Som si istý, že mnohí z vás o tom nedávnom počuli alebo čítali Vytrvalostné pristátie na Marse, a čoskoro už Červená planéta čaká na Arabskú nádej a čínsky Tianwen-1. Zaujímalo by ma, ako všetky tieto sondy prenášajú údaje o svojom výskume na Zem? Dnes sa bude diskutovať o vesmírnej komunikácii.
Lety na iné planéty boli vždy snom ľudstva. Na túto tému bolo natočených množstvo hraných a dokumentárnych filmov, ktoré takmer do detailov vypovedajú o tom, ako prebieha samotný letový proces, ako sa cítia či budú cítiť členovia posádky, čo treba v takomto prostredí robiť.
Nedávno celý svet s potešením sledoval, ako rover Perseverance pristál na povrchu Červenej planéty a po pristátí urobil prvé snímky. Už máme prvé fotografie z roveru, ktorý, ešte pripomeniem, pristál na Marse 18. februára 2021, ako aj prvú fotografiu samotného zariadenia.
Ide o technické fotografie zhotovené bezprostredne po pristátí, fotografie kolies, ako aj fotografiu samotného roveru pri pristávaní, ktorú nasnímali kamery namontované na raketovom module.
Ale vždy som sa pristihla pri myšlienke, ako sa im podarilo tak rýchlo spojiť so Zemou a preniesť zábery? Zaujímalo by ma, či je to pravda alebo sci-fi? Dnes sa pokúsim podeliť o svoje myšlienky na túto tému.
Prečítajte si tiež: Čo urobí vytrvalosť a vynaliezavosť na Marse?
Ako ďaleko je Mars a čo to znamená?
Pripomínam, že Mars je v závislosti od ročného obdobia od Zeme vzdialený približne 55 až 401 miliónov kilometrov. Tu všetko závisí od zhody rotačných obežných dráh vrátane okolo Slnka. A keďže najrýchlejšou formou komunikácie sú elektromagnetické vlny, čas potrebný na odoslanie informácií na Červenú planétu bude určený rýchlosťou svetla. To znamená, že ak chceme takémuto roveru alebo sonde poslať príkaz alebo prijať dáta, budeme si musieť chvíľu počkať.
Stroje nemôžu ovplyvniť oneskorenie signálu rovnako ako ľudia, takže oneskorenie môže byť až 60 ms. A za tento čas prejde rádiový signál približne 18 000 kilometrov. V prípade vesmírnych vozidiel je negatívnou stránkou tohto javu nemožnosť ich ovládania v reálnom čase. Jediné, čo zostáva, je prechod na autonómnu prevádzku, a to sa týka samotnej Perseverance a zrejme ešte viac vrtuľníka Ingenuity, ktorý by mal v najbližších desiatkach dní začať svoju 30-dňovú misiu. To znamená, že z povrchu Marsu dostávame signál s výrazným oneskorením, no moderné prístroje ho takmer minimalizovali. Áno, pripravilo nás o možnosť ovládať zariadenia zo Zeme, ale dalo impulz k rozvoju ešte väčšej automatizácie takýchto zariadení.
Prečítajte si tiež: Top 10 faktov o masívnych čiernych dierach objavených v roku 2020
Ako prebieha priama komunikácia medzi Zemou a misiami pôsobiacimi na Marse
Som si istý, že táto otázka zaujíma takmer každého, kto sleduje podobné misie. Na tento účel bola vytvorená sieť rádioteleskopov s názvom Deep Space Network (DSN), ktorá je súčasťou ešte väčšej štruktúry nazývanej SCaN (Space Communication and Navigation).
Toto centrum spája všetky vysielače a prijímače na Zemi používané na komunikáciu s kozmickými loďami a astronautmi vo vesmíre. DSN je riadené laboratóriom Jet Propulsion Laboratory NASA.
Rádioteleskopy, z ktorých najväčšie majú priemer až 70 metrov, sa nachádzajú neďaleko Madridu v Španielsku, Canberry v Austrálii a Goldstone v Mohavskej púšti v USA. Toto usporiadanie na rôznych miestach zemského povrchu minimalizuje riziko prerušenia komunikácie a umožňuje zvýšiť rýchlosť príjmu a prenosu signálu.
Zaujímavosťou je, že Čína, aby sa osamostatnila od iných sietí, postavila vlastný rádioteleskop veľký tiež asi 70 m, s ktorým komunikuje s Tianwen-1. Okrem iných boli z tejto obežnej dráhy urobené prvé snímky planéty.
Prečítajte si tiež: Čo nám môže zabrániť v kolonizácii Marsu?
Medzi výkonom výstupného a prijímaného signálu je obrovský rozdiel
Teraz prejdime k technickým možnostiam týchto vysielačov. Aj tu je veľa zaujímavostí. Vieme teda, že vysielače namontované na týchto anténach a zamerané na vesmírne objekty majú výkon od 20 kW v pásme X (frekvencie od 8 do cca 12 GHz) do 400 kW (treba však pamätať na to, že využitie výkonu nad 100 kW si vyžaduje úpravy v závislosti od zloženia ovzdušia a riadenia prevádzky) v pásme S (frekvencie okolo 2 až 4 GHz, t. j. podobne ako domáce Wi-Fi alebo niektoré mobilné siete). Na porovnanie, výkon najsilnejších vysielačov 5G základňových staníc je 120 wattov, no zvyčajne je oveľa nižší a lúč sa tvorí inak ako v prípade prenosov do kozmických lodí.
Pri príjme signálu sú najväčšie antény siete DSN schopné zachytiť lúč s výkonom rádovo 10-18W. Takúto silu má napríklad signál z Voyageru 2. Signály z Marsu sú tiež približne tohto rádu, vzhľadom na vzdialenosť a obmedzené energetické zdroje sond.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) má dva 100-wattové zosilňovače signálu pre každé pásmo X s jedným záložným, ak jeden z hlavných zlyhá. Má tiež experimentálny vysielač pracujúci v pásme Ka (frekvencie v rozsahu 26-40 GHz), ktorý vysiela pri 35 wattoch, ale len na testovacie účely.
DSN stránka jasne ukazuje, komu alebo od koho sa údaje v súčasnosti odosielajú alebo prijímajú. Okrem iného po kliknutí na skratku označujúcu misiu môžeme vidieť ďalšie údaje. Rover Perseverance sa skrátene nazýva M20 a údaje pochádzajú najmä z MRO.
Prečítajte si tiež: Miesto vo vašom počítači: 5 najlepších programov pre astronómiu
Čím ďalej do vesmíru, tým je signál pomalší
DSN komunikuje aj s inými sondami, ale viete, že čím ďalej od Zeme sú, tým je rýchlosť prenosu dát pomalšia. Veľa závisí aj od výkonu vysielača na danej vesmírnej lodi. Voyager 1, ktorý je najďalej od Zeme, prenáša dáta rýchlosťou 160 bps, čo je len o niečo rýchlejšie ako prvé modemy z 1950. rokov minulého storočia. Na otvorenie webovej stránky root-nation.com s týmto textom z takej diaľky budete musieť čakať viac ako deň.
Signál, ktorý sa k sonde dostane zo Zeme, je zase oveľa silnejší, ale anténa Voyageru 1 má priemer len 3,7 metra, čo samozrejme robí príjem signálu oveľa slabším, ako keby to bola 70-metrová anténa.
Prečítajte si tiež: Parker Solar Probe ukázala nočnú stranu Venuše
Koľko údajov prenesie marťanská sonda alebo rover počas svojej misie?
Misie na Mars zvyčajne trvajú dva základné roky plus trvanie predĺženej misie a môžu trvať viac ako desať rokov. Sondy a prístroje, ktoré vykonávajú vizuálne pozorovania, vyžadujú najväčšiu šírku pásma, pretože fotografie majú najmenej megabajty údajov. Signál môže obsahovať oveľa viac číselných údajov charakterizujúcich iné merania, parametre atmosféry, magnetického poľa, teploty atď. Preto je správny čas v prospech vesmírnych sond. Nevysielajú príliš rýchlo, ale roky vytrvalo.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), ktorý fotografuje Mars od roku 2005, už vykonal viac ako 50 000 obehov okolo planéty a viac ako 90 000 fotografií pokrývajúcich 99 % povrchu planéty (stav k roku 2017). Okrem toho prenáša vysielanie a obrázky z marťanských roverov. Napríklad Curiosity nafotilo už takmer milión raw fotiek (nie všetky sa zmenili na obrázky, ktoré obdivujeme). Množstvo zhromaždených údajov na Zemi z MRO sa blíži k 0,5 petabajtu (odhadované údaje zo začiatku roku 2021).
MRO je však misia orientovaná na fotografie a údaje. Pre porovnanie, sonda Cassini, ktorá skúma Saturn a jeho mesiace už niekoľko rokov, poslala späť na Zem len 635 GB dát, ktoré obsahovali 453 000 fotografií. Na druhej strane, rover Opportunity, ktorá 15 rokov cestovala okolo Marsu, poslala do roku 2018 späť na Zem viac ako 225 000 fotografií (krátko po tom, čo sme s ňou navždy stratili kontakt).
Množstvo dát odoslaných na Mars je oveľa menšie. Keďže ide najmä o príkazy a potvrdenia ich vykonania, prípadne softvérové opravy (ktoré sú najdôležitejšie), nevyžadujú na ich prenos ani veľmi výkonné vysielače.
Prečítajte si tiež: Bolo známe, kedy sa minie zemský atmosférický kyslík
Ako sa sonda alebo rover „rozpráva“ so Zemou?
Už vieme, ako sa na Zemi prijímajú údaje z Marsu, ale ako prebieha komunikácia zo zariadení na Červenej planéte? Sondy, ktoré sú na obežnej dráhe, majú priaznivejšie podmienky na komunikáciu so Zemou a odosielanie veľkého množstva dát. Na takúto komunikáciu sa využíva najčastejšie spomínané pásmo X. Rover Perseverance, podobne ako Curiosity, využíva na komunikáciu dva vysielače (nízky a vysoký výkon) pracujúce na tomto pásme.
S ich pomocou môže rover samostatne „volať“ domov, no rýchlosť prenosu dát z výkonného vysielača je maximálne 800 bps pri príjme signálu 70-metrovou anténou alebo 160 bps pri 34-metrovom anténa. Vysielač s nízkym výkonom je len poslednou možnosťou, pretože má iba 10-bitový kanál na vysielanie a 30-bitový kanál na príjem dát.
Preto sa dnes rovery Curiosity a Perserance zvyčajne najskôr pripájajú v rozsahu UHF k svojej „základnej stanici“ na obežnej dráhe Marsu – sondám, ktoré majú oveľa väčšie vysielacie antény. Na to slúžia MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey a European Mars Express a TGO (Trace Gas Orbiter). Tvoria sieť nazývanú MRN (Mars Relay Network).
Pred vytvorením takejto prenosovej siete sa kozmické lode ako Viking 1 a 2 museli spoliehať na sprievodné obežné dráhy. Na priamu komunikáciu so Zemou boli použité 20 W vysielače a pásmo S, komunikácia prebiehala na frekvencii 381 MHz (pásmo UHF), podobne ako v dnešných roveroch.
Prečítajte si tiež: Crew Dragon nie je jediný: ktoré lode pôjdu do vesmíru v najbližších rokoch
Aká je maximálna rýchlosť komunikácie medzi Marsom a Zemou?
Je tu veľa nuancií. Perserance teda najprv odošle obrázky a ďalšie údaje na obežné sondy pri frekvencii 400 MHz pomocou antény umiestnenej v zadnej časti roveru vedľa obrazovky rádioizotopového termoelektrického generátora. Šírka pásma komunikačného vedenia z povrchu na obežnú dráhu Červenej planéty je až 2 Mbit/s. Účinnosť spojenia s obežnou dráhou Marsu závisí od jeho vzdialenosti od Zeme a tá, ako viete, sa značne líši.
Maximálna rýchlosť pripojenia sa pohybuje od 500 kbps, keď je Mars najďalej od Zeme, až po viac ako 3 Mbps, keď je Mars najbližšie k našej planéte. Zvyčajne sa používajú 34m DSN antény, približne 8 hodín denne. To však neznamená, že prenos je vždy maximálnou rýchlosťou, ktorú možno vidieť z údajov DSN antén.
Je tu tiež možnosť nadviazať priame spojenie medzi Zemou a zariadeniami, ktoré sú na povrchu Marsu, obísť sondy, ktoré sú na obežnej dráhe planéty. Takéto spojenia je však možné vykonať iba v núdzových situáciách alebo na odosielanie iba jednoduchých riadiacich príkazov. Takéto obmedzenia sú spôsobené tým, že šírka pásma signálu na Mars z obežnej dráhy planéty je 3-4 krát väčšia ako pri priamom prenose zo Zeme na povrch Marsu. Na takúto komunikáciu slúžia antény pracujúce v pásme X, ako na Zemi, tak aj na roveri.
Ale dochádza aj k prerušeniam komunikácie, ktoré dnes nevieme ovplyvniť. Ich príčinou je Slnko. Samotné Slnko môže rušiť prenos dát zo sond prechádzajúcich v jeho blízkosti, pretože Červená planéta sa pred nami jednoducho z času na čas ukryje. A keďže v slnečnej sústave ešte nemáme dobre rozvinutú komunikačnú sieť, Marsu trvá každé dva roky prekĺznuť okolo slnečného disku približne 10 dní. Práve v tomto období úplne absentuje komunikácia s rovermi a sondami.
Niekedy nie je iné východisko, musíte tvrdo makať a čakať na dáta niekoľko dní či dokonca mesiacov
Našťastie v prípade misií na Mars vedci doteraz takéto problémy nemali. Ale ak si niekto z vás pamätá na sondu Galileo z 1990. rokov, vie, že vtedy boli veľké problémy s pozemným riadením. Vysielacia anténa sondy bola nasadená len čiastočne, takže nebola schopná dosiahnuť zamýšľanú šírku pásma 134 kbps. Vedci museli vyvinúť nové metódy kompresie dát, aby nestratili kontakt so sondou. Dokázali zvýšiť výkon druhej antény s nízkym ziskom z 8-16 bps (áno, bitov za sekundu) na 160 bps a potom na približne 1 kbit/s. Stále to bolo veľmi málo, ale ukázalo sa, že to na záchranu misie stačí.
Na druhej strane, veľmi vzdialené kozmické lode musia byť vybavené veľmi výkonnými vysielacími anténami a zdrojmi energie, pretože prenos trvá dlho. Zo sondy New Horizons, ktorej vysielacia anténa má výkon 12 W, vedci po jej prelete pri Plute čakali mesiace na kompletný súbor prenesených dát.
Dá sa tento problém vyriešiť? Áno, je to možné, ale na to potrebujeme vybudovať komunikačné siete v celej slnečnej sústave, čo si však vyžaduje veľa času a, samozrejme, obrovské finančné investície.
Čo môžeme očakávať ďalej?
Som si istý, že z povrchu Marsu aj mimo neho na nás čaká množstvo zaujímavých informácií. Ľudstvo túži vymaniť sa zo Zeme a preskúmať vzdialené planéty a iné slnečné sústavy. Snáď o pár desaťročí tento môj článok vyčarí úsmev na tvári iba školákom na Marse alebo niekde v Alfa Centauri. Možno potom ľudstvo poletí na iné planéty tak ľahko a jednoducho ako my teraz z Kyjeva do New Yorku. Som si istý jednou vecou, že je nemožné zastaviť túžbu ľudstva skúmať vesmír!
Tiež zaujímavé:
