Siguran sam da su mnogi od vas čuli ili čitali o nedavnom Uporno sletanje na Mars, a uskoro Crvenu planetu već čekaju arapski Hope i kineski Tianwen-1. Pitam se kako sve ove sonde prenose podatke svojih istraživanja na Zemlju? Danas će biti riječi o svemirskoj komunikaciji.
Letovi na druge planete oduvek su bili san čovečanstva. Snimljeno je dosta igranih i dokumentarnih filmova na ovu temu, koji gotovo do detalja govore kako se odvija sam proces leta, kako se osjećaju ili će se osjećati članovi posade, šta treba raditi u takvom okruženju.
Nedavno je cijeli svijet s oduševljenjem gledao kako rover Perseverance slijeće na površinu Crvene planete i snima prve slike nakon slijetanja. Već imamo prve fotografije sa rovera koji je, podsjetiću, sletio na Mars 18. februara 2021. godine, kao i prvu fotografiju samog uređaja.
Riječ je o tehničkim fotografijama snimljenim neposredno nakon slijetanja, fotografijama točkova, kao i fotografiji samog rovera prilikom slijetanja, koju su snimile kamere postavljene na raketni modul.
Ali uvijek sam se hvatao kako razmišljam, kako uspijevaju tako brzo da se povežu sa Zemljom i prenesu snimak? Pitao sam se da li je ovo istina ili naučna fantastika? Danas ću pokušati podijeliti svoja razmišljanja o ovoj temi.
Pročitajte također: Šta će upornost i domišljatost učiniti na Marsu?
Koliko je udaljen Mars i šta to znači?
Da vas podsjetim da je Mars, ovisno o godišnjem dobu, udaljen otprilike 55 do 401 milion kilometara od Zemlje. Ovdje sve ovisi o podudarnosti orbita rotacije, uključujući i oko Sunca. A budući da su najbrži oblik komunikacije elektromagnetski valovi, vrijeme koje je potrebno za slanje informacija na Crvenu planetu bit će određeno brzinom svjetlosti. Odnosno, ako želimo da pošaljemo komandu takvom roveru ili sondi, ili primimo podatke, moraćemo malo da sačekamo.
Mašine ne mogu uticati na kašnjenje signala na isti način kao ljudi, tako da kašnjenje može biti i do 60 ms. I za to vrijeme, radio signal će putovati oko 18 kilometara. U slučaju svemirskih vozila negativna strana ovog fenomena je nemogućnost upravljanja njima u realnom vremenu. Ostaje samo prelazak na autonomno djelovanje, a to se odnosi na samu Perseverance i vjerovatno još više na helikopter Ingenuity koji bi svoju 000-dnevnu misiju trebao započeti u narednih nekoliko desetina dana. Odnosno, sa površine Marsa primamo signal sa značajnim kašnjenjem, ali moderni uređaji su ga gotovo minimizirali. Da, lišio nas je mogućnosti upravljanja uređajima sa Zemlje, ali je dao poticaj razvoju još veće automatizacije takvih uređaja.
Pročitajte također: Top 10 činjenica o masivnim crnim rupama otkrivenim 2020
Kako je direktna komunikacija između Zemlje i misija koje rade na Marsu
Siguran sam da ovo pitanje zanima gotovo sve koji prate slične misije. Dakle, za to je stvorena mreža radio-teleskopa pod nazivom Deep Space Network (DSN), koja je dio još veće strukture pod nazivom SCaN (Space Communication and Navigation).
Ovaj centar povezuje sve predajnike i prijemnike na Zemlji koji se koriste za komunikaciju sa svemirskim letjelicama i astronautima u svemiru. DSN je pod kontrolom NASA-ine Laboratorije za mlazni pogon.
Radio teleskopi, od kojih su najveći prečnika do 70 metara, nalaze se u blizini Madrida u Španiji, Canberre u Australiji i Goldstonea u pustinji Mojave u Sjedinjenim Državama. Ovakav raspored na različitim tačkama na površini Zemlje minimizira rizik od prekida komunikacije i omogućava povećanje brzine prijema i prenosa signala.
Zanimljivo je da je Kina, kako bi se osamostalila od drugih mreža, izgradila vlastiti radio teleskop, također veličine oko 70 metara, kojim komunicira sa Tianwen-1. Između ostalih, prve slike planete snimljene su sa ove orbite.
Pročitajte također: Šta nas može spriječiti da koloniziramo Mars?
Postoji ogromna razlika između snage izlaznog i primljenog signala
Pređimo sada na tehničke mogućnosti ovih predajnika. Ima tu i dosta zanimljivih stvari. Tako znamo da predajnici postavljeni na ove antene i usmjereni na svemirske objekte imaju snagu od 20 kW u X-opsegu (frekvencije od 8 do oko 12 GHz) do 400 kW (ali treba imati na umu da je upotreba snage preko 100 kW zahteva podešavanja u zavisnosti od sastava vazduha i upravljanja saobraćajem) u S-opsegu (frekvencije oko 2 do 4 GHz, tj. slično kućnom Wi-Fi ili nekim mobilnim mrežama). Poređenja radi, snaga odašiljača najjačih 5G baznih stanica je 120 vati, ali je obično mnogo manja i snop se formira drugačije nego u slučaju prijenosa na svemirske letjelice.
Prilikom prijema signala, najveće antene DSN mreže mogu uhvatiti snop snage reda 10-18 W. Takvu snagu, na primjer, ima signal sa Voyagera 2. Signali sa Marsa su također otprilike ovog reda, s obzirom na udaljenost i ograničene energetske resurse sondi.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ima dva pojačivača signala od 100 vati za svaki X-opseg, s jednim rezervnim ako jedan od glavnih pokvari. Takođe ima eksperimentalni predajnik koji radi u Ka opsegu (frekvencije u opsegu 26-40 GHz) koji emituje na 35 vati, ali samo za potrebe testiranja.
DSN stranica jasno pokazuje kome ili od koga se podaci trenutno šalju ili primaju. Između ostalog, nakon klika na prečicu koja označava misiju, možemo vidjeti dodatne podatke. Perseverance rover se skraćeno zove M20, a podaci dolaze uglavnom iz MRO.
Pročitajte također: Prostor na vašem računaru: 5 najboljih programa za astronomiju
Što dalje u svemir, to je signal sporiji
DSN takođe komunicira sa drugim sondama, ali znate što su dalje od Zemlje, to je sporija brzina prenosa podataka. Mnogo toga ovisi i o snazi predajnika na datoj svemirskoj letjelici. Voyager 1, najudaljeniji od Zemlje, prenosi podatke brzinom od 160 bps, samo nešto brže od prvih modema iz 1950-ih. Za otvaranje web stranice root-nation.com sa ovim tekstom sa takve udaljenosti, morat ćete čekati više od jednog dana.
Zauzvrat, signal koji sa Zemlje stiže do sonde je mnogo jači, ali antena Voyagera 1 je prečnika samo 3,7 metara, što, naravno, čini prijem signala mnogo slabijim nego da je antena od 70 metara.
Pročitajte također: Solarna sonda Parker pokazala je noćnu stranu Venere
Koliko podataka marsova sonda ili rover prenosi tokom svoje misije?
Misije na Mars obično traju dvije bazne godine plus trajanje produžene misije i mogu trajati više od jedne decenije. Sonde i instrumenti koji obavljaju vizuelna posmatranja zahtevaju najveću propusnost jer su fotografije najmanje megabajti podataka. Signal može sadržavati mnogo više numeričkih podataka koji karakteriziraju druga mjerenja, parametre atmosfere, magnetsko polje, temperaturu itd. Stoga je pravo vrijeme za svemirske sonde. Ne emituju prebrzo, ali to rade uporno godinama.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), koji fotografiše Mars od 2005. godine, već je napravio više od 50 orbita oko planete i više od 000 fotografija koje pokrivaju 90% površine planete (od 000.). Osim toga, emituje emisije i slike sa rovera za Mars. Na primjer, Curiosity je već napravio skoro milion sirovih fotografija (nisu sve pretvorene u slike kojima se divimo). Količina prikupljenih podataka o Zemlji od MRO-a približava se 99 petabajta (procijenjeni podaci na početku 2017.).
Međutim, MRO je misija orijentirana na fotografije i podatke. Poređenja radi, sonda Cassini, koja već nekoliko godina proučava Saturn i njegove mjesece, poslala je samo 635 GB podataka nazad na Zemlju, uključujući 453 fotografija. Zauzvrat, rover Opportunity, koji je putovao oko Marsa 15 godina, poslao je više od 2018 fotografija nazad na Zemlju do 225. godine (ubrzo nakon što smo zauvijek izgubili kontakt s njim).
Količina podataka poslatih na Mars je mnogo manja. Budući da su to uglavnom naredbe i potvrde njihovog izvršenja, ili softverski popravci (koji su najvažniji), za njihovo prenošenje nisu potrebni čak ni vrlo moćni odašiljači.
Pročitajte također: Postalo je poznato kada će Zemljin atmosferski kiseonik ponestati
Kako sonda ili rover "razgovara" sa Zemljom?
Već znamo kako se podaci sa Marsa primaju na Zemlji, ali kako se komunikacija pokreće sa uređaja na Crvenoj planeti? Sonde koje su u orbiti imaju povoljnije uslove za komunikaciju sa Zemljom i slanje velikih količina podataka. Za takvu komunikaciju koristi se najčešće spominjani X-band.Rover Perseverance, kao i Curiosity, za komunikaciju koristi dva predajnika (male i velike snage) koji rade na ovom opsegu.
Uz njihovu pomoć, rover može samostalno "pozvati" kući, ali brzina prijenosa podataka sa moćnog predajnika je maksimalno 800 bps kada signal prima 70-metarska antena, odnosno 160 bps kada je 34-metarska antena. Predajnik male snage je samo posljednje sredstvo jer ima samo 10-bitni kanal za prijenos i 30-bitni kanal za prijem podataka.
Stoga se danas roveri Curiosity i Perserance obično prvo povezuju u UHF opsegu na svoju "baznu stanicu" u orbiti Marsa - sonde koje imaju mnogo veće antene za odašiljanje. Za to se koriste MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey i European Mars Express i TGO (Trace Gas Orbiter). Oni formiraju mrežu pod nazivom MRN (Mars Relay Network).
Prije nego što je uspostavljena takva relejna mreža, svemirske letjelice kao što su Viking 1 i 2 morale su se oslanjati na orbite pratilaca. Za direktnu komunikaciju sa Zemljom korišteni su predajnici od 20 W i S-band, komunikacija se odvijala na frekvenciji od 381 MHz (UHF opseg), slično današnjim roverima.
Pročitajte također: Crew Dragon nije jedini: koji će brodovi ići u svemir u narednim godinama
Koja je maksimalna brzina komunikacije Mars-Zemlja?
Ovdje ima mnogo nijansi. Dakle, Perserance prvo šalje slike i druge podatke u orbitalne sonde na 400 MHz koristeći antenu smještenu na stražnjoj strani rovera, pored ekrana radioizotopnog termoelektričnog generatora. Propusnost komunikacijske linije od površine do orbite Crvene planete je do 2 Mbit/s. Efikasnost veze sa orbitom Marsa zavisi od njegove udaljenosti od Zemlje, a to, kao što znate, uveliko varira.
Maksimalna brzina veze varira od 500 kbps kada je Mars najudaljeniji od Zemlje do više od 3 Mbps kada je Mars najbliži našoj planeti. Obično se koriste 34m DSN antene, oko 8 sati dnevno. To, međutim, ne znači da je prijenos uvijek maksimalnom brzinom koja se može vidjeti iz podataka DSN antena.
Postoji i mogućnost da se uspostavi direktna veza između Zemlje i uređaja koji se nalaze na površini Marsa, zaobilazeći sonde koje se nalaze u orbiti planete. Ali takve veze se mogu uspostaviti samo u hitnim situacijama ili za slanje samo jednostavnih kontrolnih komandi. Takva ograničenja su posljedica činjenice da je širina pojasa signala Marsu sa orbite planete 3-4 puta veća nego kod direktnog prijenosa sa Zemlje na površinu Marsa. Za takvu komunikaciju koriste se antene koje rade u X opsegu, kako na Zemlji tako i na roveru.
Ali postoje i prekidi u komunikaciji, na koje danas ne možemo uticati. Njihov uzrok je Sunce. Samo Sunce može ometati prijenos podataka sa sondi koje prolaze u njegovoj blizini, jer se Crvena planeta s vremena na vrijeme jednostavno sakrije od nas. A pošto još uvek nemamo dobro razvijenu komunikacionu mrežu u Sunčevom sistemu, Marsu je potrebno oko 10 dana da prođe pored solarnog diska svake dve godine. U tom periodu komunikacija sa roverima i sondama potpuno izostaje.
Ponekad nema drugog izlaza, morate naporno raditi i čekati podatke danima ili čak mjesecima
Srećom, u slučaju misija na Mars, naučnici do sada nisu imali ovakvih problema. Ali ako se neko od vas sjeća sonde Galileo iz 1990-ih, zna da je tada bilo velikih problema s kontrolom tla. Odašiljačka antena sonde bila je samo djelimično raspoređena, tako da nije mogla da postigne predviđeni propusni opseg od 134 kbps. Naučnici su morali razviti nove metode kompresije podataka kako ne bi izgubili kontakt sa sondom. Bili su u mogućnosti da povećaju performanse druge antene sa malim pojačanjem sa 8-16 bps (da, bitova u sekundi) na 160 bps, a zatim na oko 1 kbit/s. Bilo je to još vrlo malo, ali se pokazalo da je dovoljno da spasi misiju.
S druge strane, veoma udaljene svemirske letjelice moraju biti opremljene vrlo snažnim odašiljačkim antenama i izvorima energije jer prijenos traje dugo. Od sonde New Horizons, čija predajna antena ima snagu od 12 W, nakon njenog preleta u blizini Plutona, naučnici su mjesecima čekali na kompletan set prenesenih podataka.
Može li se ovaj problem riješiti? Da, moguće je, ali za to moramo izgraditi komunikacijske mreže u cijelom Sunčevom sistemu, ali za to je potrebno mnogo vremena i, naravno, ogromne finansijske infuzije.
Šta možemo očekivati sljedeće?
Siguran sam da nas čeka puno zanimljivih informacija sa površine Marsa i šire. Čovječanstvo je željno pobjeći sa Zemlje i istražiti udaljene planete i druge solarne sisteme. Možda će za nekoliko decenija ovaj moj članak izmamiti osmeh samo školarcima na Marsu ili negde u Alfa Kentauri. Možda će tada čovječanstvo tako lako i jednostavno kao što smo sada od Kijeva do New Yorka odletjeti na druge planete. U jedno sam siguran, nemoguće je zaustaviti želju čovječanstva za istraživanjem svemira!
Također zanimljivo:
