Tenho certeza que muitos de vocês já ouviram ou leram sobre o recente Perseverança pousando em Marte, e em breve o Planeta Vermelho já está esperando pelo Arabian Hope e o chinês Tianwen-1. Eu me pergunto como todas essas sondas transmitem os dados de suas pesquisas para a Terra? A comunicação espacial será discutida hoje.
Voos para outros planetas sempre foram um sonho da humanidade. Muitos longas-metragens e documentários foram rodados sobre esse tema, que contam quase em detalhes como ocorre o processo de voo em si, como os membros da tripulação se sentem ou se sentirão, o que deve ser feito em tal ambiente.
Recentemente, o mundo inteiro assistiu com prazer o rover Perseverance pousar na superfície do Planeta Vermelho e tirar as primeiras fotos após o pouso. Já temos as primeiras fotos do rover, que, vou lembrá-lo, pousou em Marte em 18 de fevereiro de 2021, bem como a primeira foto do próprio dispositivo.
Estas são fotos técnicas tiradas imediatamente após o pouso, fotos das rodas, bem como uma foto do próprio rover durante o pouso, que foi tirada por câmeras montadas no módulo do foguete.
Mas eu sempre me peguei pensando, como eles conseguem se conectar à Terra tão rapidamente e transmitir as imagens? Eu me perguntei se isso era verdade ou ficção científica? Hoje vou tentar compartilhar meus pensamentos sobre este tema.
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A que distância fica Marte e o que isso significa?
Deixe-me lembrá-lo que Marte, dependendo da estação, está a aproximadamente 55 a 401 milhões de quilômetros da Terra. Aqui tudo depende da coincidência das órbitas de rotação, inclusive em torno do Sol. E como a forma mais rápida de comunicação são as ondas eletromagnéticas, o tempo que leva para enviar informações ao Planeta Vermelho será determinado pela velocidade da luz. Ou seja, se quisermos enviar um comando para tal rover ou sonda, ou receber dados, teremos que esperar um pouco.
As máquinas não podem afetar os atrasos de sinal da mesma forma que os humanos, então o atraso pode ser de até 60 ms. E durante esse período, o sinal de rádio viajará cerca de 18 quilômetros. No caso dos veículos espaciais, o lado negativo desse fenômeno é a impossibilidade de controlá-los em tempo real. A única coisa que resta é a transição para a operação autônoma, e isso se aplica ao próprio Perseverance e provavelmente ainda mais ao helicóptero Ingenuity, que deve iniciar sua missão de 000 dias nas próximas dezenas de dias. Ou seja, da superfície de Marte recebemos um sinal com um atraso significativo, mas os dispositivos modernos quase o minimizaram. Sim, nos privou da oportunidade de controlar dispositivos da Terra, mas deu um impulso ao desenvolvimento de uma automação ainda maior de tais dispositivos.
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Como é a comunicação direta entre a Terra e as missões que operam em Marte
Tenho certeza de que essa pergunta interessa a quase todos que seguem missões semelhantes. Então, para isso, foi criada uma rede de radiotelescópios chamada Deep Space Network (DSN), que faz parte de uma estrutura ainda maior chamada SCaN (Space Communication and Navigation).
Este centro conecta todos os transmissores e receptores na Terra usados para se comunicar com naves espaciais e astronautas no espaço. O DSN é controlado pelo Jet Propulsion Laboratory da NASA.
Radiotelescópios, o maior deles com até 70 metros de diâmetro, estão localizados perto de Madri, na Espanha, Canberra, na Austrália, e Goldstone, no deserto de Mojave, nos Estados Unidos. Essa disposição em vários pontos da superfície terrestre minimiza o risco de interrupções de comunicação e possibilita aumentar a velocidade de recepção e transmissão do sinal.
É interessante que a China, para se tornar independente de outras redes, tenha construído seu próprio radiotelescópio, também com cerca de 70 m de tamanho, com o qual se comunica com Tianwen-1. Entre outras, as primeiras fotos do planeta foram tiradas dessa órbita.
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Há uma enorme diferença entre a potência do sinal de saída e recebida
Agora vamos passar para as capacidades técnicas desses transmissores. Há também muitas coisas interessantes aqui. Então sabemos que os transmissores montados nessas antenas e voltados para objetos espaciais têm potências de 20 kW na banda X (frequências de 8 a cerca de 12 GHz) a 400 kW (mas deve-se lembrar que o uso de potência acima de 100 kW requer ajustes dependendo da composição do ar e gerenciamento de tráfego) na banda S (frequências em torno de 2 a 4 GHz, ou seja, semelhante ao Wi-Fi doméstico ou algumas redes móveis). Em comparação, a potência dos transmissores de estação base 5G mais fortes é de 120 watts, mas geralmente é muito menor e o feixe é formado de maneira diferente do que no caso de transmissões para naves espaciais.
Ao receber um sinal, as maiores antenas da rede DSN são capazes de captar um feixe com potência da ordem de 10-18 W. Tal potência, por exemplo, tem o sinal da Voyager 2. Os sinais de Marte também são aproximadamente desta ordem, dada a distância e os recursos energéticos limitados das sondas.
O Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) possui dois amplificadores de sinal de 100 watts para cada banda X, com um backup se um dos principais falhar. Também possui um transmissor experimental operando na banda Ka (frequências na faixa de 26 a 40 GHz) que transmite a 35 watts, mas apenas para fins de teste.
página DSN mostra claramente para quem ou de quem os dados estão sendo enviados ou recebidos. Entre outras coisas, depois de clicar no atalho que indica a missão, podemos ver dados adicionais. O rover Perseverance é chamado M20 para abreviar, e os dados vêm principalmente do MRO.
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Quanto mais longe no espaço, mais lento o sinal
O DSN também se comunica com outras sondas, mas você sabe que quanto mais longe elas estiverem da Terra, mais lenta será a taxa de dados. Muito também depende da potência do transmissor em uma determinada espaçonave. A Voyager 1, a mais distante da Terra, transmite dados a 160 bps, apenas um pouco mais rápido que os primeiros modems da década de 1950. Para abrir um site root-nation.com com este texto de tão longe, você terá que esperar mais de um dia.
Por sua vez, o sinal que chega à sonda da Terra é muito mais forte, mas a antena da Voyager 1 tem apenas 3,7 metros de diâmetro, o que, claro, torna a recepção do sinal muito mais fraca do que se fosse uma antena de 70 metros.
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Quantos dados uma sonda ou rover marciano transmite durante sua missão?
As missões a Marte normalmente levam dois anos base mais a duração de uma missão estendida e podem durar mais de uma década. Sondas e instrumentos que realizam observações visuais requerem mais largura de banda porque as fotografias são pelo menos megabytes de dados. O sinal pode conter muito mais dados numéricos caracterizando outras medições, parâmetros da atmosfera, campo magnético, temperatura, etc. Portanto, é a hora certa a favor das sondas espaciais. Eles não transmitem muito rápido, mas fazem isso persistentemente por anos.
O Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), que fotografa Marte desde 2005, já fez mais de 50 órbitas ao redor do planeta e mais de 000 fotos cobrindo 90% da superfície do planeta (a partir de 000). Além disso, transmite transmissões e imagens de rovers de Marte. Por exemplo, o Curiosity já tirou quase um milhão de fotos raw (nem todas se transformaram em fotos que admiramos). A quantidade de dados coletados na Terra a partir de MRO está se aproximando de 99 petabytes (dados estimados no início de 2017).
No entanto, o MRO é uma missão orientada para fotos e dados. Em comparação, a sonda Cassini, que estuda Saturno e suas luas há vários anos, enviou apenas 635 GB de dados de volta à Terra, incluindo 453 fotos. Por sua vez, o rover OppoO rtunity, que viajou ao redor de Marte por 15 anos, enviou mais de 2018 fotos de volta à Terra até 225 (logo depois que perdemos contato com ele para sempre).
A quantidade de dados enviados para Marte é muito menor. Como estes são principalmente comandos e confirmações de sua execução, ou correções de software (que são os mais importantes), eles não precisam de transmissores muito poderosos para transmiti-los.
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Como uma sonda ou rover "conversa" com a Terra?
Já sabemos como os dados de Marte são recebidos na Terra, mas como a comunicação é iniciada a partir de dispositivos no Planeta Vermelho? As sondas que estão em órbita têm condições mais favoráveis para se comunicar com a Terra e enviar grandes quantidades de dados. Para tal comunicação, é utilizada a banda X mais frequentemente mencionada. O rover Perseverance, assim como o Curiosity, utiliza dois transmissores (baixa e alta potência) operando nesta banda para comunicação.
Com a ajuda deles, o rover pode "chamar" independentemente para casa, mas a taxa de transferência de dados do poderoso transmissor é de no máximo 800 bps quando o sinal é recebido por uma antena de 70 metros ou 160 bps quando é uma antena de 34 metros antena. Um transmissor de baixa potência é apenas um último recurso, pois possui apenas um canal de 10 bits para transmissão e um canal de 30 bits para recebimento de dados.
Portanto, hoje os rovers Curiosity e Perserance geralmente se conectam primeiro na faixa UHF à sua "estação base" na órbita de Marte - sondas que possuem antenas de transmissão muito maiores. MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey e European Mars Express e TGO (Trace Gas Orbiter) são usados para isso. Eles formam uma rede chamada MRN (Mars Relay Network).
Antes que tal rede de retransmissão fosse estabelecida, naves espaciais como a Viking 1 e 2 tinham que contar com órbitas companheiras. Para comunicação direta com a Terra, foram utilizados transmissores de 20 W e banda S, a comunicação foi realizada na frequência de 381 MHz (banda UHF), semelhante aos rovers atuais.
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Qual é a velocidade máxima de comunicação Marte-Terra?
Há muitas nuances aqui. Assim, o Perserance primeiro envia imagens e outros dados para as sondas em órbita a 400 MHz usando uma antena localizada na parte traseira do rover, ao lado da tela do gerador termoelétrico de radioisótopos. A largura de banda da linha de comunicação da superfície até a órbita do Planeta Vermelho é de até 2 Mbit/s. A eficiência da conexão com a órbita de Marte depende de sua distância da Terra, e isso, como você sabe, varia muito.
A velocidade máxima de conexão varia de 500 kbps quando Marte está mais distante da Terra a mais de 3 Mbps quando Marte está mais próximo do nosso planeta. Normalmente são utilizadas antenas DSN de 34m, durante cerca de 8 horas por dia. Isso, no entanto, não significa que a transmissão esteja sempre na velocidade máxima que pode ser vista a partir dos dados das antenas DSN.
Há também a oportunidade de estabelecer uma conexão direta entre a Terra e os dispositivos que estão na superfície de Marte, contornando as sondas que estão na órbita do planeta. Mas tais conexões só podem ser feitas em situações de emergência ou para enviar apenas comandos de controle simples. Tais limitações se devem ao fato de que a largura de banda do sinal para Marte da órbita do planeta é 3-4 vezes maior do que com a transmissão direta da Terra para a superfície marciana. Antenas operando na banda X são usadas para tal comunicação, tanto na Terra quanto no rover.
Mas também há interrupções na comunicação, que não podemos influenciar hoje. Sua causa é o Sol. O próprio Sol pode interferir na transmissão de dados das sondas que passam perto dele, porque o Planeta Vermelho simplesmente se esconde de nós de tempos em tempos. E como ainda não temos uma rede de comunicação bem desenvolvida no sistema solar, Marte leva cerca de 10 dias para passar pelo disco solar a cada dois anos. É durante este período que a comunicação com rovers e sondas está completamente ausente.
Às vezes não há outra saída, você tem que trabalhar duro e esperar por dados por dias ou até meses
Felizmente, no caso das missões a Marte, os cientistas não tiveram tais problemas até agora. Mas se algum de vocês se lembra da sonda Galileu da década de 1990, sabe que havia grandes problemas com o controle de solo na época. A antena de transmissão da sonda foi implantada apenas parcialmente, portanto não conseguiu atingir a largura de banda pretendida de 134 kbps. Os cientistas tiveram que desenvolver novos métodos de compressão de dados para não perder o contato com a sonda. Eles conseguiram aumentar o desempenho da segunda antena de baixo ganho de 8-16 bps (sim, bits por segundo) para 160 bps e depois para cerca de 1 kbit/s. Ainda era muito pouco, mas acabou sendo o suficiente para salvar a missão.
Por outro lado, naves espaciais muito distantes devem ser equipadas com antenas de transmissão e fontes de energia muito poderosas, porque a transmissão leva muito tempo. Da sonda New Horizons, cuja antena transmissora tem uma potência de 12 W, após seu sobrevoo perto de Plutão, os cientistas esperaram meses por um conjunto completo de dados transmitidos.
Esse problema pode ser resolvido? Sim, é possível, mas para isso precisamos construir redes de comunicação em todo o sistema solar, mas isso requer muito tempo e, claro, enormes infusões financeiras.
O que podemos esperar a seguir?
Tenho certeza de que muitas informações interessantes estão esperando por nós da superfície de Marte e além. A humanidade está ansiosa para sair da Terra e explorar planetas distantes e outros sistemas solares. Talvez, em algumas décadas, este meu artigo só faça sorrir crianças em idade escolar em Marte ou em algum lugar de Alpha Centauri. Talvez então a humanidade voe para outros planetas com a mesma facilidade e simplicidade que fazemos agora de Kyiv a Nova York. Tenho certeza de uma coisa, é impossível parar o desejo da humanidade de explorar o espaço!
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