אני בטוח שרבים מכם שמעו או קראו על האחרון התמדה נוחתת על מאדים, ובקרוב הכוכב האדום כבר מחכה לתקווה הערבית ולטיאנוון-1 הסינית. אני תוהה איך כל הגשושיות האלה מעבירות את נתוני המחקר שלהן לכדור הארץ? תקשורת חלל תידון היום.
טיסות לכוכבי לכת אחרים תמיד היו חלום של האנושות. הרבה סרטים עלילתיים וסרטים דוקומנטריים צולמו בנושא זה, שמספרים כמעט בפירוט איך תהליך הטיסה עצמו מתרחש, איך חברי הצוות מרגישים או ירגישו, מה צריך לעשות בסביבה כזו.
לאחרונה, כל העולם צפה בהנאה ברובר Perseverance נוחת על פני הכוכב האדום וצילם את התמונות הראשונות לאחר הנחיתה. יש לנו כבר את התמונות הראשונות מהרובר, שכזכור, נחת על מאדים ב-18 בפברואר 2021, כמו גם את התמונה הראשונה של המכשיר עצמו.
מדובר בתמונות טכניות שצולמו מיד לאחר הנחיתה, תמונות של הגלגלים וכן צילום של הרובר עצמו בזמן הנחיתה, שצולם במצלמות המותקנות על מודול הרקטה.
אבל תמיד תפסתי את עצמי חושב, איך הם מצליחים להתחבר לכדור הארץ כל כך מהר ולהעביר את הצילומים? תהיתי אם זה נכון או מדע בדיוני. היום אנסה לחלוק את מחשבותיי בנושא זה.
קרא גם: מה יעשו התמדה וכושר על מאדים?
כמה רחוק מאדים ומה זה אומר?
הרשו לי להזכיר לכם שמאדים, בהתאם לעונה, נמצא במרחק של כ-55 עד 401 מיליון קילומטרים מכדור הארץ. כאן הכל תלוי בצירוף מקרים של מסלולי הסיבוב, כולל סביב השמש. ומכיוון שצורת התקשורת המהירה ביותר היא גלים אלקטרומגנטיים, הזמן שייקח לשלוח מידע לכוכב האדום ייקבע לפי מהירות האור. כלומר, אם נרצה לשלוח פקודה לרובר או בדיקה כאלה, או לקבל נתונים, נצטרך לחכות מעט.
מכונות אינן יכולות להשפיע על עיכובי האות כמו שבני אדם יכולים, כך שההשהיה יכולה להגיע עד 60ms. ובמהלך הזמן הזה, אות הרדיו יעבור כ-18 קילומטרים. במקרה של רכבי חלל, הצד השלילי של תופעה זו הוא חוסר האפשרות לשלוט בהם בזמן אמת. הדבר היחיד שנותר הוא המעבר לפעולה אוטונומית, וזה חל על Perseverance עצמה וכנראה אף יותר על מסוק Ingenuity, שאמור להתחיל את משימתו בת 000 הימים בתריסר הימים הקרובים. כלומר, מפני השטח של מאדים אנו מקבלים אות עם עיכוב משמעותי, אך מכשירים מודרניים כמעט מזערו אותו. כן, זה שלל מאיתנו את ההזדמנות לשלוט במכשירים מכדור הארץ, אבל זה נתן תנופה לפיתוח אוטומציה גדולה עוד יותר של מכשירים כאלה.
קרא גם: 10 עובדות מובילות על חורים שחורים מסיביים שהתגלו בשנת 2020
איך התקשורת הישירה בין כדור הארץ למשימות פועלות על מאדים
אני בטוח שהשאלה הזו מעניינת כמעט את כל מי שעוקב אחרי משימות דומות. אז, בשביל זה, נוצרה רשת של טלסקופי רדיו בשם Deep Space Network (DSN), שהיא חלק ממבנה גדול עוד יותר שנקרא SCaN (Space Communication and Navigation).
מרכז זה מחבר את כל המשדרים והמקלטים על פני כדור הארץ המשמשים לתקשורת עם חלליות ואסטרונאוטים בחלל. DSN נשלט על ידי מעבדת הנעה סילון של נאס"א.
טלסקופי רדיו, הגדולים שבהם בקוטר של עד 70 מטר, ממוקמים ליד מדריד בספרד, קנברה באוסטרליה וגולדסטון במדבר מוהאבי בארצות הברית. סידור זה בנקודות שונות על פני כדור הארץ ממזער את הסיכון להפרעות תקשורת ומאפשר להגביר את מהירות הקליטה והשידור של האות.
מעניין שסין, כדי להיות עצמאית מרשתות אחרות, בנתה טלסקופ רדיו משלה, גם הוא בגודל של כ-70 מ', איתו היא מתקשרת עם Tianwen-1. בין היתר, התמונות הראשונות של כוכב הלכת צולמו ממסלול זה.
קרא גם: מה יכול למנוע מאיתנו ליישב את מאדים?
יש הבדל עצום בין הספק של המוצא לעוצמת האות המתקבל
כעת נעבור ליכולות הטכניות של המשדרים הללו. יש כאן גם הרבה דברים מעניינים. אז אנחנו יודעים שלמשדרים המורכבים על האנטנות הללו ומכוונים לאובייקטים בחלל יש הספק מ-20 קילוואט בפס ה-X (תדרים מ-8 עד כ-12 גיגה-הרץ) ועד 400 קילוואט (אבל צריך לזכור ששימוש בהספק מעל 100 קילוואט דורש התאמות בהתאם להרכב האוויר וניהול התעבורה) ב-S-band (תדרים סביב 2 עד 4 GHz, כלומר בדומה ל-Wi-Fi ביתי או רשתות סלולריות מסוימות). לשם השוואה, ההספק של משדרי תחנות הבסיס החזקים ביותר של 5G הוא 120 וואט, אך לרוב הוא נמוך בהרבה והקרן נוצרת בצורה שונה מאשר במקרה של שידורים לחלליות.
בעת קבלת אות, האנטנות הגדולות ביותר של רשת ה-DSN מסוגלות לתפוס אלומה בעוצמה בסדר גודל של 10-18 וואט. לכוח כזה, למשל, יש את האות מוויאג'ר 2. גם אותות ממאדים הם בערך בסדר הזה, בהתחשב במרחק ובמשאבי האנרגיה המוגבלים של הגשושיות.
ל-Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) יש שני מאיצי אות של 100 וואט עבור כל פס X, עם גיבוי אחד אם אחד המרכזיים שבהם נכשל. יש לו גם משדר ניסיוני הפועל ברצועת Ka (תדרים בטווח 26-40 גיגה-הרץ) המשדר ב-35 וואט, אך רק למטרות בדיקה.
עמוד DSN מראה בבירור למי או ממי הנתונים נשלחים או מתקבלים כעת. בין היתר, לאחר לחיצה על קיצור הדרך המציין את המשימה, נוכל לראות נתונים נוספים. הרובר של Perseverance נקרא בקיצור M20, והנתונים מגיעים בעיקר מ-MRO.
קרא גם: מקום במחשב שלך: 5 התוכניות הטובות ביותר לאסטרונומיה
ככל שמתרחקים לחלל, האות איטי יותר
DSN מתקשר גם עם בדיקות אחרות, אבל אתה יודע ככל שהם רחוקים מכדור הארץ, כך קצב הנתונים איטי יותר. הרבה תלוי גם בכוחו של המשדר בחללית נתונה. וויאג'ר 1, הרחוקה ביותר מכדור הארץ, משדרת נתונים במהירות של 160 bps, רק מעט יותר מהר מהמודמים הראשונים של שנות ה-1950. לפתיחת אתר אינטרנט root-nation.com עם הטקסט הזה ממרחק כזה, תצטרך לחכות יותר מיום.
בתורו, האות שמגיע לגשושית מכדור הארץ הוא הרבה יותר חזק, אבל האנטנה של וויאג'ר 1 היא בקוטר של 3,7 מטר בלבד, מה שהופך את קליטת האות להרבה יותר חלשה מאשר אם הייתה אנטנה של 70 מטר.
קרא גם: Parker Solar Probe הראה את צד הלילה של נוגה
כמה נתונים משדרים גשוש או רובר של מאדים במהלך משימתו?
משימות מאדים נמשכות בדרך כלל שנתיים בסיס פלוס משך משימה ממושכת, ויכולות להימשך יותר מעשור. בדיקות ומכשירים המבצעים תצפיות חזותיות דורשים את רוחב הפס הרב ביותר מכיוון שתצלומים הם לפחות מגה-בייט של נתונים. האות יכול להכיל הרבה יותר נתונים מספריים המאפיינים מדידות אחרות, פרמטרים של האטמוספרה, שדה מגנטי, טמפרטורה וכו'. לכן, הזמן מתאים לטובת בדיקות חלל. הם לא משדרים מהר מדי, אבל הם עושים זאת בהתמדה במשך שנים.
ה-Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), המצלם את מאדים מאז 2005, כבר צילם יותר מ-50 מסלולים מסביב לכוכב הלכת ויותר מ-000 תמונות המכסות 90% משטח כדור הארץ (נכון ל-000). בנוסף, הוא משדר שידורים ותמונות מרוברים של מאדים. לדוגמה, Curiosity כבר צילמה כמעט מיליון תמונות גולמיות (לא כולן הפכו לתמונות שאנו מעריצים). כמות הנתונים שנאספו על כדור הארץ מ-MRO מתקרבת ל-99 פטה-בייט (נתונים משוערים נכון לתחילת 2017).
עם זאת, MRO היא משימה מוכוונת צילום ונתונים. לשם השוואה, הגשושית Cassini, שחקרה את שבתאי וירחיו כבר כמה שנים, שלחה רק 635 GB של נתונים חזרה לכדור הארץ, שכללה 453 תמונות. בתורו, הרובר Opportunity, שנסעה מסביב למאדים במשך 15 שנים, שלחה יותר מ-2018 תמונות חזרה לכדור הארץ עד 225 (זמן קצר לאחר שאיבדנו את הקשר איתו לנצח).
כמות הנתונים הנשלחים למאדים קטנה בהרבה. מכיוון שמדובר בעיקר בפקודות ואישורים לביצוען, או בתיקוני תוכנה (שהם החשובים ביותר), הם לא דורשים אפילו משדרים חזקים במיוחד כדי לשדר אותם.
קרא גם: נודע מתי יגמר החמצן האטמוספרי של כדור הארץ
איך בדיקה או רובר "מדברים" עם כדור הארץ?
אנחנו כבר יודעים כיצד מתקבלים נתונים ממאדים על פני כדור הארץ, אך כיצד נוצרת תקשורת ממכשירים על הכוכב האדום? לבדיקות שנמצאות במסלול יש תנאים נוחים יותר על מנת לתקשר עם כדור הארץ ולשלוח כמויות גדולות של נתונים. לתקשורת כזו, נעשה שימוש ב-X-band המוזכר בתדירות הגבוהה ביותר. הרובר של Perseverance, כמו Curiosity, משתמש בשני משדרים (הספק נמוך וגבוה) הפועלים על פס זה לצורך תקשורת.
בעזרתם, הרובר יכול "להתקשר" הביתה באופן עצמאי, אך קצב העברת הנתונים מהמשדר החזק הוא מקסימום של 800 bps כאשר האות נקלט באנטנה של 70 מטר, או 160 bps כאשר מדובר ב-34 מטר. אַנטֶנָה. משדר בעל הספק נמוך הוא רק מוצא אחרון מכיוון שיש לו רק ערוץ של 10 סיביות לשידור וערוץ 30 סיביות לקבלת נתונים.
לכן, כיום הרוברים Curiosity ו-Perserance בדרך כלל מתחברים לראשונה בתחום ה-UHF ל"תחנת הבסיס" שלהם במסלול מאדים - בדיקות שיש להן אנטנות שידור גדולות בהרבה. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey ו-European Mars Express ו-TGO (Trace Gas Orbiter) משמשים לכך. הם יוצרים רשת בשם MRN (Mars Relay Network).
לפני שהוקמה רשת ממסר כזו, חלליות כמו ויקינג 1 ו-2 נאלצו להסתמך על מסלולים נלווים. לתקשורת ישירה עם כדור הארץ, נעשה שימוש במשדרי 20 W ובפס S, התקשורת התבצעה בתדר של 381 מגה-הרץ (פס UHF), בדומה לרוברים של ימינו.
קרא גם: Crew Dragon הוא לא היחיד: אילו ספינות ייצאו לחלל בשנים הקרובות
מהי המהירות המרבית של תקשורת מאדים-כדור הארץ?
יש כאן הרבה ניואנסים. אז, Perserance שולחת תחילה תמונות ונתונים אחרים לבדיקות המקיפות ב-400 מגה-הרץ באמצעות אנטנה הממוקמת בחלק האחורי של הרובר, ליד מסך המחולל התרמו-אלקטרי הרדיואיזוטופ. רוחב הפס של קו התקשורת מפני השטח למסלול הכוכב האדום הוא עד 2 Mbit/s. יעילות הקשר עם מסלול מאדים תלויה במרחק שלו מכדור הארץ, וזה, כידוע, משתנה מאוד.
מהירות החיבור המקסימלית נעה בין 500 kbps כאשר מאדים נמצא הכי רחוק מכדור הארץ ליותר מ-3 Mbps כאשר מאדים הוא הקרוב ביותר לכוכב הלכת שלנו. בדרך כלל נעשה שימוש באנטנות DSN של 34 מטר, במשך כ-8 שעות ביום. עם זאת, אין זה אומר שהשידור הוא תמיד במהירות המרבית שניתן לראות מנתוני אנטנות ה-DSN.
יש גם הזדמנות ליצור קשר ישיר בין כדור הארץ למכשירים שנמצאים על פני מאדים, תוך עקיפת הגשושיות שנמצאות במסלול כוכב הלכת. אבל חיבורים כאלה יכולים להתבצע רק במצבי חירום או לשלוח רק פקודות בקרה פשוטות. מגבלות כאלה נובעות מהעובדה שרוחב הפס של האות למאדים ממסלול כוכב הלכת גדול פי 3-4 מאשר בשידור ישיר מכדור הארץ אל פני השטח של מאדים. אנטנות הפועלות ברצועת X משמשות לתקשורת כזו, הן על פני כדור הארץ והן על הרובר.
אבל יש גם הפרעות בתקשורת, שאנחנו לא יכולים להשפיע עליהן היום. הסיבה שלהם היא השמש. השמש עצמה יכולה להפריע להעברת נתונים מגשושיות העוברות בקרבתה, מכיוון שהכוכב האדום פשוט מסתתר מאיתנו מדי פעם. ומכיוון שעדיין אין לנו רשת תקשורת מפותחת במערכת השמש, למאדים לוקח כ-10 ימים לחמוק על פני הדיסק הסולארי כל שנתיים. בתקופה זו התקשורת עם רוברים ובדיקות נעדרת לחלוטין.
לפעמים אין מוצא אחר, צריך לעבוד קשה ולחכות לנתונים ימים ואפילו חודשים
למרבה המזל, במקרה של משימות מאדים, למדענים לא היו בעיות כאלה עד כה. אבל אם מישהו מכם זוכר את הגלילה של גלילאו של שנות ה-1990, אתם יודעים שהיו אז בעיות גדולות בשליטה קרקעית. אנטנת השידור של הגשושית נפרסה רק חלקית, כך שהיא לא הצליחה להשיג את רוחב הפס המיועד של 134 קילוביט לשנייה. מדענים נאלצו לפתח שיטות דחיסת נתונים חדשות כדי לא לאבד מגע עם הגשושית. הם הצליחו להגביר את הביצועים של האנטנה השנייה עם הרווח נמוך מ-8-16 bps (כן, סיביות לשנייה) ל-160 bps ולאחר מכן לכ-1 kbit/s. זה עדיין היה מעט מאוד, אבל התברר שזה הספיק כדי להציל את המשימה.
מצד שני, חללית מרוחקת מאוד חייבת להיות מצוידת באנטנות שידור חזקות מאוד ובמקורות כוח מכיוון שהשידור לוקח זמן רב. מהגשושית של New Horizons, שאנטנת השידור שלה היא בעלת הספק של 12 W, לאחר הטיסה שלה ליד פלוטו, המתינו מדענים חודשים לסט שלם של נתונים משודרים.
האם ניתן לפתור בעיה זו? כן, זה אפשרי, אבל בשביל זה אנחנו צריכים לבנות רשתות תקשורת בכל מערכת השמש, אבל זה דורש הרבה זמן, וכמובן, עירוי כספי עצום.
למה אנחנו יכולים לצפות בהמשך?
אני בטוח שהרבה מידע מעניין מחכה לנו מפני השטח של מאדים ומעבר לו. האנושות להוטה לפרוץ מכדור הארץ ולחקור כוכבי לכת רחוקים ומערכות שמש אחרות. אולי, בעוד כמה עשורים, המאמר הזה שלי רק יגרום לתלמידי בית ספר על מאדים או איפשהו באלפא קנטאורי לחייך. אולי אז האנושות תטוס לכוכבי לכת אחרים בקלות ובפשטות כמו שאנחנו עכשיו מקייב לניו יורק. אני בטוח בדבר אחד, אי אפשר לעצור את הרצון של האנושות לחקור את החלל!
מעניין גם: