Hur de första människorna på Mars kommer att kommunicera med jorden

Om du tycker att det är jobbigt att få cellmottagning när du besöker dina släktingar i en annan stat, tänk dig bara försöker kommunicera med människor som är minst 40 miljoner mil bort och ständigt rör sig i förhållande till du. Det är vad vi måste ta itu med om vi planerar att skicka människor till Mars, när kommunikation inte bara kommer att vara viktig – de kommer att vara avgörande.

För att ta reda på hur man skapar ett kommunikationsnätverk som täcker Mars och bortom, och hur nuvarande system uppgraderas för att möta utmaningen med ständigt ökande mängder data pratade vi med två experter som arbetar med NASA: s nuvarande kommunikationssystem – en på jordsidan och en på Mars sida.

Denna artikel är en del av

Liv på Mars, en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Nå ut i solsystemet med Deep Space Network

För att kunna kommunicera med aktuella uppdrag som Perseverance-rovern på Mars eller Voyager-uppdragen som är på väg ut i det interstellära rymden har NASA ett nätverk av antenner byggt runt planeten som kallas Deep Space Network, eller DSN.

DSN har tre platser i Kalifornien, Spanien och Australien, som överlåter kommunikationsuppgifter mellan varandra varje dag. På så sätt finns det alltid en plats som pekar i den riktning som behövs, oavsett hur jorden roterar eller vinglar på sin axel. På varje plats finns ett antal radioantenner upp till 70 meter stora som plockar upp sändningar från rymduppdrag och vidarebefordrar data till vart den än behöver gå på jorden.

Internationellt samarbete inom kommunikation

DSN används för NASA-uppdrag, men det finns andra globala nätverk som används av olika rymdorganisationer som European Space Agency (ESA). På ett anmärkningsvärt framåtsträvande sätt följer alla dessa olika nätverk samma internationella standarder för sin kommunikation, så rymdorganisationer kan använda varandras nätverk om behovet uppstår.

– Det är ett ganska litet samhälle. Det finns bara ett fåtal nationer som har förmågan att skicka rymdfarkoster till Mars, som ett exempel,” Les Deutsch, biträdande direktör för Interplanetary Network, som driver Deep Space Network, berättade för Digital Trender. "Det växer, men det är fortfarande ett litet antal. Och det ankommer på oss alla, eftersom det är en liten gemenskap med mycket dyra uppdrag, att försöka göra detta tillsammans.”

Det betyder att förutom byråer som NASA arbetar nära med, som ESA, följer även byråer som den inte har en relation med, som Kinas rymdorganisation, fortfarande samma standarder.

"Till och med Kina ansluter sig till en uppsättning internationella standarder som vi har hjälpt till att utveckla under åren, så att alla rymduppdrag kommunicerar på samma sätt", sa han. "Rymdfarkosten har liknande radioformat och markstationerna har liknande typer av antenner och gränssnitt. Så vi kan spåra varandras rymdfarkoster genom dessa avtal. De är alla byggda för att vara interoperabla."

Pratar med Mars

Så det är så vi tar emot sändningar på jorden. Men hur skickar man sändningar från Mars? För att skicka kommunikation över så långt avstånd behöver du en kraftfull radio. Och uppdrag som rovers måste vara små och lätta, så det finns inte utrymme att fästa en stor antenn på dem.

För att kringgå detta problem har Mars ett system för vidarebefordran av kommunikation, som kallas Mars Relay Network, eller MRN. Den består av olika orbiters som just nu färdas runt planeten och som kan användas för att plocka upp sändningar från uppdrag på ytan (som rovers, landare, eller så småningom människor) och vidarebefordra dessa data till Jorden. Du kan faktiskt se den aktuella positionen för alla farkoster i MRN med hjälp av denna NASA-simulering.

Majoriteten av omloppsbanor runt Mars har dubbelt arbete. Förutom deras vetenskapliga verksamhet fungerar de också som reläer – det är fallet med NASA: s Mars Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) rymdfarkost och Mars Reconnaissance Orbiter och ESA: s Mars Uttrycka. "De flesta av våra uppdrag som vi har skickat [till Mars] är på låghöjdsbanor, så de är någonstans mellan 300 och 400 kilometer över ytan. Och de är verkligen fantastiska!” Det säger MRN-chefen Roy Gladden till Digital Trends. "Det är bra ställen att vara på, eftersom det är trevligt och nära, och du kan överföra en hel del data mellan en landningstillgång och en orbiter i den miljön."

Men inte alla uppdrag kan läggas till relänätverket. Om en omloppsbana befinner sig på mycket hög höjd, eller om den har en mycket elliptisk bana där den ibland är nära planeten och andra gånger den är längre bort kanske det inte är lämpligt att vara en del av MRN. Förenade Arabemiratens (UAE) Hope-uppdrag, till exempel, är på mycket hög höjd så att det kan studera Mars övre atmosfär. Men det betyder att det är för långt bort från ytan för att vara användbart som relä.

Framtida uppdrag till Mars, som NASA: s Mars Ice Mapper eller Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) planerade mission, kommer att inkludera kommunikationshårdvara också, så ju fler uppdrag vi skickar dit, desto mer kan nätverket bli utbyggd.

Vikten av timing

En av utmaningarna med att förmedla kommunikation från Mars är det faktum att planeten alltid roterar och att alla NASA och ESA: s omloppsbanor rör sig runt den. Det är inte ett problem om din rover behöver skicka kommunikation två gånger om dagen, till exempel – chansen är stor att flera orbiters kommer att passera över huvudet någon gång. Men när du behöver spåra en specifik händelse vid en exakt tidpunkt blir det svårare.

Att landa en rover på planetens yta är till exempel den svåraste delen av ett uppdrag, så NASA vill alltid ha ögonen på en landning. För landningen av Perseverance-rovern fick orbitarna i MRN sina banor justerade för att säkerställa att de skulle vara på rätt plats vid rätt tidpunkt för att fånga landningen. Men för att spara på dyrbart bränsle kunde de bara göra små justeringar av sina banor, så processen att få allt på rätt plats började flera år innan landningen inträffade.

Ett sätt att göra denna process mer effektiv är att använda dedikerade reläsatelliter för att spela in viktiga händelser som landningar. När InSight-landaren landade på Mars 2018 åtföljdes den av två satelliter i portföljstorlek som kallas MarCOs, för Mars Cube One, som fungerade som reläer. Dessa små satelliter följde InSight på en förbiflygning av Mars, övervakade och vidarebefordrade data om landningen och begav sig sedan ut i rymden. "Vi kunde rikta dem dit vi ville att de skulle vara så att de kunde göra den inspelningen för att fånga den där kritiska händelsetelemetrin," Gladden sa, "och sedan efter att händelsen var över vände de sig och riktade sina antenner tillbaka mot jorden och sände det data."

Användningen av MarCOs var ett test av en framtida förmåga, eftersom satelliter aldrig hade använts på det här sättet tidigare. Men testet blev en succé. "De gjorde precis vad de var avsedda att göra," sa Gladden. MarCOs var ett engångsföremål, eftersom de inte hade tillräckligt med bränsle för att komma in i omloppsbana. Men så små satelliter är relativt billiga och lätta att bygga, och MarCOs visade att detta är ett gångbart sätt att övervaka specifika händelser utan att behöva ordna om hela Mars-nätverket.

Kommunikation för besättningsuppdrag

För besättningsuppdrag är regelbunden kommunikation ännu viktigare. Det kommer alltid att finnas en fördröjning på upp till 20 minuter i kommunikationen mellan jorden och Mars på grund av ljusets hastighet. Det finns absolut ingen väg runt det. Men vi kan bygga ut ett kommunikationsnätverk så att människor på Mars skulle kunna prata med jorden mer än ett par gånger om dagen, med målet att ha så nära konstant kommunikation tillgänglig som möjlig.

Den kommande Mars Ice Mapper uppdrag "Det är ett slags steg i den riktningen," sa Gladden. "Vår avsikt är att skicka en liten konstellation av rymdfarkoster som kommer att vara dedikerade reläanvändare med Ice Mapper." Detta skulle vara första gången en konstellation har använts för Mars-kommunikation och kan vara byggstenen i ett större relä nätverk.

Ett sådant projekt kräver mycket kraft för att kommunicera över de stora avstånden mellan planeter, men det är helt tekniskt genomförbart.

Ett nästa generations nätverk runt Mars

När det gäller att föreställa sig framtiden för extraplanetära kommunikationsbehov, "försöker vi att tänka framåt", sa Gladden. "Vi försöker fundera på vad vi skulle behöva i framtiden. Speciellt att veta att vi så småningom vill skicka dit folk.”

Att skapa ett futuristiskt Mars-kommunikationsnätverk kan innebära att göra det mer likt det vi har på vår planet, genom att lägga till fler rymdfarkoster till nätverket med allt mer kraft. "På jorden löser vi vårt kommunikationsproblem genom att skicka upp massor av rymdfarkoster på låg höjd som är kraftfulla system med stora solpaneler, med mycket komplexa radioapparater som kan utföra strålstyrning. sa. "På Mars vill vi samma sak."

Det finns komplexitet att skapa ett nätverk som kan hantera långa förseningar, och skapandet av datastandarder som kan användas av alla Mars-farkoster, men det är möjligt. Ett sådant kommunikationsnätverk skulle teoretiskt kunna byggas ut för att göra mer än att bara tillhandahålla kommunikation från jorden till Mars och tillbaka. Det kan användas som ett positioneringssystem för att hjälpa till med navigering över Mars eller, med vissa modifieringar av hårdvaran, också kunna tillhandahålla kommunikation över Mars.

Men sådana kapabla rymdfarkoster är stora och tunga, vilket gör dem svåra att skjuta upp. Och de står inför ett annat problem: Till skillnad från satelliter runt jorden, som skyddas av vår planets magnetosfär, skulle satelliter i omloppsbana runt Mars bombarderas med strålning. Det betyder att de måste skärmas, vilket kräver mer vikt.

Tekniskt sett är det möjligt att lösa dessa problem och att sätta upp ett nätverk runt Mars som är jämförbart med det vi har runt jorden. Men "hur man tar sig dit är en stor utmaning", sa Gladden, "eftersom någon måste betala för det."

Förbereder kommunikation för framtiden

Att sätta upp ett Mars-kommunikationsnätverk är halva pusslet för framtida kommunikation. Den andra hälften förbereder tekniken vi har här på jorden.

För närvarande är DSN bygga fler antenner så att den kan hålla jämna steg med det ständigt ökande antalet djupa rymduppdrag som lanseras. Den använder också förbättringar av programvara för att automatisera fler av nätverksprocesserna, så ett begränsat antal personal kan övervaka fler uppdrag vardera.

Men det finns ett annat problem med begränsad bandbredd. Rymdfarkoster har nu mer komplexa instrument som registrerar enorma mängder data och sänder allt denna data över en långsam anslutning är begränsande – som alla som någonsin har fastnat för långsamt internet vet.

"Från någon speciell rymdfarkost i framtiden vill vi kunna ta tillbaka mer data," sa Deutsch, DSN: s biträdande direktör. "Det beror på att allt eftersom rymdfarkoster går framåt i tiden, bär de på fler och fler kapabla instrument och vill ta tillbaka fler och fler bitar per sekund. Så vi har den utmaningen att hålla jämna steg med Moores lagliknande kurva."

Lösningen på detta problem är att sända vid höga frekvenser. "Om du ökar frekvensen med vilken du kommunicerar, minskar det strålen som sänds från rymdfarkosten och mer av den kommer dit du vill," förklarade han. Medan tidiga uppdrag använde 2,5 GHz, har rymdfarkoster nyligen flyttat till cirka 8,5 GHz, och de allra senaste uppdragen använder 32 GHz.

Högre frekvenser kan erbjuda en förbättring på runt en faktor fyra i form av bitar per sekund, men inte ens det kommer att räcka på lång sikt. Så nästa stora steg i rymdkommunikation är att använda optisk kommunikation, även känd som laserkommunikation. Detta ger många av samma fördelar med att gå till en högre frekvens, men optisk kommunikation kan erbjuda en förbättring med en faktor 10 jämfört med dagens toppmoderna radiokommunikation.

Och den goda nyheten är att DSN inte kommer att behöva helt ny hårdvara för att övergå till optisk kommunikation. Nuvarande antenner kan uppgraderas för att fungera med den nya tekniken, och nybyggda antenner är designade för att fungera på flera frekvensband och kunna ta emot optiska sändningar.

Det finns vissa begränsningar för optisk kommunikation, som moln ovanför som kan blockera signaler. Men även om man tillåter det, kommer användningen av optisk kommunikation att öka nätverkets totala kapacitet avsevärt. Och en långsiktig lösning på detta problem kan innebära att mottagare placeras i omloppsbana runt jorden, där de skulle vara ovanför molnen.

Vart går vi härifrån?

Problemen med att kommunicera med en annan planet är djupa och svåra att lösa. "Fysiken är oföränderlig," sa Gladden. "Det är långt borta, så du tappar signalstyrkan. Det är ett problem som vi måste övervinna när vi tänker på att försöka bygga ett nätverk för människor."

Men vi står på tröskeln till en ny era inom rymdkommunikation. Under det kommande decenniet kommer vi att lära oss mer om att överföra och ta emot data från det kommande Artemis-uppdraget till månen, och Mars Ice Mapper och dess dedikerade reläfarkost.

"Det kommer att bli klumpigt," varnar Gladden. "Vi försöker bara komma på det här." Han pekar på internationella debatter om användningen av standarder, och det förändrade förhållandet mellan statliga rymdorganisationer och privata företag. Beslut som fattas nu kommer att avgöra hur rymdutforskningen kommer att fortskrida under de kommande decennierna.

"Det kommer att bli både skrämmande och fascinerande att se vad som händer," sa han. "Å ena sidan är det så mycket osäkerhet om vad som händer. Men å andra sidan är det här högteknologiska grejer. Vi lär oss och gör saker för första gången runt en annan planet. Det har aldrig gjorts förut. Det är fantastiskt."

Denna artikel är en del av Liv på Mars, en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Astropsykologi: Hur man håller sig frisk på Mars
• Kraftverk på andra planeter: Hur vi genererar elektricitet på Mars
• Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars