Како ће први људи на Марсу комуницирати са Земљом

Ако мислите да је тешко добити пријем на мобилни када посетите своје рођаке у другој држави, само замислите покушава да комуницира са људима који су удаљени најмање 40 милиона миља и који се стално крећу у односу на ти. То је оно са чиме ћемо морати да се позабавимо ако планирамо да пошаљемо људе на Марс, када комуникација неће бити само важна – она ће бити од виталног значаја.

Да бисте сазнали како да креирате комуникациону мрежу која покрива Марс и шире, и како се тренутни системи унапређују да би одговорили на изазов све веће количине података, разговарали смо са два стручњака који раде на НАСА-ином тренутном комуникационом систему – једним на Земљи и Марсу страна.

Овај чланак је део Живот на Марсу

, серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Посезање у соларни систем помоћу мреже дубоког свемира

Да бисте комуницирали са тренутним мисијама као што су ровер Персеверанце на Марсу или мисије Воиагер које се крећу У међузвезданом свемиру, НАСА има мрежу антена изграђених широм планете под називом Мрежа дубоког свемира, или ДСН.

ДСН има три локације у Калифорнији, Шпанији и Аустралији, које сваки дан међусобно предају дужности комуникације. На тај начин, увек постоји место усмерено у правцу који је потребан, без обзира на то како се Земља ротира или њише око своје осе. На свакој локацији постоји одређени број радио антена величине до 70 метара које преузимају преносе из свемирских мисија и преносе податке камо год треба на Земљи.

Међународна сарадња у области комуникација

ДСН се користи за НАСА мисије, али постоје и друге глобалне мреже које користе различите свемирске агенције као што је Европска свемирска агенција (ЕСА). На изузетно напредан начин, све ове различите мреже прате исте међународне стандарде за своју комуникацију, тако да свемирске агенције могу користити мреже једне друге ако се укаже потреба.

„То је прилично мала заједница. Постоји само неколико нација које имају способност да пошаљу свемирске летелице на Марс, на пример,” Лес Дојч, заменик директора за међупланетарну мрежу, која води мрежу дубоког свемира, рекао је за Дигитал Трендови. „Расте, али је и даље мали број. И пристоји нам свима, пошто је то мала заједница веома скупих мисија, да покушамо да ово урадимо заједно.

То значи да поред агенција са којима НАСА блиско сарађује, попут ЕСА, чак и агенције са којима нема везе, попут кинеске свемирске агенције, и даље прате исте стандарде.

„Чак се и Кина слаже са скупом међународних стандарда које смо годинама помогли да се развије, тако да све мисије дубоког свемира комуницирају на исти начин“, рекао је он. „Свемирска летелица има сличне радио формате, а земаљске станице имају сличне врсте антена и интерфејса. Тако да можемо пратити свемирске летелице једни других кроз ове споразуме. Сви су направљени да буду интероперабилни."

Разговор са Марсом

Дакле, тако примамо преносе на Земљи. Али како шаљете преносе са Марса? Да бисте слали комуникацију на тако велику удаљеност, потребан вам је моћан радио. А мисије попут ровера морају бити мале и лагане, тако да нема места да се за њих причврсти огромна антена.

Да би заобишао овај проблем, Марс има систем за преношење комуникација, назван Марс Релаи Нетворк, или МРН. Састоји се од различитих орбитера који тренутно путују око планете и који се могу користити за преузимање преносе из мисија на површини (попут ровера, лендера или, на крају, људи) и пренети ове податке назад на Земља. Можете да видите тренутну позицију свих летелица у МРН користећи ова НАСА симулација.

Већина орбитера око Марса обавља двоструку дужност. Поред својих научних операција, они такође раде као релеји - то је случај са НАСА-иним Марсом Атмоспхериц анд Волатиле ЕволутионН (МАВЕН) свемирска летелица и Марс Рецоннаиссанце Орбитер, и ЕСА-ин Марс Изразити. „Већина наших мисија које смо послали [на Марс] је на орбитама на малим висинама, тако да су негде између 300 и 400 километара изнад површине. И то су заиста сјајне!” Менаџер МРН-а Рои Гладден рекао је за Дигитал Трендс. „То су сјајна места за бити, јер је лепо и близу, и можете пренети доста података између средства за слетање и орбитера у том окружењу.

Ипак, не може се свака мисија додати у релејну мрежу. Ако је орбитер на веома великој висини, или ако има веома елиптичну орбиту где је понекад близу планете, а понекад и даље, можда није прикладно да буде део МРН. Мисија Хопе Уједињених Арапских Емирата (УАЕ), на пример, налази се на веома великој висини тако да може да проучава горњу атмосферу Марса. Али то значи да је превише удаљен од површине да би био користан као релеј.

Планиране су будуће мисије на Марс, као што је НАСА-ин Марс Ице Маппер или Јапанска агенција за истраживање свемира (ЈАКСА) мисија, укључиће и комуникациони хардвер, тако да што више мисија пошаљемо тамо, то више мрежа може бити изграђена.

Важност тајминга

Један од изазова преношења комуникација са Марса је чињеница да се планета увек ротира и да се све НАСА-ине и ЕСА-ине орбитери крећу око ње. То није проблем ако ваш ровер треба да шаље комуникацију два пута дневно, на пример – велике су шансе да ће неколико орбитера у неком тренутку проћи изнад главе. Али када треба да пратите одређени догађај у тачно одређено време, то постаје теже.

На пример, слетање ровера на површину планете је најтежи део мисије, тако да НАСА увек жели да има очи на слетању. За слетање ровера Персеверанце, орбитери у МРН-у су подесили своје орбите како би се осигурало да ће бити на правом месту у право време за снимање слетања. Али да би уштедели на драгоценом гориву, могли су само да направе мала прилагођавања своје путање, тако да је процес довођења свега на право место почео годинама пре слетања.

Један од начина да се овај процес учини ефикаснијим је коришћење наменских релејних сателита за снимање кључних догађаја попут слетања. Када је ИнСигхт лендер слетео на Марс 2018. године, био је у пратњи два сателита величине актовке под називом МарЦОс, за Марс Цубе Оне, који је деловао као релеји. Ови мали сателити су пратили ИнСигхт током прелета Марса, надгледали и преносили податке о слетању, а затим су се упутили у свемир. „Успели смо да их усмеримо тамо где смо желели да буду како би могли да сниме тај снимак како би снимили телеметрију тог критичног догађаја“, Гладен је рекао, „а онда након што је догађај завршен, окренули су се и усмерили своје антене назад на Земљу и пренели то подаци.”

Употреба МарЦО-а била је тест будуће способности, пошто сателити никада раније нису коришћени на овакав начин. Али тест је био успешан. „Урадили су тачно оно што су намеравали да ураде“, рекао је Гладен. МарЦО су били предмети за једнократну употребу, јер нису имали довољно горива да уђу у орбиту. Али такви мали сателити су релативно јефтини и лаки за изградњу, а МарЦОс је показао да је ово одржив начин за праћење одређених догађаја без потребе за преуређивањем целе Марсове мреже.

Комуникације за мисије са посадом

За мисије са посадом редовна комуникација је још важнија. Увек ће доћи до кашњења до 20 минута у комуникацији између Земље и Марса због брзине светлости. Апсолутно не постоји начин да се то заобиђе. Међутим, можемо да изградимо комуникациону мрежу како би људи на Марсу могли да разговарају са Земљом више од неколико пута дневно, са циљем да буду доступни што ближе сталним комуникацијама могуће.

Предстојеће Марс Ице Маппер мисија „је на неки начин корак у том правцу“, рекао је Гладен. „Наша намера је да пошаљемо малу констелацију свемирских летелица које ће бити наменски корисници релеја са Ице Маппер-ом. Ово би бити први пут да је неко сазвежђе коришћено за комуникацију са Марсом и могло би да буде грађевински блок већег релеја мреже.

Такав пројекат захтева много снаге за комуникацију на великим удаљеностима између планета, али је потпуно технолошки изводљив.

Мрежа нове генерације око Марса

Када је у питању предвиђање будућности потреба ванпланетарних комуникација, „покушавамо да размишљамо унапред“, рекао је Гладен. „Покушавамо да размотримо шта ће нам требати у будућности. Поготово знајући да на крају желимо да пошаљемо људе тамо."

Стварање футуристичке комуникационе мреже на Марсу могло би укључити њено увођење сличније ономе што имамо на нашој планети, додавањем више свемирских летелица у мрежу са све већом снагом. „На Земљи решавамо наш проблем комуникације тако што шаљемо много и много свемирских летелица на малим висинама које су системи велике снаге са великим соларним низовима, са веома сложеним радијима који могу да управљају снопом“, он рекао. "На Марсу желимо исту ствар."

Постоје сложености у стварању мреже која може да се носи са дугим кашњењима и креирању стандарда података које могу да користе све летелице на Марсу, али то је могуће. Таква комуникациона мрежа би се теоретски могла проширити да би учинила више од само пружања комуникација од Земље до Марса и назад. Могао би да се користи као систем за позиционирање који би помогао у навигацији преко Марса или би, уз неке модификације хардвера, могао да обезбеди и комуникацију преко Марса.

Али такве способне свемирске летелице су велике и тешке, што их чини тешким за лансирање. И суочавају се са још једним проблемом: за разлику од сателита око Земље, који су заштићени магнетосфером наше планете, сателити у орбити око Марса би били бомбардовани зрачењем. То значи да треба да буду заштићени, што захтева већу тежину.

Технолошки је могуће решити ове проблеме и поставити мрежу око Марса упоредиву са оном коју имамо око Земље. Међутим, „како доћи тамо је велики изазов“, рекао је Гладен, „јер неко мора да плати за то“.

Припрема комуникација за будућност

Постављање комуникационе мреже на Марсу је половина слагалице за будућу комуникацију. Друга половина припрема технологију коју имамо овде на Земљи.

Тренутно је ДСН изградња више антена тако да може да држи корак са све већим бројем лансираних мисија у дубоком свемиру. Такође користи побољшања у софтверу за аутоматизацију више мрежних процеса, тако да ограничен број особља може да надгледа више мисија.

Али постоји још један проблем ограниченог пропусног опсега. Свемирске летелице сада имају сложеније инструменте који снимају огромне количине података и преносе све ови подаци преко споре везе су ограничавајући - као и свако ко је икада био заглављен са спорим интернетом зна.

„Са било које одређене свемирске летелице у будућности желимо да будемо у могућности да вратимо више података“, рекао је Дојч, заменик директора ДСН-а. „То је зато што како свемирске летелице напредују у времену, оне носе све више и више способних инструмената и желе да врате све више и више битова у секунди. Дакле, имамо изазов да одржимо корак са том Муровом кривом налик на закон."

Решење овог проблема је пренос на високим фреквенцијама. „Ако повећате фреквенцију на којој комуницирате, то сужава сноп који се преноси из свемирске летелице и више тога стиже тамо где желите“, објаснио је он. Док су ране мисије користиле 2,5 ГХз, свемирске летелице су се недавно помериле на око 8,5 ГХз, а најновије мисије користе 32 ГХз.

Више фреквенције могу понудити побољшање од око четири фактора у смислу битова у секунди, али чак ни то неће бити довољно дугорочно. Дакле, следећи велики корак у свемирским комуникацијама је коришћење оптичких комуникација, такође познатих као ласерске комуникације. Ово доноси многе од истих предности одласка на вишу фреквенцију, али оптичке комуникације могу понудити побољшање фактора од 10 у односу на данашње најсавременије радио комуникације.

А добра вест је да ДСН-у неће бити потребан потпуно нови хардвер за прелазак на оптичку комуникацију. Постојеће антене се могу надоградити да раде са новом технологијом, а новоизграђене антене су дизајниране да раде на више фреквентних опсега и да могу да примају оптички пренос.

Постоје нека ограничења за оптичку комуникацију, као што су облаци изнад главе који могу блокирати сигнале. Али чак и ако се то дозволи, употреба оптичких комуникација ће значајно повећати укупну способност мреже. А дугорочно решење овог проблема могло би да укључи стављање пријемника у орбиту око Земље, где би били изнад облака.

Куда идемо одавде?

Проблеми комуникације са другом планетом су дубоки и тешко их је решити. „Физика је непроменљива“, рекао је Гладен. „Далеко је, па губите снагу сигнала. То је проблем који морамо да превазиђемо када размишљамо о покушају да изградимо мрежу за људе."

Али ми смо на прагу нове ере у свемирским комуникацијама. У наредној деценији сазнаћемо више о преношењу и примању података из предстојеће мисије Артемис на Месец, и Марс Ице Маппер и његове наменске летелице.

„Биће неспретно“, упозорава Гладен. "Само покушавамо да схватимо ово." Он указује на међународне дебате о коришћењу стандарда и промени односа између владиних свемирских агенција и приватних компанија. Одлуке донете сада ће одредити како ће истраживање свемира напредовати у наредним деценијама.

„Биће и застрашујуће и фасцинантно видети шта се дешава“, рекао је он. „С једне стране, постоји толико неизвесности о томе шта се дешава. Али с друге стране, ово су ствари високе технологије. Учимо и радимо ствари по први пут на другој планети. То никада раније није урађено. То је невероватно."

Овај чланак је део Живот на Марсу, серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Препоруке уредника

• Космолошко путовање: незгодна логистика постављања људи на Марс
• Астропсихологија: Како остати здрав на Марсу
• Електране на другим планетама: Како ћемо производити електричну енергију на Марсу
• Сакупљање хидратације: Како ће будући досељеници стварати и сакупљати воду на Марсу
• Астропољопривреда: Како ћемо узгајати усеве на Марсу