Tydzień temu byliśmy świadkami startu rakiety Atlas V, która wystrzeliła w kierunku Marsa lądownik InSight. W komentarzach pod materiałem o misji, nawiązując do informacji o przyszłym lądowaniu, wypłynął temat komunikacji między planetami, w efekcie czego postanowiłem przyjrzeć się mu dokładniej. I powiem szczerze, że niektóre rzeczy mnie zaskoczyły, ale wszystko po kolei.
NASA Deep Space Network
Zacznę od tego, w jaki sposób komunikacja zorganizowana jest w tym momencie. Jeśli chodzi o misje amerykańskiej agencji kosmicznej NASA, kluczową rolę w komunikacji odgrywa system Deep Space Network (DSN). System tworzony jest przez sieć ogromnych anten naziemnych uzupełnianych przez kilka satelitów. Na Ziemi znajdują się trzy placówki oddalone od siebie o około 120 stopni długości geograficznej; każda z nich ma co najmniej cztery anteny. Takie rozmieszczenie niweluje skutki ruchu obrotowego Ziemi, dzięki czemu możliwe jest zachowanie ciągłości transmisji niezależnie od położenia statku kosmicznego w Układzie Słonecznym. Placówki znajdują się pod Madrytem w Hiszpanii, w Goldstone w Kalifornii, a także pod Canberrą w Australii. Wielokrotnie wychwalałem NASA za podejście do dzielenia się danymi, ale muszę przyznać szczerze, że nie miałem pojęcia o możliwości podglądania pracy systemu. Zresztą, zobaczcie to sami.
Zdjęcie przedstawia aktualny stan sieci DSN. Po prostu. W momencie, kiedy pisałem ten tekst, antena numer 26 komunikowała się z lądownikiem InSight oraz dwoma bliźniaczymi satelitami wysłanymi na Marsa wraz z lądownikiem. Na ekranie wyraźnie widać, która antena jest aktywna, z jakim konkretnie satelitą jest połączona, a nawet, z jaką prędkością przebiega aktualnie transmisja! Tak dokładnych danych często nie zapewniają nawet dostawcy internetu, a tutaj mówimy o komunikacji na odległość nawet kilkuset milionów kilometrów. Ba! DSN kilka razy w tygodniu odbiera sygnały od dwóch sond Voyager, które od 1977 roku nieustannie oddalają się od Ziemi. W tym momencie ich sygnał ma moc około 20 miliardów razy słabszą niż moc zwykłego, ręcznego, cyfrowego zegarka, a mimo to DSN jest w stanie go przechwycić. Nie będzie przesadą stwierdzenie, że jest to największy i najbardziej wrażliwy system telekomunikacji naukowej na całym świecie.
Niemniej imponujące jest centrum kontrolujące całą tę ogromną sieć. Z uwagi na fakt, że przez anteny przelatują niemal nieprzerwane strumienie danych, konieczne było stworzenie systemu automatyzującego ich pracę. W tym momencie całość jest kontrolowana z Centrum Kontroli Misji w Laboratorium Napędu Odrzutowego w Pasadenie, w Kalifornii. To właśnie tam naukowcy przeglądają dane telemetryczne odbierane od wszelakich statków kosmicznych, a także stamtąd wysyłają im kolejne polecenia. Co ciekawe, system sam w sobie brał udział również w eksperymentach. Sprawa jest dość prosta – anomalie w odbieranym sygnale mogą dostarczać różnorakich informacji. Sonda Cassini badała pierścienie Saturna między innymi przez zwyczajne wysyłanie sygnału do DSN w momencie, gdy pierścienie znajdowały się pomiędzy nimi. W ten sam sposób badane mogą być wnętrza planet i księżyców. Za pomocą DSN testowana była również teoria względności, aczkolwiek odbyło się to raczej w ramach zabawy i pokazu możliwości; obecnie raczej niewielu astronomów ma wątpliwości co do poprawności teorii Einsteina.
Szybciej niż prędkość światła… no właśnie
Cały ten system ma jedną, poważną wadę, o ile można to tak nazwać. Mianowicie ogranicza go prędkość fali elektromagnetycznej w próżni, czyli po prostu prędkość światła. Z tego powodu sygnał z Ziemi na Marsa może lecieć od 3 do 22 minut, w zależności od odległości pomiędzy planetami, natomiast dla dalszych obiektów czas ten wydłuża się jeszcze bardziej. Na chwilę obecną nie mamy pojęcia, jak przeskoczyć ten problem, a jeśli nasze założenia fizyki są stuprocentowo poprawne, to tej bariery nie przekroczymy nigdy. Najbliższa nam gwiazda znajduje się ponad cztery lata świetlne od Ziemi – komunikacja radiowa byłaby tutaj kompletnie bezwartościowa. Wyobrażacie sobie czekać cztery lata na usłyszenie krótkiej odpowiedzi? Ja nie.
Dlatego też, póki co, skupmy się na Układzie Słonecznym. Jak wspomniałem, DSN działa w oparciu o komunikację radiową, która, jak wszystko, ma swoje wady i zalety. Wykorzystywanie komunikacji radiowej na długie odległości wymaga sygnału o długich długościach fali (a więc niskich częstotliwościach), co przekłada się między innymi na konieczność wykorzystywania mocniejszych nadajników. Również prędkość takiej transmisji nie jest zbyt duża, względem choćby szerokopasmowego internetu, do którego przyzwyczailiśmy się na Ziemi. Dlatego też NASA pracuje już nad systemem komunikacji laserowej.
Projekt nazywa się Deep Space Optical Communications. Założenia są dość optymistyczne – wykorzystanie komunikacji laserowej zwiększyłoby ilość przesyłanych danych od 10 do nawet 100 razy. W efekcie komunikacja między Ziemią a Marsem byłaby na tyle szybka, że możliwe byłoby transmitowanie na żywo wideo w wysokiej rozdzielczości. Relacja na żywo z życia pierwszej osady? To jeszcze lepsze niż relacja z kamer pokładowych Międzynarodowej Stacji Kosmicznej! Zastosowanie komunikacji laserowej ma jeszcze jedną zaletę – z powodu bardziej skupionej wiązki laser wymaga mniej energii niż szeroka czasza anteny radiowej. Pociąga to za sobą konieczność znacznie, ale to znacznie bardziej precyzyjnego odbiornika i nadajnika, natomiast nie wydaje mi się, żeby takie wyliczenia stanowiły problem dla ludzi, którzy wysyłają satelity do każdego zakątka Układu Słonecznego. Testy na małą skalę (na orbicie ziemi) zostały już przeprowadzone i wypadły pomyślnie, ale prawdziwym sprawdzianem systemu będzie test komunikacji z satelitą umieszczonym na orbicie Księżyca. Później przyjdzie kolei na Marsa, ale to będzie już tylko formalność.
Halo, nie słyszę cię!
Wykorzystywane przez nas metody komunikacji mają jeszcze jedną, dość poważną wadę. Zastanawialiście się, jak wydajna byłaby komunikacja między Ziemią a Marsem, jeśli znajdowałyby się dokładnie po przeciwnych stronach Słońca? Podpowiem – w najlepszym wypadku byłaby kompletnie niewydajna, a najprawdopodobniej emisja wszelkiej maści sygnałów ze Słońca całkowicie zagłuszyłaby jakąkolwiek komunikację między planetami. W odpowiedzi na problem powstał projekt stworzenia satelity przekaźnikowego. Takowy satelita miałby być umieszczony w tak zwanym punkcie Lagrange’a Ziemi oraz Marsa. Tłumacząc na ludzki – punkt Lagrange’a to taki punkt, w którym dany obiekt może pozostawać w spoczynku względem dwóch (lub więcej) innych punktów. W tym przypadku mówimy o umieszczeniu satelity na takiej orbicie, by stale mógł pośredniczyć w komunikacji między Ziemią a Marsem, bez obawy o wpływ Słońca. Wykorzystanie napędu własnego satelity pozwoliłoby na dokładniejsze utrzymanie orbity, natomiast stworzenie systemu z dwóch satelitów uczyniłoby go niemal niezawodnym.
W ten sposób dochodzimy do nieuniknionej przyszłości, czyli do stworzenia całej sieci komunikacyjnej w Układzie Słonecznym. Tu, na Ziemi, zorganizowaliśmy sobie internet w taki sposób, że wszystko jest ze sobą nawzajem kompatybilne. W przypadku misji kosmicznych zazwyczaj tak nie jest, to znaczy każda misja wykorzystuje swój własny system transmisji. Nie jest to bezpodstawne – zastosowanie modelu „ziemskiej komunikacji” mija się z celem. Jak pisałem w artykule o budowie internetu, podstawą jego działania jest decentralizacja. Tymczasem w komunikacji satelita – Ziemia nie mamy żadnych pośredników, nie jest więc wymagany routing.
Mimo to w przyszłości taki model może się już przydać. Już niemal 80 lat temu astronomowie George E. Muller i John E. Taber przedstawiali pomysły rozległej sieci komunikacyjnej, której składowe miałyby znajdować się na orbitach wszystkich planet Układu Słonecznego. Z oczywistych względów projekt nie został zrealizowany do tej pory i prawdopodobnie pozostanie tak jeszcze przez długi czas, aczkolwiek wydaje się, że budowa takiej sieci jest raczej nieunikniona. W przyszłości, kiedy przez Układ Słoneczny będzie podróżowało znacznie więcej wszelkiej maści sond i satelitów, sam DSN nie da rady obsłużyć wszystkiego.
Idea sieci komunikacyjnej ma jeszcze jedno rozwinięcie bazowane na tym, jak urządziliśmy sobie internet. Zdarza Wam się korzystać w telefonie z tetheringu WiFi? Jeśli tak, to na pewno doceniacie możliwość pośredniczenia telefonu między siecią a innymi urządzeniami. A gdyby tak każdą sondę, łazik czy inny lądownik, traktować jako punkt przekaźnikowy? Pociągałoby to za sobą konieczność bardzo przyszłościowego myślenia, ale po części wyeliminowałoby ono potrzebę budowania urządzeń tylko do tego celu. Mówimy tutaj o podejściu na szeroką skalę, natomiast na niewielką takie coś już funkcjonuje. Sonda Mars Reconnaissance Orbiter została wysłana na Marsa przede wszystkim w celu poszukiwania podziemnych złóż wody, badania klimatu oraz wyszukiwania potencjalnych miejsc lądowania przyszłych misji. Przy okazji sonda po części pośredniczy w komunikacji między Ziemią a Marsem; lądowanie misji InSight ma być nadzorowane właśnie przez MRO.
Być ciągle online
Komunikacja w Układzie Słonecznym nieuchronnie będzie zmierzała w kierunku utworzenia międzyplanetarnej sieci komunikacyjnej. W bazie najczęściej zadawanych pytań projektu Mars One znajduje się odpowiedź na kwestię dostępu do internetu dla pierwszych osadników Marsa. Abstrahując od tego, czy projekt w ogóle dojdzie kiedykolwiek do skutku, sama idea marsjańskiej sieci jest całkiem rozsądna; e-maile czy wiadomości tekstowe można będzie wysyłać bez żadnego problemu. Również opóźnienie nie stanowi tutaj aż tak olbrzymiej przeszkody, a dla potencjalnego kolonisty sam fakt, że w każdej chwili mógłby napisać do bliskich parę słów, byłby z pewnością pocieszający. Do tego celu konieczne byłoby utworzenie odpowiedniej infrastruktury dostrojonej do naszego ziemskiego Internetu, ale to wszystko da się zrobić.
Ba! Wraz z lądownikiem InSight na Marsa zostały wysłane dwa bliźniacze satelity CubeSat. Te niewielkie kostki (około 15 na 10 na 5 cali) komunikacyjne wykorzystywane były do tej pory tylko na ziemskiej orbicie i, z uwagi na swoje niewielkie rozmiary, sprawowały się dość dobrze. Wysłanie dwóch takich satelitów na Marsa jest testem, który ma odpowiedzieć na pytanie, czy możliwe jest zastąpienie dużych i drogich satelitów takimi małymi i względnie tanimi kostkami. Bo jeśli tak, to kwestię międzyplanetarnego systemu komunikacyjnego mamy po części rozwiązaną. Póki co musimy jednak czekać do końca listopada, bo właśnie wtedy InSight wraz z bliźniaczymi satelitami ma dotrzeć do Marsa. Wtedy się okaże, czy ten system rzeczywiście ma szansę realnie wzbogacić naszą komunikację.
źródła: nasa, howstuffworks, telegraph
MiniNauka #15: NASA InSight – kolejny lądownik rusza na Marsa
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
