Jeg er sikker på, at mange af jer har hørt eller læst om den seneste Vedholdenhed lander på Mars, og snart venter den røde planet allerede på det arabiske håb og det kinesiske Tianwen-1. Jeg spekulerer på, hvordan alle disse sonder transmitterer data fra deres forskning til Jorden? Rumkommunikation vil blive diskuteret i dag.
Flyrejser til andre planeter har altid været en drøm for menneskeheden. Der er optaget en masse spillefilm og dokumentarfilm om dette emne, som næsten i detaljer fortæller, hvordan selve flyveprocessen foregår, hvordan besætningsmedlemmerne har det eller vil have det, hvad der skal gøres i sådan et miljø.
For nylig så hele verden med glæde på, da Perseverance-roveren landede på overfladen af den røde planet og tog de første billeder efter landing. Vi har allerede de første billeder fra roveren, som, jeg vil minde dig om, landede på Mars den 18. februar 2021, samt det første billede af selve enheden.
Det er tekniske billeder taget umiddelbart efter landing, billeder af hjulene, samt et foto af selve roveren under landing, som er taget af kameraer monteret på raketmodulet.
Men jeg har altid fanget mig selv i at tænke, hvordan formår de at oprette forbindelse til Jorden så hurtigt og overføre optagelserne? Jeg spekulerede på, om dette var sandt eller science fiction? I dag vil jeg prøve at dele mine tanker om dette emne.
Læs også: Hvad vil udholdenhed og opfindsomhed gøre på Mars?
Hvor langt er Mars, og hvad betyder det?
Lad mig minde dig om, at Mars, afhængig af årstiden, er cirka 55 til 401 millioner kilometer fra Jorden. Her afhænger alt af sammenfaldet af rotationsbanerne, herunder omkring Solen. Og da den hurtigste form for kommunikation er elektromagnetiske bølger, vil tiden det tager at sende information til den røde planet blive bestemt af lysets hastighed. Det vil sige, at hvis vi vil sende en kommando til sådan en rover eller sonde, eller modtage data, må vi vente lidt.
Maskiner kan ikke påvirke signalforsinkelser på samme måde som mennesker kan, så forsinkelsen kan være op til 60 ms. Og i løbet af denne tid vil radiosignalet rejse omkring 18 kilometer. I tilfælde af rumfartøjer er den negative side af dette fænomen umuligheden af at kontrollere dem i realtid. Det eneste, der er tilbage, er overgangen til autonom drift, og det gælder selve Perseverance og formentlig endnu mere for Ingenuity-helikopteren, der skulle begynde sin 000-dages mission i løbet af de næste par dusin dage. Det vil sige, fra overfladen af Mars modtager vi et signal med en betydelig forsinkelse, men moderne enheder har næsten minimeret det. Ja, det fratog os muligheden for at styre enheder fra Jorden, men det gav en impuls til udviklingen af endnu større automatisering af sådanne enheder.
Læs også: Top 10 fakta om massive sorte huller opdaget i 2020
Hvordan er direkte kommunikation mellem Jorden og missionerne, der opererer på Mars
Jeg er sikker på, at dette spørgsmål er af interesse for næsten alle, der følger lignende missioner. Så til dette blev der skabt et netværk af radioteleskoper kaldet Deep Space Network (DSN), som er en del af en endnu større struktur kaldet SCaN (Space Communication and Navigation).
Dette center forbinder alle sendere og modtagere på Jorden, der bruges til at kommunikere med rumfartøjer og astronauter i rummet. DSN kontrolleres af NASAs Jet Propulsion Laboratory.
Radioteleskoper, hvoraf de største er op til 70 meter i diameter, er placeret nær Madrid i Spanien, Canberra i Australien og Goldstone i Mojave-ørkenen i USA. Dette arrangement på forskellige punkter på jordens overflade minimerer risikoen for kommunikationsafbrydelser og gør det muligt at øge hastigheden af signalmodtagelse og -transmission.
Det er interessant, at Kina for at blive uafhængig af andre netværk byggede sit eget radioteleskop, også omkring 70 m stort, som det kommunikerer med Tianwen-1 med. Blandt andet blev de første billeder af planeten taget fra denne bane.
Læs også: Hvad kan forhindre os i at kolonisere Mars?
Der er en enorm forskel mellem output og modtaget signaleffekt
Lad os nu gå videre til de tekniske muligheder for disse sendere. Der er også mange interessante ting her. Så vi ved, at senderne monteret på disse antenner og rettet mod rumobjekter har effekt fra 20 kW i X-båndet (frekvenser fra 8 til ca. 12 GHz) til 400 kW (men det skal huskes, at brugen af strøm over 100 kW kræver justeringer afhængigt af luftsammensætning og trafikstyring) i S-båndet (frekvenser omkring 2 til 4 GHz, dvs. svarer til hjemmets Wi-Fi eller nogle mobilnetværk). Til sammenligning er effekten af de stærkeste 5G-basestationssendere 120 watt, men den er normalt meget lavere, og strålen dannes anderledes end i tilfælde af transmissioner til rumfartøjer.
Når de modtager et signal, er de største antenner i DSN-netværket i stand til at fange en stråle med en effekt i størrelsesordenen 10-18 W. En sådan strøm har for eksempel signalet fra Voyager 2. Signaler fra Mars er også omtrent af denne størrelsesorden, givet probernes afstand og begrænsede energiressourcer.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) har to 100-watt signalforstærkere for hvert X-bånd, med en backup, hvis en af de vigtigste fejler. Den har også en eksperimentel sender, der fungerer i Ka-båndet (frekvenser i intervallet 26-40 GHz), der sender med 35 watt, men kun til testformål.
DSN side viser tydeligt, hvem eller fra hvem der i øjeblikket sendes eller modtages data. Blandt andet efter at have klikket på genvejen, der angiver missionen, kan vi se yderligere data. Perseverance-roveren kaldes for kort M20, og dataene kommer hovedsageligt fra MRO.
Læs også: Plads på din computer: 5 bedste programmer til astronomi
Jo længere ud i rummet, jo langsommere er signalet
DSN kommunikerer også med andre sonder, men du ved, jo længere de er fra Jorden, jo langsommere er datahastigheden. Meget afhænger også af senderens effekt på et givet rumfartøj. Voyager 1, der er længst væk fra Jorden, transmitterer data med 160 bps, kun lidt hurtigere end de første modemer i 1950'erne. For at åbne en hjemmeside root-nation.com med denne tekst fra sådan en afstand, bliver du nødt til at vente mere end en dag.
Til gengæld er signalet, der når sonden fra Jorden, meget stærkere, men Voyager 1's antenne er kun 3,7 meter i diameter, hvilket selvfølgelig gør signalmodtagelsen meget svagere, end hvis det var en 70 meter lang antenne.
Læs også: Parker Solar Probe viste natsiden af Venus
Hvor mange data transmitterer en Mars-sonde eller rover under sin mission?
Mars-missioner tager typisk to basisår plus varigheden af en forlænget mission og kan vare mere end et årti. Prober og instrumenter, der udfører visuelle observationer, kræver mest båndbredde, fordi fotografier er mindst megabyte data. Signalet kan indeholde meget mere numeriske data, der karakteriserer andre målinger, atmosfærens parametre, magnetfelt, temperatur osv. Derfor er tiden inde til fordel for rumsonder. De sender ikke for hurtigt, men de gør det vedholdende i årevis.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), som har fotograferet Mars siden 2005, har allerede taget mere end 50 kredsløb om planeten og mere end 000 billeder, der dækker 90% af planetens overflade (fra 000). Derudover transmitterer den udsendelser og billeder fra Mars-rovere. For eksempel har Curiosity allerede taget næsten en million rå billeder (ikke alle er blevet til billeder, som vi beundrer). Mængden af indsamlede data på Jorden fra MRO nærmer sig 99 petabyte (estimerede data fra begyndelsen af 2017).
MRO er dog en foto- og dataorienteret mission. Til sammenligning sendte Cassini-sonden, som har studeret Saturn og dens måner i flere år, blot 635 GB data tilbage til Jorden, som omfattede 453 billeder. Til gengæld roveren Opportunity, som rejste rundt på Mars i 15 år, sendte mere end 2018 billeder tilbage til Jorden i 225 (kort efter at vi mistede kontakten med den for altid).
Mængden af data sendt til Mars er meget mindre. Da disse hovedsageligt er kommandoer og bekræftelser på deres udførelse, eller softwarerettelser (som er de vigtigste), kræver de ikke engang meget kraftige sendere for at sende dem.
Læs også: Det blev kendt, hvornår Jordens atmosfæriske ilt vil løbe tør
Hvordan "taler" en sonde eller rover til Jorden?
Vi ved allerede, hvordan data fra Mars modtages på Jorden, men hvordan initieres kommunikation fra enheder på den røde planet? Sonder, der er i kredsløb, har mere gunstige forhold for at kunne kommunikere med Jorden og sende store mængder data. Til sådan kommunikation bruges det oftest nævnte X-bånd Perseverance roveren bruger ligesom Curiosity to sendere (lav og høj effekt), der opererer på dette bånd til kommunikation.
Med deres hjælp kan roveren selvstændigt "kalde" hjem, men dataoverførselshastigheden fra den kraftige sender er maksimalt 800 bps, når signalet modtages af en 70-meters antenne, eller 160 bps, når det er en 34-meter. antenne. En laveffektsender er kun en sidste udvej, fordi den kun har en 10-bit kanal til at sende og en 30-bit kanal til at modtage data.
Derfor forbinder Curiosity- og Perserance-roverne i dag normalt først i UHF-området til deres "basestation" i kredsløb om Mars - sonder, der har meget større sendeantenner. Hertil bruges MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile Evolution), Mars Odyssey og European Mars Express og TGO (Trace Gas Orbiter). De danner et netværk kaldet MRN (Mars Relay Network).
Før et sådant relænetværk blev etableret, måtte rumfartøjer som Viking 1 og 2 stole på ledsagende kredsløb. Til direkte kommunikation med Jorden blev der brugt 20 W-sendere og S-bånd, kommunikation blev udført med en frekvens på 381 MHz (UHF-bånd), svarende til nutidens rovere.
Læs også: Crew Dragon er ikke den eneste: hvilke skibe vil gå ud i rummet i de kommende år
Hvad er den maksimale hastighed for Mars-Jorden kommunikation?
Der er mange nuancer her. Så Perserance sender først billeder og andre data til de kredsende sonder ved 400 MHz ved hjælp af en antenne placeret på bagsiden af roveren, ved siden af den radioisotope termoelektriske generatorskærm. Båndbredden af kommunikationslinjen fra overfladen til den røde planets kredsløb er op til 2 Mbit/s. Effektiviteten af forbindelsen med Mars kredsløb afhænger af dens afstand fra Jorden, og dette varierer som bekendt meget.
Den maksimale forbindelseshastighed varierer fra 500 kbps, når Mars er længst væk fra Jorden, til mere end 3 Mbps, når Mars er tættest på vores planet. Normalt bruges 34m DSN-antenner, ca. 8 timer om dagen. Dette betyder dog ikke, at transmissionen altid er med den maksimale hastighed, der kan ses ud fra dataene fra DSN-antennerne.
Der er også mulighed for at etablere en direkte forbindelse mellem Jorden og de enheder, der er på overfladen af Mars, uden om sonderne, der er i planetens kredsløb. Men sådanne forbindelser kan kun foretages i nødsituationer eller kun for at sende simple kontrolkommandoer. Sådanne begrænsninger skyldes, at båndbredden af signalet til Mars fra planetens kredsløb er 3-4 gange større end ved direkte transmission fra Jorden til Mars-overfladen. Antenner, der opererer i X-båndet, bruges til sådan kommunikation, både på Jorden og på roveren.
Men der er også afbrydelser i kommunikationen, som vi ikke kan påvirke i dag. Deres årsag er Solen. Solen selv kan forstyrre transmissionen af data fra sonder, der passerer i nærheden af den, fordi den røde planet simpelthen gemmer sig fra os fra tid til anden. Og da vi endnu ikke har et veludviklet kommunikationsnetværk i solsystemet, tager Mars cirka 10 dage om at glide forbi solskiven hvert andet år. Det er i denne periode, at kommunikation med rovere og sonder er fuldstændig fraværende.
Nogle gange er der ingen anden udvej, du skal arbejde hårdt og vente på data i dage eller endda måneder
Heldigvis har videnskabsmænd ikke haft sådanne problemer i tilfælde af Mars-missioner hidtil. Men hvis nogen af jer husker Galileo-sonden fra 1990'erne, ved I, at der var store problemer med jordkontrol dengang. Sondens sendeantenne var kun delvist indsat, så den var ikke i stand til at opnå den tilsigtede båndbredde på 134 kbps. Forskere var nødt til at udvikle nye datakomprimeringsmetoder for ikke at miste kontakten med sonden. De var i stand til at øge ydeevnen af den anden lavforstærkningsantenne fra 8-16 bps (ja, bits pr. sekund) til 160 bps og derefter til omkring 1 kbit/s. Det var stadig meget lidt, men det viste sig at være nok til at redde missionen.
På den anden side skal meget fjerne rumfartøjer udstyres med meget kraftige sendeantenner og strømkilder, fordi transmissionen tager lang tid. Fra New Horizons-sonden, hvis sendeantenne har en effekt på 12 W, efter dens forbiflyvning nær Pluto, ventede videnskabsmænd i måneder på et komplet sæt af transmitterede data.
Kan dette problem løses? Ja, det er muligt, men for dette er vi nødt til at bygge kommunikationsnetværk i hele solsystemet, men det kræver meget tid og selvfølgelig enorme økonomiske tilførsler.
Hvad kan vi forvente næste gang?
Jeg er sikker på, at en masse interessant information venter på os fra overfladen af Mars og videre. Menneskeheden er ivrig efter at bryde ud af Jorden og udforske fjerne planeter og andre solsystemer. Måske vil denne artikel om nogle få årtier kun få skolebørn på Mars eller et sted i Alpha Centauri til at smile. Måske vil menneskeheden så flyve til andre planeter lige så let og enkelt, som vi er nu fra Kiev til New York. Jeg er sikker på én ting, det er umuligt at stoppe menneskehedens ønske om at udforske rummet!
Også interessant:
