Biztosan sokan hallottatok vagy olvastatok a közelmúltról Kitartás landolás a Marson, hamarosan pedig a Vörös Bolygó már az arab Reményre és a kínai Tianwen-1-re vár. Vajon hogyan továbbítják ezek a szondák kutatásaik adatait a Földre? Az űrkommunikációról ma lesz szó.
A más bolygókra való repülés mindig is az emberiség álma volt. Rengeteg játékfilmet és dokumentumfilmet forgattak ebben a témában, amelyek szinte részletesen elmondják, hogyan zajlik maga a repülés folyamata, hogyan érzik magukat vagy fognak érezni a stáb tagjai, mit kell tenni ilyen környezetben.
Nemrég az egész világ elragadtatással nézte, ahogy a Perseverance rover a Vörös Bolygó felszínén landolt, és leszállás után elkészítette az első képeket. Már megvannak az első fotók a roverről, amely emlékeztetőül 18. február 2021-án landolt a Marson, valamint az első fotó magáról a készülékről.
Ezek közvetlenül leszállás után készült technikai fotók, fotók a kerekekről, valamint egy fotó magáról a roverről leszállás közben, amit a rakétamodulra szerelt kamerák készítettek.
De mindig azon kaptam magam, hogy vajon hogyan tudnak ilyen gyorsan kapcsolódni a Földhöz és továbbítani a felvételt? Elgondolkodtam, hogy ez igaz-e vagy sci-fi. Ma megpróbálom megosztani a gondolataimat erről a témáról.
Olvassa el még: Mit fog tenni a kitartás és a találékonyság a Marson?
Milyen messze van a Mars, és mit jelent ez?
Hadd emlékeztesselek arra, hogy a Mars, évszaktól függően, körülbelül 55-401 millió kilométerre van a Földtől. Itt minden a forgási pályák egybeesésétől függ, beleértve a Nap körüli pályákat is. És mivel a kommunikáció leggyorsabb formája az elektromágneses hullámok, a fénysebesség határozza meg, hogy a Vörös Bolygóra mennyi időre van szükség. Vagyis ha parancsot akarunk küldeni egy ilyen rovernek vagy szondának, vagy adatokat akarunk fogadni, akkor várnunk kell egy kicsit.
A gépek nem tudják ugyanúgy befolyásolni a jel késleltetését, mint az emberek, így a késleltetés akár 60 ms is lehet. És ezalatt a rádiójel körülbelül 18 000 kilométert fog megtenni. Az űrjárművek esetében ennek a jelenségnek a negatív oldala az, hogy lehetetlen őket valós időben irányítani. Már csak az autonóm működésre való átállás marad hátra, és ez magára a Perseverance-re vonatkozik, és valószínűleg még inkább az Ingenuity helikopterre, amelynek a következő néhány tucat napon belül meg kell kezdenie 30 napos küldetését. Vagyis a Mars felszínéről jelentős késéssel kapunk jelet, de a modern eszközök ezt szinte minimalizálták. Igen, megfosztott bennünket attól, hogy a Földről irányítsuk az eszközöket, de lendületet adott az ilyen eszközök még nagyobb automatizálásának kifejlesztéséhez.
Olvassa el még: A 10 legfontosabb tény a 2020-ban felfedezett hatalmas fekete lyukakról
Hogyan zajlik a közvetlen kommunikáció a Föld és a Marson működő küldetések között?
Biztos vagyok benne, hogy ez a kérdés szinte mindenkit érdekel, aki hasonló küldetést követ. Ehhez tehát létrehozták a Deep Space Network (DSN) nevű rádióteleszkóp-hálózatot, amely egy még nagyobb, SCaN (Space Communication and Navigation) nevű struktúra része.
Ez a központ köti össze a Föld összes adóját és vevőjét, amelyek az űrben tartózkodó űrhajókkal és űrhajósokkal kommunikálnak. A DSN-t a NASA Jet Propulsion Laboratory irányítja.
A rádióteleszkópok, amelyek közül a legnagyobbak akár 70 méter átmérőjűek is, a spanyolországi Madrid, az ausztráliai Canberra és az egyesült államokbeli Mojave-sivatag Goldstone közelében találhatók. Ez az elrendezés a Föld felszínének különböző pontjain minimálisra csökkenti a kommunikációs megszakítások kockázatát, és lehetővé teszi a jelek vételének és átvitelének sebességének növelését.
Érdekesség, hogy Kína, hogy függetlenedjék más hálózatoktól, saját, szintén mintegy 70 m nagyságú rádióteleszkópot épített, amellyel a Tianwen-1-gyel kommunikál. Többek között erről a pályáról készültek az első képek a bolygóról.
Olvassa el még: Mi akadályozhat meg bennünket abban, hogy kolonizáljuk a Marsot?
Óriási különbség van a kimeneti és a vett jel teljesítménye között
Most térjünk át ezeknek az adóknak a műszaki képességeire. Itt is sok érdekesség van. Tehát tudjuk, hogy az ezekre az antennákra szerelt és űrobjektumokat célzó adók teljesítménye az X-sávban 20 kW-tól (8-tól kb. 12 GHz-ig terjedő frekvenciák) 400 kW-ig terjed (de nem szabad elfelejteni, hogy a teljesítmény felhasználása 100 felett van A kW a levegő összetételétől és a forgalomirányítástól függően beállítást igényel) az S-sávban (2-4 GHz körüli frekvenciák, azaz hasonló az otthoni Wi-Fi-hez vagy egyes mobilhálózatokhoz). Összehasonlításképpen: a legerősebb 5G bázisállomási adók teljesítménye 120 watt, de ez általában jóval alacsonyabb, és a nyaláb is másképp alakul, mint az űrrepülőgépek átvitele esetén.
Jel vételekor a DSN hálózat legnagyobb antennái 10-18 W nagyságrendű teljesítményű nyalábot képesek felfogni. Ilyen teljesítmény például a Voyager 2 jele. A szondák távolságát és korlátozott energiaforrásait tekintve a Marsról érkező jelek is megközelítőleg ilyenek.
A Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) X-sávonként két 100 wattos jelerősítővel rendelkezik, egy tartalékkal, ha az egyik fő meghibásodik. A Ka sávban (26-40 GHz-es frekvenciák) működő kísérleti adóval is rendelkezik, amely 35 wattot ad, de csak tesztelési céllal.
DSN oldal egyértelműen mutatja, hogy éppen kinek vagy kitől küldik vagy fogadják az adatokat. Többek között a küldetést jelző parancsikonra kattintva további adatokat láthatunk. A Perseverance rovert röviden M20-nak hívják, és az adatok főleg az MRO-tól származnak.
Olvassa el még: Hely a számítógépen: 5 legjobb program csillagászathoz
Minél távolabb kerül az űrbe, annál lassabb a jel
A DSN más szondákkal is kommunikál, de tudod, minél távolabb vannak a Földtől, annál lassabb az adatátviteli sebesség. Sok múlik az adott űrhajón lévő adó teljesítményén is. A Földtől legtávolabb lévő Voyager 1 160 b/s sebességgel továbbítja az adatokat, csak valamivel gyorsabban, mint az 1950-es évek első modemei. Webhely megnyitásához root-nation.com ezzel a szöveggel ilyen távolságból több mint egy napot kell várnod.
A Földről viszont a szondát érő jel sokkal erősebb, de a Voyager 1 antennája mindössze 3,7 méter átmérőjű, ami persze sokkal gyengébb jelvételt tesz lehetővé, mintha egy 70 méteres antennáról lenne szó.
Olvassa el még: A Parker Solar Probe megmutatta a Vénusz éjszakai oldalát
Mennyi adatot továbbít egy marsi szonda vagy rover küldetése során?
A Mars-küldetések általában két alapévet vesznek igénybe, plusz egy meghosszabbított küldetés időtartamát, és több mint egy évtizedig tarthatnak. A vizuális megfigyelést végző szondák és műszerek igényelik a legnagyobb sávszélességet, mivel a fényképek legalább megabájtnyi adatot tartalmaznak. A jel sokkal több numerikus adatot tartalmazhat, amelyek más méréseket, légköri paramétereket, mágneses mezőt, hőmérsékletet stb. Ezért itt az idő az űrszondák javára. Nem sugároznak túl gyorsan, de évekig kitartóan csinálják.
A 2005 óta a Marsot fényképező Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) már több mint 50 000 pályát készített a bolygó körül, és több mint 90 000 fotót készített a bolygó felszínének 99%-át lefedő (2017-es adatok szerint). Emellett adásokat és képeket továbbít a Mars-járókról. A Curiosity például már majdnem egymillió nyers fotót készített (nem mindegyikből lett olyan kép, amit csodálunk). Az MRO-ból a Földön gyűjtött adatok mennyisége megközelíti a 0,5 petabájtot (2021 elejére vonatkozó becsült adatok).
Az MRO azonban egy fotó- és adatorientált küldetés. Összehasonlításképpen: a Szaturnuszt és holdjait több éve tanulmányozó Cassini szonda mindössze 635 GB adatot küldött vissza a Földre, amely 453 000 fotót tartalmazott. Viszont a rover OppoAz rtunity, amely 15 évig járta a Marsot, több mint 2018 225 fényképet küldött vissza a Földre 000-ig (röviddel azután, hogy örökre elveszítettük vele a kapcsolatot).
A Marsra küldött adatmennyiség sokkal kisebb. Mivel ezek főleg parancsok és végrehajtásuk megerősítései, vagy szoftverjavítások (ezek a legfontosabbak), továbbításukhoz nincs szükség még nagyon erős adókra sem.
Olvassa el még: Kiderült, mikor fogy el a Föld légköri oxigénje
Hogyan "beszél" egy szonda vagy rover a Földdel?
Azt már tudjuk, hogyan fogadják a Marsról érkező adatokat a Földön, de hogyan indul a kommunikáció a Vörös Bolygó eszközeiről? A pályán lévő szondáknak kedvezőbb feltételei vannak a Földdel való kommunikációhoz és nagy mennyiségű adat küldéséhez. Ilyen kommunikációra a leggyakrabban emlegetett X-sávot használják, a Perseverance rover a Curiosityhoz hasonlóan két, ezen a sávon működő adót (alacsony és nagy teljesítményű) használ kommunikációra.
Segítségükkel a rover önállóan tud hazahívni, de a nagy teljesítményű adó adatátviteli sebessége maximum 800 bps, ha a jelet 70 méteres antenna veszi, vagy 160 bps, ha 34 méteresről van szó. antenna. Az alacsony teljesítményű adó csak a végső megoldás, mert csak 10 bites csatornája van az átvitelre és egy 30 bites csatorna az adatok fogadására.
Ezért manapság a Curiosity és a Perserance roverek általában először az UHF-tartományban csatlakoznak a Mars-pályán lévő "bázisállomásukhoz" - olyan szondákhoz, amelyek sokkal nagyobb adóantennával rendelkeznek. Ehhez az MRO-t, a MAVEN-t (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), a Mars Odyssey-t és az European Mars Express-t és a TGO-t (Trace Gas Orbiter) használják. MRN (Mars Relay Network) nevű hálózatot alkotnak.
Mielőtt egy ilyen közvetítőhálózatot létrehoztak, az olyan űrhajóknak, mint a Viking 1 és 2, társpályákra kellett támaszkodniuk. A Földdel való közvetlen kommunikációhoz 20 W-os adókat és S-sávot használtak, a kommunikáció a mai roverekhez hasonlóan 381 MHz-es frekvencián (UHF sáv) folyt.
Olvassa el még: A Crew Dragon nem az egyetlen: mely hajók kerülnek az űrbe a következő években
Mekkora a Mars-Föld kommunikáció maximális sebessége?
Itt sok árnyalat van. Tehát a Perserance először képeket és egyéb adatokat küld a 400 MHz-en keringő szondáknak a rover hátulján, a radioizotópos termoelektromos generátor képernyője mellett elhelyezett antenna segítségével. A felszíntől a Vörös Bolygó pályájáig tartó kommunikációs vonal sávszélessége legfeljebb 2 Mbit/s. A Mars pályájával való kapcsolat hatékonysága a Földtől való távolságától függ, és ez, mint tudják, nagyon változó.
A maximális kapcsolati sebesség 500 kbps-tól, amikor a Mars a legtávolabb van a Földtől, és több mint 3 Mbps-tól, amikor a Mars a legközelebb van bolygónkhoz. Általában 34 m-es DSN antennákat használnak, körülbelül napi 8 órán keresztül. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az átvitel mindig a DSN antennák adataiból látható maximális sebességgel történik.
Lehetőség nyílik arra is, hogy a bolygó pályáján lévő szondákat megkerülve közvetlen kapcsolatot létesítsenek a Föld és a Mars felszínén lévő eszközök között. De ilyen kapcsolatokat csak vészhelyzetben lehet létrehozni, vagy csak egyszerű vezérlőparancsok küldésére. Az ilyen korlátozások annak a ténynek tulajdoníthatók, hogy a bolygó pályájáról a Mars felé irányuló jel sávszélessége 3-4-szer nagyobb, mint a Földről a Mars felszínére történő közvetlen átvitel esetén. Az X sávban működő antennákat használják az ilyen kommunikációra, mind a Földön, mind a roveren.
De a kommunikációban is vannak fennakadások, amelyeket ma már nem tudunk befolyásolni. Okuk a Nap. Maga a Nap is megzavarhatja a közelében elhaladó szondák adatainak továbbítását, mert a Vörös Bolygó időről időre egyszerűen elbújik előlünk. És mivel még nincs jól kiépített kommunikációs hálózatunk a Naprendszerben, a Marsnak körülbelül 10 napba telik, amíg kétévente átsiklik a napkorongon. Ebben az időszakban teljesen hiányzik a kommunikáció a roverekkel és a szondákkal.
Néha nincs más kiút, keményen kell dolgozni, és napokig vagy akár hónapokig várni az adatokra
A Mars-küldetések esetében szerencsére eddig nem volt ilyen problémájuk a tudósoknak. De ha valaki emlékszik az 1990-es évek Galileo-szondájára, tudja, hogy akkoriban nagy problémák voltak a földi irányítással. A szonda adóantennája csak részben volt kihelyezve, így nem tudta elérni a tervezett 134 kbps-os sávszélességet. A tudósoknak új adattömörítési módszereket kellett kidolgozniuk, hogy ne veszítsék el a kapcsolatot a szondával. A második alacsony nyereségű antenna teljesítményét 8-16 bps-ról (igen, bit per másodperc) 160 bps-ra, majd körülbelül 1 kbit/s-ra tudták növelni. Még mindig nagyon kevés volt, de elégnek bizonyult a küldetés megmentéséhez.
Másrészt a nagyon távoli űrjárműveket nagyon erős adóantennákkal és áramforrásokkal kell felszerelni, mert az átvitel sokáig tart. A New Horizons szondáról, amelynek adóantennája 12 W teljesítményű, a Plútó melletti elrepülése után a tudósok hónapokig vártak a továbbított adatok teljes készletére.
Megoldható ez a probléma? Igen, lehetséges, de ehhez kommunikációs hálózatokat kell kiépítenünk az egész Naprendszerben, de ez sok időt igényel, és persze hatalmas anyagi ráfordításokat.
Mire számíthatunk ezután?
Biztos vagyok benne, hogy sok érdekes információ vár ránk a Mars felszínéről és azon túlról is. Az emberiség alig várja, hogy kitörjön a Földből, és felfedezze a távoli bolygókat és más naprendszereket. Talán néhány évtizeden belül ez a cikkem csak a Marson vagy valahol az Alfa Centauriban lévő iskolásokat fogja megmosolyogtatni. Talán akkor az emberiség olyan könnyen és egyszerűen repül más bolygókra, mint most Kijevtől New Yorkig. Egy dologban biztos vagyok, lehetetlen megállítani az emberiség űrkutatási vágyát!
Szintén érdekes:
