Як перші люди на Марсі спілкуватимуться із Землею

Якщо ви думаєте, що отримати мобільний зв’язок, коли ви відвідуєте своїх родичів в іншому штаті, важко, просто уявіть намагаючись спілкуватися з людьми, які знаходяться щонайменше на відстані 40 мільйонів миль і постійно рухаються відносно ви. Саме з цим нам доведеться мати справу, якщо ми плануємо відправити людей на Марс, коли зв’язок буде не просто важливим – він буде життєво важливим.

Щоб дізнатися, як створити комунікаційну мережу, яка охоплює Марс і за його межами, і як поточні системи модернізуються, щоб відповідати викликам постійно зростаючих обсягів даних, ми поговорили з двома експертами, які працюють над поточною системою зв’язку NASA – одним із земної сторони, а іншим із Марса. бік.

Ця стаття є частиною Життя на Марсі, серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс

Досягнення Сонячної системи за допомогою Deep Space Network

Щоб спілкуватися з поточними місіями, такими як марсохід Perseverance на Марсі або місії Voyager, які прямують у міжзоряному просторі НАСА має мережу антен, побудованих по всій планеті, яка називається Deep Space Network, або DSN.

DSN має три об’єкти в Каліфорнії, Іспанії та Австралії, які щодня передають один одному функції зв’язку. Таким чином, завжди є місце, спрямоване в потрібному напрямку, незалежно від того, як Земля обертається чи коливається навколо своєї осі. На кожній ділянці є кілька радіоантен розміром до 70 метрів, які приймають передачі від космічних місій і передають дані туди, куди потрібно на Землі.

Міжнародне співробітництво в галузі зв'язку

DSN використовується для місій NASA, але існують інші глобальні мережі, які використовуються різними космічними агентствами, такими як Європейське космічне агентство (ESA). Надзвичайно дальновидним чином усі ці різні мережі дотримуються однакових міжнародних стандартів зв’язку, тому космічні агентства можуть використовувати мережі одне одного, якщо виникне потреба.

«Це досить невелика громада. Є лише кілька країн, які мають можливість відправити космічні кораблі на Марс, як приклад», – Лес Дойч, заступник директора Міжпланетної мережі, яка керує Deep Space Network, розповів Digital Тенденції. «Це зростає, але це все ще невелика кількість. І це належить нам усім, оскільки це невелика спільнота дуже дорогих місій, спробувати зробити це разом».

Це означає, що на додаток до агентств, з якими NASA тісно співпрацює, як-от ESA, навіть агентства, з якими воно не має стосунків, як-от китайське космічне агентство, дотримуються тих самих стандартів.

«Навіть Китай дотримується низки міжнародних стандартів, які ми допомагали розробити протягом багатьох років, щоб усі місії в глибокому космосі спілкувалися однаково», — сказав він. «Космічні апарати мають схожі радіоформати, а наземні станції мають схожі типи антен та інтерфейсів. Таким чином, ми можемо відстежувати космічні кораблі один одного за допомогою цих угод. Усі вони створені для взаємодії».

Розмова з Марсом

Ось як ми отримуємо передачі на Землі. Але як надсилати передачі з Марса? Щоб передавати повідомлення на таку велику відстань, потрібна потужна радіостанція. А такі місії, як марсоходи, мають бути невеликими й легкими, тому немає місця, щоб прив’язати до них величезну антену.

Щоб уникнути цієї проблеми, на Марсі є система ретрансляції зв’язку, яка називається Mars Relay Network або MRN. Він складається з різних орбітальних апаратів, які зараз подорожують навколо планети і які можна використовувати для підйому передачі від місій на поверхні (наприклад, марсоходів, посадкових апаратів або, зрештою, людей) і передавати ці дані назад земля. Ви можете фактично побачити поточне положення всіх кораблів у MRN за допомогою це моделювання NASA.

Більшість орбітальних кораблів навколо Марса виконують подвійні функції. Окрім наукових операцій, вони також працюють як ретранслятори – це стосується Марса NASA Космічний корабель Atmospheric and Volatile Evolution (MAVEN) і Mars Reconnaissance Orbiter, а також ESA Mars Експрес. «Більшість наших місій, які ми відправили [на Марс], знаходяться на низьких орбітах, тому вони знаходяться десь між 300 і 400 кілометрами над поверхнею. І вони справді чудові!» Менеджер MRN Рой Гладден розповів Digital Trends. «Це чудові місця, тому що це гарно й близько, і ви можете передавати досить багато даних між посадковим засобом і орбітальним апаратом у такому середовищі».

Однак не кожну місію можна додати до мережі ретрансляції. Якщо орбітальний апарат знаходиться на дуже великій висоті або якщо він має дуже еліптичну орбіту, де іноді він близько до планети, а в інших випадках він знаходиться далі, він може бути непридатним для участі в MRN. Наприклад, місія «Надія» Об’єднаних Арабських Еміратів (ОАЕ) знаходиться на дуже великій висоті, тому вона може вивчати верхні шари атмосфери Марса. Але це означає, що він надто далеко від поверхні, щоб бути корисним як реле.

Заплановані майбутні місії на Марс, такі як Mars Ice Mapper НАСА або Японське агентство аерокосмічних досліджень (JAXA). місія, також включатиме комунікаційне обладнання, тож чим більше місій ми туди надішлемо, тим більшою буде мережа побудований.

Важливість часу

Однією з проблем ретрансляції зв’язку з Марса є той факт, що планета завжди обертається, і що всі орбітальні апарати NASA та ESA рухаються навколо неї. Це не проблема, наприклад, якщо вашому марсоходу потрібно надсилати повідомлення двічі на день – висока ймовірність того, що в якийсь момент над головою пролетять кілька орбітальних апаратів. Але коли вам потрібно відстежити конкретну подію в точний час, це стає складнішим.

Наприклад, посадка марсохода на поверхню планети є найскладнішою частиною місії, тому NASA завжди хоче стежити за посадкою. Для приземлення марсохода Perseverance орбітальні апарати в MRN налаштували свої орбіти, щоб гарантувати, що вони будуть у потрібному місці в потрібний час, щоб зафіксувати приземлення. Але щоб заощадити на дорогоцінному паливі, вони могли лише незначно коригувати свої траєкторії, тож процес встановлення всіх потрібних місць розпочався за роки до приземлення.

Один зі способів зробити цей процес ефективнішим — використовувати спеціальні супутники-ретранслятори для запису ключових подій, таких як посадки. Коли посадковий модуль InSight приземлився на Марс у 2018 році, його супроводжували два супутники розміром з портфель під назвою MarCO, для Mars Cube One, які виконували роль реле. Ці невеликі супутники слідували за InSight під час обльоту Марса, відстежували та передавали дані про посадку, а потім вирушили в космос. «Нам вдалося націлити їх туди, де ми хотіли, щоб вони могли зробити цей запис, щоб охопити телеметрію критичної події», Гладден сказав: «І потім, коли подія закінчилася, вони перевернулися і направили свої антени назад на Землю і передали це дані».

Використання MarCOs було випробуванням майбутніх можливостей, оскільки супутники ніколи раніше не використовувалися таким чином. Але тест пройшов успішно. «Вони зробили саме те, що мали намір», — сказав Гладден. MarCOs були предметом одноразового використання, оскільки вони не мали достатньо палива для виходу на орбіту. Але такі невеликі супутники відносно дешеві та прості у створенні, і MarCO продемонстрували, що це життєздатний спосіб стежити за конкретними подіями без необхідності перебудовувати всю мережу Марса.

Зв'язок для місій з екіпажем

Для місій з екіпажем регулярний зв’язок ще важливіший. У зв’язку між Землею та Марсом завжди буде затримка до 20 хвилин через швидкість світла. Це абсолютно неможливо обійти. Однак ми можемо побудувати комунікаційну мережу, щоб люди на Марсі могли спілкуватися із Землею більше ніж кілька разів на день, щоб мати якомога ближче до постійного спілкування можливо.

Майбутнє Місія Mars Ice Mapper «це свого роду крок у цьому напрямку», — сказав Гладден. «Наш намір полягає в тому, щоб відправити невелику групу космічних кораблів, які будуть спеціальними користувачами ретрансляції з Ice Mapper». Це б це вперше сузір’я було використано для зв’язку з Марсом, і воно може стати будівельним блоком більшої ретрансляції мережі.

Такий проект потребує великої потужності для зв’язку між планетами на великих відстанях, але це цілком технологічно здійсненно.

Мережа нового покоління навколо Марса

Коли справа доходить до уявлення про майбутні позапланетні комунікаційні потреби, «ми намагаємося бути передбачливими», — сказав Гладден. «Ми намагаємося розглянути, що нам знадобиться в майбутньому. Особливо знаючи, що врешті-решт ми хочемо відправити туди людей».

Створення футуристичної комунікаційної мережі на Марсі може включати в себе зробити її більш схожою на те, що ми маємо на нашій планеті, додавши до мережі більше космічних кораблів із дедалі більшою потужністю. «На Землі ми вирішуємо нашу проблему зв’язку, надсилаючи багато-багато космічних кораблів на низькій висоті, які – це потужні системи з великими сонячними батареями, з дуже складними радіостанціями, які можуть керувати променем», – сказав він. сказав. «На Марсі ми хочемо того ж».

Існують складності у створенні мережі, яка може впоратися з тривалими затримками, і створення стандартів даних, які можуть використовуватися всіма марсіанськими апаратами, але це можливо. Таку комунікаційну мережу теоретично можна розширити, щоб не просто забезпечувати зв’язок із Землі на Марс і назад. Його можна використовувати як систему позиціонування, щоб допомогти з навігацією по Марсу, або, з деякими модифікаціями в апаратному забезпеченні, також міг би забезпечити зв’язок по Марсу.

Але такі здатні космічні кораблі великі й важкі, що ускладнює їх запуск. І вони стикаються з іншою проблемою: на відміну від супутників навколо Землі, які захищені магнітосферою нашої планети, супутники на орбіті навколо Марса будуть бомбардуватися радіацією. Це означає, що їх потрібно захистити, що вимагає більшої ваги.

Технологічно можна вирішити ці проблеми та створити мережу навколо Марса, порівнянну з тією, яку ми маємо навколо Землі. Проте «як туди потрапити — це велика проблема, — сказав Гладден, — тому що хтось має за це заплатити».

Підготовка комунікацій на майбутнє

Налаштування комунікаційної мережі на Марсі – це половина головоломки майбутніх комунікацій. Інша половина готує технологію, яку ми маємо тут, на Землі.

На даний момент ДСН є будуючи більше антен тому він може йти в ногу з постійно зростаючою кількістю запущених місій у глибокий космос. Він також використовує вдосконалення програмного забезпечення для автоматизації більшої кількості мережевих процесів, тому обмежена кількість співробітників може контролювати більше місій кожна.

Але є ще одна проблема обмеженої пропускної здатності. Космічні кораблі тепер мають складніші інструменти, які записують величезні масиви даних і передають усі ці дані через повільне з’єднання обмежують – як і будь-який, хто коли-небудь стикався з повільним Інтернетом знає.

«З будь-якого конкретного космічного корабля в майбутньому ми хочемо отримати більше даних», — сказав Дойч, заступник директора DSN. «Це тому, що в міру того, як космічні кораблі просуваються в часі, вони несуть все більше і більше потужних інструментів і хочуть повертати все більше і більше бітів на секунду. Тож перед нами стоїть завдання не відставати від цієї подібної до закону кривої Мура».

Рішенням цієї проблеми є передача на високих частотах. «Якщо ви збільшуєте частоту, на якій ви спілкуєтесь, це звужує промінь, який передається від космічного корабля, і більше його потрапляє туди, куди ви хочете», — пояснив він. У той час як ранні місії використовували 2,5 ГГц, космічні апарати нещодавно перейшли на частоту близько 8,5 ГГц, а останні місії використовують 32 ГГц.

Більш високі частоти можуть запропонувати покращення приблизно в чотири рази в бітах на секунду, але навіть цього буде недостатньо в довгостроковій перспективі. Отже, наступним великим кроком у космічному зв’язку є використання оптичного зв’язку, також відомого як лазерний зв'язок. Це дає багато тих же переваг, що й перехід на вищу частоту, але оптичний зв’язок може запропонувати покращення в 10 разів порівняно з сучасним радіозв’язком.

І хороша новина полягає в тому, що DSN не потребуватиме абсолютно нового обладнання для переходу на оптичний зв’язок. Поточні антени можна модернізувати для роботи з новою технологією, а нові антени розроблені для роботи на кількох діапазонах частот і здатні приймати оптичні передачі.

Існують деякі обмеження для оптичного зв’язку, як-от хмари над головою, які можуть блокувати сигнали. Але навіть якщо це врахувати, використання оптичного зв’язку значно збільшить загальну пропускну здатність мережі. І довгострокове вирішення цієї проблеми може включати розміщення приймачів на орбіті навколо Землі, де вони будуть над хмарами.

Куди нам далі йти?

Проблеми зв'язку з іншою планетою глибокі і їх важко вирішити. «Фізика незмінна», — сказав Гладден. «Це далеко, тому ви втрачаєте потужність сигналу. Це проблема, яку ми повинні подолати, коли ми думаємо про спробу побудувати мережу для людей».

Але ми стоїмо на порозі нової ери космічного зв’язку. У наступне десятиліття ми дізнаємося більше про передачу та отримання даних від майбутньої місії Artemis на Місяць, а також Mars Ice Mapper та його спеціального космічного корабля ретранслятора.

«Це буде незграбно», — попереджає Гладден. «Ми просто намагаємося це зрозуміти». Він вказує на міжнародні дебати щодо використання стандартів і зміни відносин між державними космічними агентствами та приватними компаніями. Рішення, прийняті зараз, визначатимуть, як просуватимуться дослідження космосу протягом наступних десятиліть.

«Буде і жахливо, і захоплююче дивитися, що станеться», — сказав він. «З одного боку, є така велика невизначеність щодо того, що відбувається. Але, з іншого боку, це високотехнологічна штука. Ми вперше навчаємось і робимо щось на іншій планеті. Цього ніколи раніше не робили. Це дивовижно."

Ця стаття є частиною Життя на Марсі, серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс

Рекомендації редакції

• Космологічне переміщення: хитра логістика відправлення людей на Марс
• Астропсихологія: як залишатися здоровим на Марсі
• Електростанції на інших планетах: як ми будемо виробляти електроенергію на Марсі
• Збирання гідратації: як майбутні поселенці будуть створювати та збирати воду на Марсі
• Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі