dostane tam, kam chcete," vysvetlil. Zatiaľ čo prvé misie používali 2,5 GHz, kozmické lode sa nedávno posunuli na približne 8,5 GHz a najnovšie misie používajú 32 GHz.

Vyššie frekvencie môžu ponúknuť zlepšenie približne o faktor štyri v bitoch za sekundu, ale ani to nebude z dlhodobého hľadiska stačiť. Takže ďalším veľkým krokom vo vesmírnej komunikácii je použitie optickej komunikácie, známej aj ako laserové komunikácie. To prináša mnoho rovnakých výhod prechodu na vyššiu frekvenciu, ale optická komunikácia môže ponúknuť zlepšenie faktora 10 v porovnaní so súčasnou najmodernejšou rádiovou komunikáciou.

A dobrou správou je, že DSN nebude potrebovať úplne nový hardvér na prechod na optickú komunikáciu. Súčasné antény je možné upgradovať tak, aby fungovali s novou technológiou, a novovybudované antény sú navrhnuté tak, aby fungovali vo viacerých frekvenčných pásmach a boli schopné prijímať optické prenosy.

Existujú určité obmedzenia pre optickú komunikáciu, napríklad oblaky nad hlavou, ktoré môžu blokovať signály. Ale aj keď to dovolíme, použitie optickej komunikácie značne zvýši celkovú schopnosť siete. A dlhodobé riešenie tohto problému by mohlo zahŕňať umiestnenie prijímačov na obežnú dráhu okolo Zeme, kde by boli nad oblakmi.

Kam ideme odtiaľto?

Problémy komunikácie s inou planétou sú hlboké a ťažko riešiteľné. "Fyzika je nemenná," povedal Gladden. „Je to ďaleko, takže strácate silu signálu. To je problém, ktorý musíme prekonať, keď uvažujeme o pokuse vybudovať sieť pre ľudí.“

Ale sme na prahu novej éry vo vesmírnej komunikácii. V nasledujúcom desaťročí sa dozvieme viac o prenose a prijímaní údajov z nadchádzajúcej misie Artemis na Mesiac a Mars Ice Mapper a jeho vyhradenej reléovej kozmickej lode.

"Bude to nemotorné," varuje Gladden. "Len sa to snažíme prísť na to." Poukazuje na medzinárodné diskusie o používaní noriem a meniaci sa vzťah medzi vládnymi vesmírnymi agentúrami a súkromnými spoločnosťami. Rozhodnutia prijaté teraz určia, ako bude prieskum vesmíru napredovať v nasledujúcich desaťročiach.

"Bude to desivé a zároveň fascinujúce vidieť, čo sa stane," povedal. „Na jednej strane je tu toľko neistoty, čo sa deje. Ale na druhej strane ide o high-tech veci. Prvýkrát sa učíme a robíme veci okolo inej planéty. To sa ešte nikdy nerobilo. To je úžasné."

Tento článok je súčasťou Život na Marse, 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Odporúčania redaktorov

• Kozmologické dochádzanie: Zložitá logistika umiestňovania ľudí na Mars
• Astropsychológia: Ako si zachovať zdravý rozum na Marse
• Elektrárne na iných planétach: Ako budeme vyrábať elektrinu na Marse
• Zber hydratácie: Ako budú budúci osadníci vytvárať a zbierať vodu na Marse
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse