Siguran sam da su mnogi od vas čuli ili čitali o nedavnom Perseverance slijetanje na Mars, a uskoro Crveni planet već čekaju Arabian Hope i kineski Tianwen-1. Pitam se kako sve te sonde prenose podatke svojih istraživanja na Zemlju? Danas će biti riječi o svemirskoj komunikaciji.
Letovi na druge planete oduvijek su bili san čovječanstva. Na ovu temu snimljeno je mnoštvo igranih i dokumentarnih filmova koji gotovo do detalja govore kako se odvija sam proces leta, kako se osjećaju ili će se osjećati članovi posade, što treba činiti u takvom okruženju.
Nedavno je cijeli svijet s oduševljenjem pratio slijetanje rovera Perseverance na površinu Crvenog planeta i napravio prve fotografije nakon slijetanja. Već imamo prve fotografije s rovera koji je, podsjetit ću, sletio na Mars 18. veljače 2021. godine, kao i prvu fotografiju samog uređaja.
Riječ je o tehničkim fotografijama snimljenim neposredno nakon slijetanja, fotografijama kotača, kao i fotografiji samog rovera prilikom slijetanja koju su snimile kamere postavljene na raketni modul.
Ali uvijek sam se uhvatio kako razmišljam, kako se uspijevaju tako brzo povezati sa Zemljom i prenijeti snimku? Pitao sam se je li to istina ili znanstvena fantastika? Danas ću pokušati podijeliti svoja razmišljanja o ovoj temi.
Pročitajte također: Što će Perseverance i Ingenuity raditi na Marsu?
Koliko je Mars daleko i što to znači?
Podsjećam da je Mars, ovisno o godišnjem dobu, od Zemlje udaljen otprilike 55 do 401 milijun kilometara. Ovdje sve ovisi o podudarnosti rotacijskih orbita, uključujući i oko Sunca. A budući da su najbrži oblik komunikacije elektromagnetski valovi, vrijeme potrebno za slanje informacija na Crveni planet bit će određeno brzinom svjetlosti. Odnosno, želimo li takvom roveru ili sondi poslati naredbu, odnosno primiti podatke, morat ćemo malo pričekati.
Strojevi ne mogu utjecati na kašnjenje signala na isti način na koji ljudi mogu, tako da kašnjenje može biti do 60 ms. I za to vrijeme, radio signal će putovati oko 18 kilometara. U slučaju svemirskih letjelica, negativna strana ovog fenomena je nemogućnost upravljanja u stvarnom vremenu. Jedino što preostaje je prelazak na autonomni rad, i to se odnosi na sam Perseverance i vjerojatno još više na helikopter Ingenuity, koji bi svoju 000-dnevnu misiju trebao započeti u sljedećih nekoliko desetaka dana. Odnosno, s površine Marsa primamo signal sa značajnim kašnjenjem, ali su ga moderni uređaji gotovo minimizirali. Da, to nas je lišilo mogućnosti upravljanja uređajima sa Zemlje, ali je dalo poticaj razvoju još veće automatizacije takvih uređaja.
Pročitajte također: Top 10 činjenica o masivnim crnim rupama otkrivenim 2020
Kako je izravna komunikacija između Zemlje i misija koje djeluju na Marsu
Siguran sam da ovo pitanje zanima gotovo sve koji prate slične misije. Dakle, za to je stvorena mreža radioteleskopa pod nazivom Deep Space Network (DSN), koja je dio još veće strukture pod nazivom SCaN (Space Communication and Navigation).
Ovaj centar povezuje sve odašiljače i prijemnike na Zemlji koji se koriste za komunikaciju sa svemirskim letjelicama i astronautima u svemiru. DSN kontrolira NASA-in Laboratorij za mlazni pogon.
Radioteleskopi, od kojih najveći imaju promjer do 70 metara, nalaze se u blizini Madrida u Španjolskoj, Canberre u Australiji i Goldstonea u pustinji Mojave u Sjedinjenim Državama. Ovakav raspored na različitim točkama Zemljine površine smanjuje rizik od prekida komunikacije i omogućuje povećanje brzine prijema i prijenosa signala.
Zanimljivo je da je Kina, kako bi se osamostalila od ostalih mreža, izgradila vlastiti radioteleskop, također velik oko 70 m, kojim komunicira s Tianwen-1. Među ostalim, prve slike planeta snimljene su iz ove orbite.
Pročitajte također: Što nas može spriječiti u kolonizaciji Marsa?
Postoji velika razlika između izlazne i primljene snage signala
Prijeđimo sada na tehničke mogućnosti ovih odašiljača. Ima tu i puno zanimljivih stvari. Dakle, znamo da odašiljači postavljeni na ove antene i usmjereni na svemirske objekte imaju snagu od 20 kW u X-pojasu (frekvencije od 8 do oko 12 GHz) do 400 kW (ali treba imati na umu da korištenje snage preko 100 kW zahtijeva prilagodbe ovisno o sastavu zraka i upravljanju prometom) u S-pojasu (frekvencije oko 2 do 4 GHz, tj. slično kućnom Wi-Fi-ju ili nekim mobilnim mrežama). Usporedbe radi, snaga najjačih odašiljača 5G baznih stanica je 120 vata, no obično je puno manja i snop se formira drugačije nego kod prijenosa na svemirske letjelice.
Prilikom primanja signala, najveće antene DSN mreže mogu uhvatiti zraku snage reda 10-18 W. Takvu snagu, primjerice, ima signal s Voyagera 2. Signali s Marsa također su približno tog reda, s obzirom na udaljenost i ograničene energetske resurse sondi.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ima dva pojačivača signala od 100 W za svaki X-pojas, s jednim pomoćnim ako jedan od glavnih zakaže. Također ima eksperimentalni odašiljač koji radi u Ka pojasu (frekvencije u rasponu od 26-40 GHz) koji odašilje na 35 vata, ali samo u svrhu testiranja.
DSN stranica jasno pokazuje kome ili od koga se podaci trenutno šalju ili primaju. Između ostalog, nakon što kliknemo na prečac koji označava misiju, možemo vidjeti dodatne podatke. Rover Perseverance skraćeno se zove M20, a podaci dolaze uglavnom od MRO-a.
Pročitajte također: Prostor na vašem računalu: 5 najboljih programa za astronomiju
Što dalje u svemir, to je signal sporiji
DSN također komunicira s drugim sondama, ali znate što su dalje od Zemlje, to je brzina prijenosa podataka sporija. Mnogo ovisi i o snazi odašiljača na određenoj svemirskoj letjelici. Voyager 1, najudaljeniji od Zemlje, prenosi podatke brzinom od 160 bps, tek nešto brže od prvih modema iz 1950-ih. Za otvaranje web stranice root-nation.com s ovim tekstom iz tolike daljine, morat ćete čekati više od jednog dana.
Zauzvrat, signal koji sa Zemlje dopire do sonde puno je jači, no antena Voyagera 1 ima samo 3,7 metara u promjeru, što, naravno, čini prijem signala puno slabijim nego da je riječ o anteni od 70 metara.
Pročitajte također: Parker Solar Probe pokazala je noćnu stranu Venere
Koliko podataka prenosi marsovska sonda ili rover tijekom svoje misije?
Misije na Mars obično traju dvije osnovne godine plus trajanje produljene misije, a mogu trajati i više od desetljeća. Sonde i instrumenti koji izvode vizualna promatranja zahtijevaju najveću propusnost jer fotografije sadrže najmanje megabajta podataka. Signal može sadržavati mnogo više numeričkih podataka koji karakteriziraju druga mjerenja, parametre atmosfere, magnetsko polje, temperaturu itd. Stoga je pravo vrijeme u korist svemirskih sondi. Ne emitiraju prebrzo, ali to čine uporno godinama.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), koji fotografira Mars od 2005., već je snimio više od 50 puta oko planeta i više od 000 fotografija koje pokrivaju 90% površine planeta (od 000.). Osim toga, prenosi emisije i slike s marsovskih rovera. Primjerice, Curiosity je već snimio gotovo milijun neobrađenih fotografija (nisu sve pretvorene u slike kojima se divimo). Količina prikupljenih podataka na Zemlji od MRO približava se 99 petabajta (procijenjeni podaci početkom 2017.).
Međutim, MRO je misija usmjerena na fotografije i podatke. Usporedbe radi, sonda Cassini, koja već nekoliko godina proučava Saturn i njegove mjesece, poslala je na Zemlju samo 635 GB podataka, koji su uključivali 453 fotografija. Zauzvrat, rover Opportunity, koji je putovao oko Marsa 15 godina, poslao je više od 2018 fotografija natrag na Zemlju do 225. (ubrzo nakon što smo zauvijek izgubili kontakt s njim).
Količina podataka poslanih na Mars puno je manja. Budući da se uglavnom radi o naredbama i potvrdama njihovog izvršenja, ili programskim popravcima (koji su najvažniji), za njihov prijenos nisu potrebni čak ni vrlo snažni transmiteri.
Pročitajte također: Postalo je poznato kada će na Zemlji nestati kisika u atmosferi
Kako sonda ili rover "razgovara" sa Zemljom?
Već znamo kako se podaci s Marsa primaju na Zemlju, ali kako se pokreće komunikacija s uređaja na Crvenom planetu? Sonde koje su u orbiti imaju povoljnije uvjete za komunikaciju sa Zemljom i slanje velikih količina podataka. Za takvu komunikaciju koristi se najčešće spominjani pojas X. Rover Perseverance, kao i Curiosity, za komunikaciju koristi dva odašiljača (male i velike snage) koji rade na ovom pojasu.
Uz njihovu pomoć rover može samostalno "nazvati" kući, no brzina prijenosa podataka sa snažnog odašiljača je maksimalno 800 bps kada signal prima antena od 70 metara, odnosno 160 bps kada se radi o anteni od 34 metra. antena. Odašiljač male snage samo je posljednje rješenje jer ima samo 10-bitni kanal za prijenos i 30-bitni kanal za primanje podataka.
Stoga se danas roveri Curiosity i Perserance obično prvo spajaju u UHF rasponu na svoju "baznu stanicu" u orbiti Marsa - sonde koje imaju mnogo veće odašiljačke antene. Za to se koriste MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey i European Mars Express i TGO (Trace Gas Orbiter). Oni tvore mrežu nazvanu MRN (Mars Relay Network).
Prije nego što je uspostavljena takva relejna mreža, svemirske letjelice poput Vikinga 1 i 2 morale su se oslanjati na prateće orbite. Za izravnu komunikaciju sa Zemljom korišteni su odašiljači snage 20 W i S-band, komunikacija se odvijala na frekvenciji od 381 MHz (UHF pojas), slično današnjim roverima.
Pročitajte također: Crew Dragon nije jedini: koji će brodovi idućih godina ići u svemir
Koja je najveća brzina komunikacije Mars-Zemlja?
Ovdje ima mnogo nijansi. Dakle, Perserance prvo šalje slike i druge podatke sondama u orbiti na 400 MHz pomoću antene koja se nalazi na stražnjoj strani rovera, pokraj zaslona radioizotopskog termoelektričnog generatora. Propusnost komunikacijske linije od površine do orbite Crvenog planeta je do 2 Mbit/s. Učinkovitost veze s orbitom Marsa ovisi o njegovoj udaljenosti od Zemlje, a to, kao što znate, jako varira.
Maksimalna brzina veze varira od 500 kbps kada je Mars najudaljeniji od Zemlje do više od 3 Mbps kada je Mars najbliži našem planetu. 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.
Također postoji mogućnost uspostavljanja izravne veze između Zemlje i uređaja koji se nalaze na površini Marsa, zaobilazeći sonde koje se nalaze u orbiti planeta. Ali takve se veze mogu uspostaviti samo u hitnim situacijama ili za slanje samo jednostavnih kontrolnih naredbi. Takva su ograničenja posljedica činjenice da je propusnost signala do Marsa iz orbite planeta 3-4 puta veća nego kod izravnog prijenosa sa Zemlje na površinu Marsa. Antene koje rade u X pojasu koriste se za takvu komunikaciju, kako na Zemlji tako i na roveru.
Ali postoje i prekidi u komunikaciji, na koje danas ne možemo utjecati. Uzrok im je Sunce. Samo Sunce može ometati prijenos podataka sa sondi koje prolaze blizu njega, jer se Crveni planet s vremena na vrijeme jednostavno skriva od nas. A budući da još nemamo dobro razvijenu komunikacijsku mrežu u Sunčevom sustavu, Marsu svake dvije godine treba oko 10 dana da prođe pored Sunčevog diska. Upravo u tom razdoblju komunikacija s roverima i sondama potpuno izostaje.
Ponekad nema drugog izlaza, morate se potruditi i čekati podatke danima ili čak mjesecima
Srećom, u slučaju misija na Mars znanstvenici dosad nisu imali takvih problema. Ali ako se netko od vas sjeća sonde Galileo iz devedesetih, zna da je tada bilo velikih problema s kontrolom na zemlji. Odašiljačka antena sonde bila je samo djelomično postavljena, tako da nije mogla postići predviđenu širinu pojasa od 1990 kbps. Znanstvenici su morali razviti nove metode kompresije podataka kako ne bi izgubili kontakt sa sondom. Uspjeli su povećati performanse druge antene s niskim pojačanjem s 134-8 bps (da, bitova u sekundi) na 16 bps, a zatim na oko 160 kbit/s. Bilo je to još jako malo, ali se pokazalo dovoljnim za spas misije.
S druge strane, vrlo udaljene svemirske letjelice moraju biti opremljene vrlo snažnim odašiljačkim antenama i izvorima energije jer prijenos traje dugo. Od sonde New Horizons, čija je odašiljačka antena snage 12 W, nakon proleta pored Plutona, znanstvenici su mjesecima čekali kompletan set odaslanih podataka.
Može li se ovaj problem riješiti? Da, moguće je, ali za to moramo izgraditi komunikacijske mreže u cijelom Sunčevom sustavu, ali to zahtijeva puno vremena, i, naravno, ogromne financijske infuzije.
Što možemo očekivati sljedeće?
Siguran sam da nas čeka puno zanimljivih informacija s površine Marsa i šire. Čovječanstvo je željno pobjeći sa Zemlje i istražiti daleke planete i druge solarne sustave. Možda će za nekoliko desetljeća ovaj moj članak izmamiti smiješak samo školarcima na Marsu ili negdje u Alpha Centauri. Možda će tada čovječanstvo tako lako i jednostavno letjeti na druge planete kao što smo sada od Kijeva do New Yorka. U jedno sam siguran, nemoguće je zaustaviti želju čovječanstva za istraživanjem svemira!
Također zanimljivo:
