Kako bodo prvi ljudje na Marsu komunicirali z Zemljo

Če mislite, da je težko dobiti celični sprejem, ko obiščete svoje sorodnike v drugi državi, si samo predstavljajte poskuša komunicirati z ljudmi, ki so oddaljeni vsaj 40 milijonov milj in se nenehno premikajo ti. To je tisto, s čimer se bomo morali soočiti, če nameravamo poslati ljudi na Mars, ko komunikacije ne bodo le pomembne – življenjskega pomena bodo.

Da bi izvedeli, kako ustvariti komunikacijsko omrežje, ki pokriva Mars in širše, in kako se sedanji sistemi nadgrajujejo, da bi se soočili z izzivom vedno večjih količin podatkov, smo se pogovarjali z dvema strokovnjakoma, ki se ukvarjata z Nasinim trenutnim komunikacijskim sistemom – enim na zemeljski strani in enim na Marsu. strani.

Ta članek je del Življenje na Marsu, 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Doseganje sončnega sistema z omrežjem Deep Space Network

Za komunikacijo s trenutnimi misijami, kot je rover Perseverance na Marsu ali misije Voyager, ki so namenjene v medzvezdni prostor ima NASA mrežo anten, zgrajenih po celem planetu, imenovano Deep Space Network ali DSN.

DSN ima tri lokacije v Kaliforniji, Španiji in Avstraliji, ki drug drugemu vsak dan predajajo komunikacijske dolžnosti. Na ta način vedno obstaja mesto, usmerjeno v smer, ki je potrebna, ne glede na to, kako se Zemlja vrti ali niha okoli svoje osi. Na vsakem mestu je več radijskih anten, velikih do 70 metrov, ki sprejemajo oddaje iz vesoljskih misij in posredujejo podatke kamorkoli na Zemlji.

Mednarodno sodelovanje v komunikacijah

DSN se uporablja za misije NASA, vendar obstajajo druga globalna omrežja, ki jih uporabljajo različne vesoljske agencije, kot je Evropska vesoljska agencija (ESA). Na izjemno napreden način vsa ta različna omrežja sledijo istim mednarodnim standardom za svoje komunikacije, tako da lahko vesoljske agencije uporabljajo omrežja druga druge, če se pojavi potreba.

»Gre za precej majhno skupnost. Le nekaj držav je sposobno poslati vesoljska plovila na Mars, na primer,« Les Deutsch, namestnik direktorja za Interplanetary Network, ki vodi Deep Space Network, je povedal za Digital Trendi. »Raste, vendar je še vedno majhna številka. In vsi moramo, saj gre za majhno skupnost zelo dragih misij, da to poskušamo narediti skupaj.«

To pomeni, da poleg agencij, s katerimi NASA tesno sodeluje, kot je ESA, tudi agencije, s katerimi nima nobenega odnosa, kot je kitajska vesoljska agencija, še vedno sledijo istim standardom.

"Celo Kitajska se strinja z nizom mednarodnih standardov, ki smo jih pomagali razviti skozi leta, tako da vse misije v globokem vesolju komunicirajo na enak način," je dejal. »Vesoljska plovila imajo podobne radijske formate in zemeljske postaje imajo podobne vrste anten in vmesnikov. Tako lahko s temi sporazumi sledimo vesoljskim plovilom drug drugega. Vsi so zgrajeni tako, da so interoperabilni.«

Pogovarjam se z Marsom

Tako sprejemamo prenose na Zemlji. Kako pa pošiljate prenose z Marsa? Za pošiljanje sporočil na tako velike razdalje potrebujete močan radio. In misije, kot so roverji, morajo biti majhne in lahke, tako da ni prostora, da bi nanje pritrdili ogromno anteno.

Da bi se izognil tej težavi, ima Mars sistem za posredovanje komunikacij, imenovan Mars Relay Network ali MRN. Sestavljen je iz različnih orbiterjev, ki trenutno potujejo okoli planeta in jih je mogoče uporabiti za pobiranje prenose iz misij na površju (kot so roverji, pristajalci ali, na koncu, ljudje) in posreduje te podatke nazaj Zemlja. Dejansko lahko vidite trenutni položaj vseh plovil v MRN z uporabo ta Nasina simulacija.

Večina orbiterjev okoli Marsa opravlja dvojno nalogo. Poleg svojih znanstvenih operacij delujejo tudi kot releji – tako je pri Nasinem Marsu Vesoljsko plovilo Atmospheric and Volatile EvolutioN (MAVEN) in Mars Reconnaissance Orbiter ter ESA Mars Express. »Večina naših misij, ki smo jih poslali [na Mars], je v nizkih orbitah, tako da so nekje med 300 in 400 kilometri nad površjem. In te so res super!” Vodja MRN Roy Gladden je povedal Digital Trends. "To so odlična mesta, ker je lepo in blizu in lahko prenesete kar nekaj podatkov med pristajalnim sredstvom in orbiterjem v tem okolju."

Vseh nalog pa ni mogoče dodati v relejno omrežje. Če je orbiter na zelo visoki nadmorski višini ali če ima zelo eliptično orbito, kjer je včasih blizu planeta in včasih dlje, morda ne bi bilo primerno biti del MRN. Misija Upanje Združenih arabskih emiratov (ZAE) je na primer na zelo visoki nadmorski višini, tako da lahko preučuje Marsovo zgornjo atmosfero. Toda to pomeni, da je predaleč od površine, da bi bil uporaben kot rele.

Načrtovane prihodnje misije na Mars, kot sta Nasin Mars Ice Mapper ali japonska agencija za raziskovanje vesolja (JAXA). bo vključeval tudi komunikacijsko strojno opremo, tako da več misij pošljemo tja, bolj je lahko omrežje zgrajena.

Pomen časovne razporeditve

Eden od izzivov posredovanja komunikacij z Marsa je dejstvo, da se planet vedno vrti in da se vsi NASA-ini in ESA-ini orbiteri gibljejo okoli njega. To ni problem, če mora vaš rover pošiljati sporočila dvakrat na dan, na primer – velika je verjetnost, da bo na neki točki več orbiterjev letelo nad njim. Ko pa morate slediti določenemu dogodku ob točno določenem času, postane bolj zapleteno.

Na primer, pristanek roverja na površini planeta je najtežji del misije, zato želi NASA vedno spremljati pristanek. Za pristanek roverja Perseverance so orbiterji v MRN prilagodili svoje orbite, da bi zagotovili, da bodo ob pravem času na pravem mestu za zajemanje pristanka. Toda da bi prihranili pri dragocenem gorivu, so lahko naredili le majhne prilagoditve svojih tirnic, tako da se je proces postavljanja vsega na pravo mesto začel leta pred pristankom.

Eden od načinov za večjo učinkovitost tega postopka je uporaba namenskih relejnih satelitov za snemanje ključnih dogodkov, kot so pristanki. Ko je pristajalnik InSight leta 2018 pristal na Marsu, ga je spremljal dva satelita v velikosti aktovke, imenovana MarCO, za Mars Cube One, ki je deloval kot rele. Ti majhni sateliti so sledili InSightu pri preletu Marsa, spremljali in posredovali podatke o pristanku ter se nato odpravili v vesolje. "Lahko smo jih usmerili tja, kjer smo želeli, da so lahko posneli, da bi zajeli telemetrijo kritičnega dogodka," Gladden je dejal, "in ko se je dogodek končal, so se obrnili in svoje antene usmerili nazaj na Zemljo ter oddali to podatki."

Uporaba MarCOs je bila preizkus prihodnjih zmogljivosti, saj sateliti še nikoli niso bili tako uporabljeni. Toda test je bil uspešen. "Naredili so točno to, kar so nameravali storiti," je dejal Gladden. MarCOs so bili predmet za enkratno uporabo, saj niso imeli dovolj goriva za vstop v orbito. Toda takšni majhni sateliti so razmeroma poceni in jih je enostavno zgraditi, MarCOs pa je pokazal, da je to izvedljiv način za spremljanje določenih dogodkov, ne da bi morali preurediti celotno omrežje Mars.

Komunikacije za misije s posadko

Za misije s posadko je redna komunikacija še pomembnejša. Pri komunikaciji med Zemljo in Marsom bo zaradi svetlobne hitrosti vedno do 20 minutna zamuda. Absolutno ni nobene poti okoli tega. Lahko pa zgradimo komunikacijsko omrežje, da bi se ljudje na Marsu lahko pogovarjali z Zemljo več kot nekajkrat na dan, s ciljem imeti na voljo čim bližje stalni komunikaciji mogoče.

Prihajajoči Misija Mars Ice Mapper "je nekakšen korak v to smer," je dejal Gladden. "Naš namen je poslati majhno konstelacijo vesoljskih plovil, ki bodo namenski uporabniki releja z Ice Mapperjem." To bi prvič, da je bila konstelacija uporabljena za komunikacijo z Marsom, in bi lahko bila gradnik večjega releja omrežje.

Takšen projekt zahteva veliko moči za komunikacijo na velikih razdaljah med planeti, vendar je tehnološko povsem izvedljiv.

Omrežje naslednje generacije okoli Marsa

Ko gre za predvidevanje prihodnosti zunajplanetarnih komunikacijskih potreb, "skušamo razmišljati naprej," je dejal Gladden. »Poskušamo razmisliti, kaj bi potrebovali v prihodnosti. Še posebej, ker vemo, da želimo sčasoma tja poslati ljudi.«

Ustvarjanje futurističnega Marsovega komunikacijskega omrežja bi lahko pomenilo, da bi bilo bolj podobno tistemu, kar imamo na našem planetu, z dodajanjem več vesoljskih plovil v omrežje z vse večjo močjo. »Na Zemlji rešujemo naše komunikacijske težave tako, da pošljemo veliko in veliko vesoljskih plovil na nizki nadmorski višini, ki so visokozmogljivi sistemi z velikimi sončnimi nizi, z zelo zapletenimi radijskimi napravami, ki lahko usmerjajo žarek,« je rekel. "Na Marsu želimo isto."

Ustvarjanje omrežja, ki lahko prenese dolge zamude, in ustvarjanje podatkovnih standardov, ki jih lahko uporabljajo vsa plovila Mars, je zapleteno, vendar je mogoče. Takšno komunikacijsko omrežje bi teoretično lahko razširili na več kot le zagotavljanje komunikacij od Zemlje do Marsa in nazaj. Lahko bi se uporabljal kot sistem za določanje položaja za pomoč pri navigaciji po Marsu ali pa bi z nekaterimi spremembami strojne opreme lahko zagotavljal tudi komunikacijo po Marsu.

Toda tako zmogljiva vesoljska plovila so velika in težka, zaradi česar jih je težko izstreliti. In soočajo se z drugo težavo: za razliko od satelitov okoli Zemlje, ki jih ščiti magnetosfera našega planeta, bi bili sateliti v orbiti okoli Marsa obstreljeni s sevanjem. To pomeni, da jih je treba zaščititi, kar zahteva večjo težo.

Tehnološko je mogoče rešiti te probleme in okoli Marsa postaviti mrežo, ki je primerljiva s tisto, ki jo imamo okoli Zemlje. Vendar pa je "kako priti tja velik izziv," je dejal Gladden, "ker mora nekdo plačati za to."

Priprava komunikacij za prihodnost

Vzpostavitev komunikacijskega omrežja Mars je polovica sestavljanke prihodnjih komunikacij. Druga polovica pripravlja tehnologijo, ki jo imamo tukaj na Zemlji.

Trenutno je DSN zgraditi več anten tako da lahko sledi vedno večjemu številu lansiranih misij v globoko vesolje. Uporablja tudi izboljšave v programski opremi za avtomatizacijo več omrežnih procesov, tako da lahko omejeno število osebja nadzira več misij vsake.

Obstaja pa še en problem omejene pasovne širine. Vesoljska plovila imajo zdaj bolj zapletene instrumente, ki beležijo ogromne količine podatkov in jih vse prenašajo ti podatki prek počasne povezave so omejujoči – kot vsi, ki so kdaj imeli težave s počasnim internetom ve.

"Iz katerega koli določenega vesoljskega plovila v prihodnosti želimo pridobiti več podatkov," je dejal Deutsch, namestnik direktorja DSN. »To je zato, ker ko vesoljska plovila napredujejo v času, nosijo vedno bolj zmogljive instrumente in želijo vrniti vse več bitov na sekundo. Torej imamo ta izziv, da sledimo tej krivulji, podobni Moorovemu zakonu.«

Rešitev te težave je oddajanje na visokih frekvencah. "Če povečate frekvenco, na kateri komunicirate, to zoži žarek, ki se prenaša iz vesoljskega plovila, in več ga pride tja, kamor želite," je pojasnil. Medtem ko so zgodnje misije uporabljale 2,5 GHz, so se vesoljska plovila nedavno preselila na približno 8,5 GHz, najnovejše misije pa uporabljajo 32 GHz.

Višje frekvence lahko nudijo izboljšanje za približno štirikrat v smislu bitov na sekundo, vendar tudi to dolgoročno ne bo dovolj. Torej je naslednji velik korak v vesoljskih komunikacijah uporaba optičnih komunikacij, znanih tudi kot laserske komunikacije. To prinaša veliko enakih prednosti prehoda na višjo frekvenco, vendar lahko optične komunikacije ponudijo izboljšanje faktorja 10 v primerjavi z današnjimi najsodobnejšimi radijskimi komunikacijami.

In dobra novica je, da DSN ne bo potreboval povsem nove strojne opreme za prehod na optične komunikacije. Trenutne antene je mogoče nadgraditi za delo z novo tehnologijo, na novo zgrajene antene pa so zasnovane tako, da delujejo na več frekvenčnih pasovih in so sposobne sprejemati optične prenose.

Za optične komunikacije obstajajo nekatere omejitve, na primer oblaki nad glavo, ki lahko blokirajo signale. Toda tudi ob upoštevanju tega bo uporaba optičnih komunikacij znatno povečala splošno zmogljivost omrežja. In dolgoročna rešitev tega vprašanja bi lahko vključevala postavitev sprejemnikov v orbito okoli Zemlje, kjer bi bili nad oblaki.

Kam gremo od tukaj?

Težave komuniciranja z drugim planetom so globoke in težko rešljive. "Fizika je nespremenljiva," je dejal Gladden. »Je daleč stran, zato izgubite moč signala. To je težava, ki jo moramo premagati, ko razmišljamo o poskusu izgradnje mreže za ljudi.«

Vendar smo na pragu nove dobe vesoljskih komunikacij. V naslednjem desetletju bomo izvedeli več o oddajanju in sprejemanju podatkov iz prihajajoče misije Artemis na Luno ter Mars Ice Mapperja in njegovega namenskega vesoljskega plovila za releje.

"Nerodno bo," opozarja Gladden. "Samo poskušamo ugotoviti to." Opozarja na mednarodne razprave o uporabi standardov in spreminjajoče se razmerje med vladnimi vesoljskimi agencijami in zasebnimi podjetji. Zdaj sprejete odločitve bodo določile, kako bo raziskovanje vesolja napredovalo v naslednjih desetletjih.

"Bo hkrati grozljivo in fascinantno videti, kaj se bo zgodilo," je dejal. »Po eni strani je toliko negotovosti glede tega, kaj se dogaja. Toda po drugi strani je to visokotehnološka stvar. Učimo se in počnemo stvari prvič na drugem planetu. To še nikoli ni bilo storjeno. To je neverjetno."

Ta članek je del Življenje na Marsu, 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Astropsihologija: Kako ostati pri zdravi pameti na Marsu
• Elektrarne na drugih planetih: Kako bomo proizvajali elektriko na Marsu
• Pridobivanje hidracije: Kako bodo prihodnji naseljenci ustvarjali in zbirali vodo na Marsu
• Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili pridelke na Marsu