Είμαι σίγουρος ότι πολλοί από εσάς έχετε ακούσει ή διαβάσει για το πρόσφατο Επιμονή προσγείωση στον Άρη, και σύντομα ο Κόκκινος Πλανήτης περιμένει ήδη την Arabian Hope και την κινεζική Tianwen-1. Αναρωτιέμαι πώς όλοι αυτοί οι ανιχνευτές μεταδίδουν τα δεδομένα της έρευνάς τους στη Γη; Η διαστημική επικοινωνία θα συζητηθεί σήμερα.
Οι πτήσεις σε άλλους πλανήτες ήταν πάντα ένα όνειρο της ανθρωπότητας. Έχουν γυριστεί πολλές ταινίες μεγάλου μήκους και ντοκιμαντέρ για αυτό το θέμα, που λένε σχεδόν λεπτομερώς πώς γίνεται η ίδια η διαδικασία πτήσης, πώς νιώθουν ή θα νιώσουν τα μέλη του πληρώματος, τι πρέπει να γίνει σε ένα τέτοιο περιβάλλον.
Πρόσφατα, όλος ο κόσμος παρακολούθησε με χαρά καθώς το ρόβερ Perseverance προσγειώθηκε στην επιφάνεια του Κόκκινου Πλανήτη και τράβηξε τις πρώτες φωτογραφίες μετά την προσγείωση. Έχουμε ήδη τις πρώτες φωτογραφίες από το rover, το οποίο, θυμίζω, προσγειώθηκε στον Άρη στις 18 Φεβρουαρίου 2021, καθώς και την πρώτη φωτογραφία της ίδιας της συσκευής.
Πρόκειται για τεχνικές φωτογραφίες που τραβήχτηκαν αμέσως μετά την προσγείωση, φωτογραφίες των τροχών, καθώς και φωτογραφία του ίδιου του rover κατά την προσγείωση, η οποία τραβήχτηκε από κάμερες τοποθετημένες στη μονάδα πυραύλων.
Αλλά πάντα έπιανα τον εαυτό μου να σκέφτεται, πώς καταφέρνουν να συνδεθούν με τη Γη τόσο γρήγορα και να μεταδώσουν το υλικό; Αναρωτήθηκα αν αυτό ήταν αλήθεια ή επιστημονική φαντασία; Σήμερα θα προσπαθήσω να μοιραστώ τις σκέψεις μου για αυτό το θέμα.
Διαβάστε επίσης: Τι θα κάνουν η Επιμονή και η Εφευρετικότητα στον Άρη;
Πόσο μακριά είναι ο Άρης και τι σημαίνει αυτό;
Να θυμίσω ότι ο Άρης, ανάλογα με την εποχή, απέχει περίπου 55 με 401 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τη Γη. Εδώ όλα εξαρτώνται από τη σύμπτωση των τροχιών περιστροφής, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου. Και δεδομένου ότι η ταχύτερη μορφή επικοινωνίας είναι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ο χρόνος που χρειάζεται για την αποστολή πληροφοριών στον Κόκκινο Πλανήτη θα καθοριστεί από την ταχύτητα του φωτός. Δηλαδή, αν θέλουμε να στείλουμε μια εντολή σε ένα τέτοιο rover ή probe, ή να λάβουμε δεδομένα, θα πρέπει να περιμένουμε λίγο.
Τα μηχανήματα δεν μπορούν να επηρεάσουν τις καθυστερήσεις σήματος με τον ίδιο τρόπο που επηρεάζουν οι άνθρωποι, επομένως η καθυστέρηση μπορεί να είναι έως και 60 ms. Και κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το ραδιοσήμα θα διανύσει περίπου 18 χιλιόμετρα. Στην περίπτωση των διαστημικών οχημάτων, η αρνητική πλευρά αυτού του φαινομένου είναι η αδυναμία ελέγχου τους σε πραγματικό χρόνο. Το μόνο που μένει είναι η μετάβαση στην αυτόνομη λειτουργία και αυτό ισχύει για το ίδιο το Perseverance και πιθανώς ακόμη περισσότερο για το ελικόπτερο Ingenuity, το οποίο θα ξεκινήσει την 000ήμερη αποστολή του τις επόμενες δεκάδες μέρες. Δηλαδή, από την επιφάνεια του Άρη λαμβάνουμε ένα σήμα με σημαντική καθυστέρηση, αλλά οι σύγχρονες συσκευές το έχουν σχεδόν ελαχιστοποιήσει. Ναι, μας στέρησε την ευκαιρία να ελέγχουμε συσκευές από τη Γη, αλλά έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη ακόμη μεγαλύτερης αυτοματοποίησης τέτοιων συσκευών.
Διαβάστε επίσης: Τα 10 κορυφαία στοιχεία για τις τεράστιες μαύρες τρύπες που ανακαλύφθηκαν το 2020
Πώς είναι η άμεση επικοινωνία μεταξύ της Γης και των αποστολών που λειτουργούν στον Άρη
Είμαι βέβαιος ότι αυτή η ερώτηση ενδιαφέρει σχεδόν όλους όσους ακολουθούν παρόμοιες αποστολές. Έτσι, για αυτό, δημιουργήθηκε ένα δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων που ονομάζεται Deep Space Network (DSN), το οποίο αποτελεί μέρος μιας ακόμη μεγαλύτερης δομής που ονομάζεται SCaN (Space Communication and Navigation).
Αυτό το κέντρο συνδέει όλους τους πομπούς και τους δέκτες στη Γη που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με διαστημόπλοια και αστροναύτες στο διάστημα. Το DSN ελέγχεται από το Jet Propulsion Laboratory της NASA.
Τα ραδιοτηλεσκόπια, τα μεγαλύτερα από τα οποία έχουν διάμετρο έως και 70 μέτρα, βρίσκονται κοντά στη Μαδρίτη στην Ισπανία, στην Καμπέρα στην Αυστραλία και στο Goldstone στην έρημο Μοχάβε στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτή η διάταξη σε διάφορα σημεία της επιφάνειας της Γης ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο διακοπών επικοινωνίας και καθιστά δυνατή την αύξηση της ταχύτητας λήψης και μετάδοσης σήματος.
Είναι ενδιαφέρον ότι η Κίνα, προκειμένου να ανεξαρτητοποιηθεί από άλλα δίκτυα, κατασκεύασε το δικό της ραδιοτηλεσκόπιο, μεγέθους επίσης περίπου 70 μέτρων, με το οποίο επικοινωνεί με το Tianwen-1. Μεταξύ άλλων, οι πρώτες φωτογραφίες του πλανήτη λήφθηκαν από αυτή την τροχιά.
Διαβάστε επίσης: Τι μπορεί να μας εμποδίσει να αποικίσουμε τον Άρη;
Υπάρχει τεράστια διαφορά μεταξύ της ισχύος σήματος εξόδου και λήψης
Τώρα ας προχωρήσουμε στις τεχνικές δυνατότητες αυτών των πομπών. Υπάρχουν επίσης πολλά ενδιαφέροντα πράγματα εδώ. Γνωρίζουμε λοιπόν ότι οι πομποί που είναι τοποθετημένοι σε αυτές τις κεραίες και στοχεύουν σε διαστημικά αντικείμενα έχουν ισχύ από 20 kW στη ζώνη X (συχνότητες από 8 έως περίπου 12 GHz) έως 400 kW (αλλά θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η χρήση ισχύος άνω των 100 Τα kW απαιτούν προσαρμογές ανάλογα με τη σύνθεση του αέρα και τη διαχείριση της κυκλοφορίας) στη ζώνη S (συχνότητες περίπου 2 έως 4 GHz, δηλαδή παρόμοιες με το οικιακό Wi-Fi ή ορισμένα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας). Συγκριτικά, η ισχύς των ισχυρότερων πομπών σταθμών βάσης 5G είναι 120 Watt, αλλά είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη και η δέσμη σχηματίζεται διαφορετικά από ό,τι στην περίπτωση των εκπομπών σε διαστημόπλοια.
Κατά τη λήψη ενός σήματος, οι μεγαλύτερες κεραίες του δικτύου DSN μπορούν να πιάσουν μια δέσμη με ισχύ της τάξης των 10-18 W. Τέτοια ισχύ, για παράδειγμα, έχει το σήμα από το Voyager 2. Τα σήματα από τον Άρη είναι επίσης περίπου αυτής της τάξης, δεδομένης της απόστασης και των περιορισμένων ενεργειακών πόρων των ανιχνευτών.
Το Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) διαθέτει δύο ενισχυτές σήματος 100 watt για κάθε ζώνη X, με ένα εφεδρικό σε περίπτωση βλάβης ενός από τα κύρια. Διαθέτει επίσης έναν πειραματικό πομπό που λειτουργεί στη ζώνη Ka (συχνότητες στην περιοχή 26-40 GHz) που εκπέμπει στα 35 watt, αλλά μόνο για δοκιμαστικούς σκοπούς.
Σελίδα DSN δείχνει σαφώς σε ποιον ή από ποιον αποστέλλονται ή λαμβάνονται δεδομένα αυτήν τη στιγμή. Μεταξύ άλλων, αφού κάνουμε κλικ στη συντόμευση που υποδεικνύει την αποστολή, μπορούμε να δούμε επιπλέον δεδομένα. Το ρόβερ Perseverance ονομάζεται εν συντομία M20 και τα δεδομένα προέρχονται κυρίως από το MRO.
Διαβάστε επίσης: Χώρος στον υπολογιστή σας: 5 καλύτερα προγράμματα για την αστρονομία
Όσο πιο μακριά στο διάστημα, τόσο πιο αργό είναι το σήμα
Το DSN επικοινωνεί επίσης με άλλους ανιχνευτές, αλλά ξέρετε ότι όσο πιο μακριά βρίσκονται από τη Γη, τόσο πιο αργός είναι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων. Πολλά εξαρτώνται επίσης από την ισχύ του πομπού σε ένα δεδομένο διαστημόπλοιο. Το Voyager 1, το πιο απομακρυσμένο από τη Γη, μεταδίδει δεδομένα με ταχύτητα 160 bps, ελαφρώς μόνο πιο γρήγορα από τα πρώτα μόντεμ της δεκαετίας του 1950. Για να ανοίξετε έναν ιστότοπο root-nation.com με αυτό το κείμενο από τέτοια απόσταση, θα πρέπει να περιμένετε περισσότερο από μια μέρα.
Με τη σειρά του, το σήμα που φτάνει στον ανιχνευτή από τη Γη είναι πολύ ισχυρότερο, αλλά η κεραία του Voyager 1 έχει διάμετρο μόλις 3,7 μέτρα, γεγονός που, φυσικά, κάνει τη λήψη σήματος πολύ πιο αδύναμη από ό,τι αν ήταν μια κεραία 70 μέτρων.
Διαβάστε επίσης: Το Parker Solar Probe έδειξε τη νυχτερινή πλευρά της Αφροδίτης
Πόσα δεδομένα μεταδίδει ένας αρειανός ανιχνευτής ή ρόβερ κατά τη διάρκεια της αποστολής του;
Οι αποστολές στον Άρη χρειάζονται συνήθως δύο έτη βάσης συν τη διάρκεια μιας εκτεταμένης αποστολής και μπορεί να διαρκέσουν περισσότερο από μια δεκαετία. Οι ανιχνευτές και τα όργανα που εκτελούν οπτικές παρατηρήσεις απαιτούν το μεγαλύτερο εύρος ζώνης επειδή οι φωτογραφίες είναι τουλάχιστον megabyte δεδομένων. Το σήμα μπορεί να περιέχει πολύ περισσότερα αριθμητικά δεδομένα που χαρακτηρίζουν άλλες μετρήσεις, παραμέτρους της ατμόσφαιρας, μαγνητικό πεδίο, θερμοκρασία κ.λπ. Επομένως, η κατάλληλη στιγμή είναι υπέρ των διαστημικών ανιχνευτών. Δεν εκπέμπουν πολύ γρήγορα, αλλά το κάνουν επίμονα για χρόνια.
Το Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), το οποίο φωτογραφίζει τον Άρη από το 2005, έχει ήδη τραβήξει περισσότερες από 50 τροχιές γύρω από τον πλανήτη και περισσότερες από 000 φωτογραφίες που καλύπτουν το 90% της επιφάνειας του πλανήτη (από το 000). Επιπλέον, μεταδίδει εκπομπές και εικόνες από ρόβερ του Άρη. Για παράδειγμα, το Curiosity έχει ήδη τραβήξει σχεδόν ένα εκατομμύριο ακατέργαστες φωτογραφίες (δεν έχουν μετατραπεί όλες σε φωτογραφίες που θαυμάζουμε). Ο όγκος των δεδομένων που συλλέγονται στη Γη από το MRO πλησιάζει τα 99 petabyte (εκτιμώμενα δεδομένα στις αρχές του 2017).
Ωστόσο, το MRO είναι μια αποστολή προσανατολισμένη σε φωτογραφίες και δεδομένα. Συγκριτικά, ο ανιχνευτής Cassini, ο οποίος μελετά τον Κρόνο και τα φεγγάρια του για αρκετά χρόνια, έστειλε μόνο 635 GB δεδομένων πίσω στη Γη, τα οποία περιελάμβαναν 453 φωτογραφίες. Με τη σειρά του, το ρόβερ OppoΤο rtunity, το οποίο ταξίδεψε γύρω από τον Άρη για 15 χρόνια, έστειλε περισσότερες από 2018 φωτογραφίες πίσω στη Γη μέχρι το 225 (λίγο αφότου χάσαμε την επαφή μαζί του για πάντα).
Ο όγκος των δεδομένων που αποστέλλονται στον Άρη είναι πολύ μικρότερος. Δεδομένου ότι πρόκειται κυρίως για εντολές και επιβεβαιώσεις της εκτέλεσής τους ή επιδιορθώσεις λογισμικού (που είναι οι πιο σημαντικές), δεν απαιτούν ούτε πολύ ισχυρούς πομπούς για τη μετάδοσή τους.
Διαβάστε επίσης: Έγινε γνωστό πότε θα εξαντληθεί το ατμοσφαιρικό οξυγόνο της Γης
Πώς ένας ανιχνευτής ή ένα ρόβερ «μιλάει» στη Γη;
Γνωρίζουμε ήδη πώς λαμβάνονται τα δεδομένα από τον Άρη στη Γη, αλλά πώς ξεκινά η επικοινωνία από συσκευές στον Κόκκινο Πλανήτη; Οι ανιχνευτές που βρίσκονται σε τροχιά έχουν πιο ευνοϊκές συνθήκες προκειμένου να επικοινωνούν με τη Γη και να στέλνουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων. Για τέτοια επικοινωνία, χρησιμοποιείται η πιο συχνά αναφερόμενη ζώνη X. Το ρόβερ Perseverance, όπως και το Curiosity, χρησιμοποιεί δύο πομπούς (χαμηλής και υψηλής ισχύος) που λειτουργούν σε αυτήν τη ζώνη για επικοινωνία.
Με τη βοήθειά τους, το rover μπορεί ανεξάρτητα να "καλέσει" σπίτι, αλλά ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων από τον ισχυρό πομπό είναι το πολύ 800 bps όταν το σήμα λαμβάνεται από μια κεραία 70 μέτρων ή 160 bps όταν είναι 34 μέτρων κεραία. Ένας πομπός χαμηλής κατανάλωσης είναι μόνο η τελευταία λύση γιατί έχει μόνο ένα κανάλι 10-bit για μετάδοση και ένα κανάλι 30-bit για τη λήψη δεδομένων.
Ως εκ τούτου, σήμερα τα ρόβερ Curiosity και Perserance συνήθως συνδέονται πρώτα στην περιοχή UHF με τον «σταθμό βάσης» τους στην τροχιά του Άρη - ανιχνευτές που έχουν πολύ μεγαλύτερες κεραίες εκπομπής. Για αυτό χρησιμοποιούνται τα MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey και European Mars Express και TGO (Trace Gas Orbiter). Σχηματίζουν ένα δίκτυο που ονομάζεται MRN (Mars Relay Network).
Προτού δημιουργηθεί ένα τέτοιο δίκτυο αναμετάδοσης, τα διαστημόπλοια όπως τα Viking 1 και 2 έπρεπε να βασίζονται σε τροχιές συνοδών. Για την άμεση επικοινωνία με τη Γη χρησιμοποιήθηκαν πομποί 20 W και S-band, η επικοινωνία πραγματοποιήθηκε σε συχνότητα 381 MHz (ζώνη UHF), παρόμοια με τα σημερινά rover.
Διαβάστε επίσης: Το Crew Dragon δεν είναι το μόνο: ποια πλοία θα πάνε στο διάστημα τα επόμενα χρόνια
Ποια είναι η μέγιστη ταχύτητα επικοινωνίας Άρη-Γης;
Υπάρχουν πολλές αποχρώσεις εδώ. Έτσι, η Perserance στέλνει πρώτα εικόνες και άλλα δεδομένα στους ανιχνευτές που βρίσκονται σε τροχιά στα 400 MHz χρησιμοποιώντας μια κεραία που βρίσκεται στο πίσω μέρος του ρόβερ, δίπλα στην οθόνη της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας ραδιοϊσοτόπων. Το εύρος ζώνης της γραμμής επικοινωνίας από την επιφάνεια μέχρι την τροχιά του Κόκκινου Πλανήτη είναι έως 2 Mbit/s. Η αποτελεσματικότητα της σύνδεσης με την τροχιά του Άρη εξαρτάται από την απόστασή του από τη Γη, και αυτό, όπως γνωρίζετε, ποικίλλει πολύ.
Η μέγιστη ταχύτητα σύνδεσης κυμαίνεται από 500 kbps όταν ο Άρης είναι πιο μακριά από τη Γη έως πάνω από 3 Mbps όταν ο Άρης είναι πιο κοντά στον πλανήτη μας. Συνήθως χρησιμοποιούνται κεραίες DSN 34m, για περίπου 8 ώρες την ημέρα. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι η μετάδοση είναι πάντα στη μέγιστη ταχύτητα που φαίνεται από τα δεδομένα των κεραιών DSN.
Υπάρχει επίσης μια ευκαιρία να δημιουργηθεί μια άμεση σύνδεση μεταξύ της Γης και των συσκευών που βρίσκονται στην επιφάνεια του Άρη, παρακάμπτοντας τους ανιχνευτές που βρίσκονται στην τροχιά του πλανήτη. Αλλά τέτοιες συνδέσεις μπορούν να γίνουν μόνο σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης ή για αποστολή απλών εντολών ελέγχου. Τέτοιοι περιορισμοί οφείλονται στο γεγονός ότι το εύρος ζώνης του σήματος προς τον Άρη από την τροχιά του πλανήτη είναι 3-4 φορές μεγαλύτερο από ό,τι με την άμεση μετάδοση από τη Γη στην επιφάνεια του Άρη. Οι κεραίες που λειτουργούν στη ζώνη Χ χρησιμοποιούνται για τέτοια επικοινωνία, τόσο στη Γη όσο και στο ρόβερ.
Υπάρχουν όμως και διακοπές στην επικοινωνία, τις οποίες δεν μπορούμε να επηρεάσουμε σήμερα. Η αιτία τους είναι ο Ήλιος. Ο ίδιος ο Ήλιος μπορεί να παρεμβαίνει στη μετάδοση δεδομένων από ανιχνευτές που περνούν κοντά του, επειδή ο Κόκκινος Πλανήτης απλώς κρύβεται από εμάς κατά καιρούς. Και δεδομένου ότι δεν έχουμε ακόμη ένα καλά ανεπτυγμένο δίκτυο επικοινωνίας στο ηλιακό σύστημα, ο Άρης χρειάζεται περίπου 10 ημέρες για να γλιστρήσει δίπλα από τον ηλιακό δίσκο κάθε δύο χρόνια. Είναι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου που η επικοινωνία με ρόβερ και ανιχνευτές απουσιάζει εντελώς.
Μερικές φορές δεν υπάρχει άλλη διέξοδος, πρέπει να δουλέψεις σκληρά και να περιμένεις δεδομένα για μέρες ή και μήνες
Ευτυχώς, στην περίπτωση των αποστολών στον Άρη, οι επιστήμονες δεν είχαν τέτοια προβλήματα μέχρι στιγμής. Αλλά αν κάποιος από εσάς θυμάται τον ανιχνευτή Galileo της δεκαετίας του 1990, ξέρετε ότι τότε υπήρχαν μεγάλα προβλήματα με τον έλεγχο εδάφους. Η κεραία εκπομπής του καθετήρα αναπτύχθηκε μόνο εν μέρει, επομένως δεν μπόρεσε να επιτύχει το επιδιωκόμενο εύρος ζώνης των 134 kbps. Οι επιστήμονες έπρεπε να αναπτύξουν νέες μεθόδους συμπίεσης δεδομένων για να μην χάσουν την επαφή με τον ανιχνευτή. Κατάφεραν να αυξήσουν την απόδοση της δεύτερης κεραίας χαμηλής απολαβής από 8-16 bps (ναι, bit ανά δευτερόλεπτο) σε 160 bps και στη συνέχεια σε περίπου 1 kbit/s. Ήταν ακόμα πολύ λίγο, αλλά αποδείχτηκε αρκετό για να σώσει την αποστολή.
Από την άλλη πλευρά, τα πολύ μακρινά διαστημόπλοια πρέπει να είναι εξοπλισμένα με πολύ ισχυρές κεραίες εκπομπής και πηγές ενέργειας γιατί η μετάδοση διαρκεί πολύ. Από τον ανιχνευτή New Horizons, του οποίου η κεραία εκπομπής έχει ισχύ 12 W, μετά την πτήση του κοντά στον Πλούτωνα, οι επιστήμονες περίμεναν για μήνες για ένα πλήρες σύνολο μεταδιδόμενων δεδομένων.
Μπορεί να λυθεί αυτό το πρόβλημα; Ναι, είναι δυνατό, αλλά για αυτό πρέπει να δημιουργήσουμε δίκτυα επικοινωνίας σε όλο το ηλιακό σύστημα, αλλά αυτό απαιτεί πολύ χρόνο και, φυσικά, τεράστιες οικονομικές εισροές.
Τι να περιμένουμε στη συνέχεια;
Είμαι σίγουρος ότι μας περιμένουν πολλές ενδιαφέρουσες πληροφορίες από την επιφάνεια του Άρη και όχι μόνο. Η ανθρωπότητα είναι πρόθυμη να ξεφύγει από τη Γη και να εξερευνήσει μακρινούς πλανήτες και άλλα ηλιακά συστήματα. Ίσως, σε μερικές δεκαετίες, αυτό το άρθρο μου θα κάνει μόνο να χαμογελάσουν οι μαθητές στον Άρη ή κάπου στον Άλφα Κενταύρου. Ίσως τότε η ανθρωπότητα να πετάξει σε άλλους πλανήτες τόσο εύκολα και απλά όσο είμαστε τώρα από το Κίεβο στη Νέα Υόρκη. Είμαι σίγουρος για ένα πράγμα, είναι αδύνατο να σταματήσει η επιθυμία της ανθρωπότητας να εξερευνήσει το διάστημα!
Επίσης ενδιαφέρον: