Prepričan sem, da ste mnogi slišali ali brali o nedavnem Vztrajni pristanek na Marsu, kmalu pa Rdeči planet že čakata arabski Hope in kitajski Tianwen-1. Zanima me, kako vse te sonde prenašajo podatke svojih raziskav na Zemljo? Danes bo govora o vesoljski komunikaciji.
Poleti na druge planete so bili vedno sanje človeštva. Na to temo je bilo posnetih veliko igranih in dokumentarnih filmov, ki skoraj do potankosti povedo, kako poteka sam proces letenja, kako se počutijo ali se bodo počutili člani posadke, kaj je treba narediti v takšnem okolju.
Pred kratkim je ves svet z navdušenjem spremljal pristanek roverja Perseverance na površju Rdečega planeta in posnel prve slike po pristanku. Imamo že prve fotografije z roverja, ki je, spomnim, pristal na Marsu 18. februarja 2021, kot tudi prvo fotografijo same naprave.
Gre za tehnične fotografije, posnete takoj po pristanku, fotografije koles, pa tudi fotografijo samega roverja med pristajanjem, ki so jo posnele kamere, nameščene na raketnem modulu.
Vedno pa sem se ujel, da sem pomislil, kako se jim uspe tako hitro povezati z Zemljo in posredovati posnetek? Spraševal sem se, ali je to res ali znanstvena fantastika. Danes bom poskušal deliti svoje misli o tej temi.
Preberite tudi: Kaj bosta Vztrajnost in Iznajdljivost počela na Marsu?
Kako daleč je Mars in kaj to pomeni?
Naj vas spomnim, da je Mars, odvisno od letnega časa, od Zemlje oddaljen približno 55 do 401 milijon kilometrov. Tu je vse odvisno od sovpadanja rotacijskih orbit, tudi okoli Sonca. In ker so najhitrejša oblika komunikacije elektromagnetni valovi, bo čas, potreben za pošiljanje informacij na Rdeči planet, odvisen od svetlobne hitrosti. Se pravi, če želimo takšnemu roverju ali sondi poslati ukaz oziroma prejeti podatke, bomo morali malo počakati.
Stroji ne morejo vplivati na zakasnitve signala na enak način kot ljudje, zato lahko zakasnitev znaša do 60 ms. In v tem času bo radijski signal prepotoval približno 18 kilometrov. Pri vesoljskih vozilih je negativna stran tega pojava nezmožnost nadzora v realnem času. Ostaja le še prehod na avtonomno delovanje, in to za sam Perseverance in verjetno še bolj za helikopter Ingenuity, ki naj bi svojo 000-dnevno misijo začel v naslednjih nekaj deset dneh. To pomeni, da s površine Marsa prejmemo signal s precejšnjo zamudo, vendar so ga sodobne naprave skoraj zmanjšale. Da, odvzela nam je možnost nadzora naprav z Zemlje, vendar je dala zagon razvoju še večje avtomatizacije takih naprav.
Preberite tudi: Top 10 dejstev o ogromnih črnih luknjah, odkritih leta 2020
Kako poteka neposredna komunikacija med Zemljo in misijami, ki delujejo na Marsu
Prepričan sem, da to vprašanje zanima skoraj vse, ki spremljajo podobne misije. Tako je bilo za to ustvarjeno omrežje radijskih teleskopov, imenovano Deep Space Network (DSN), ki je del še večje strukture, imenovane SCaN (Space Communication and Navigation).
Ta center povezuje vse oddajnike in sprejemnike na Zemlji, ki se uporabljajo za komunikacijo z vesoljskimi plovili in astronavti v vesolju. DSN nadzira NASA-in Laboratorij za reaktivni pogon.
Radijski teleskopi, največji med njimi imajo premer do 70 metrov, se nahajajo blizu Madrida v Španiji, Canberre v Avstraliji in Goldstona v puščavi Mojave v ZDA. Ta razporeditev na različnih točkah zemeljskega površja zmanjšuje tveganje prekinitev komunikacije in omogoča povečanje hitrosti sprejema in prenosa signala.
Zanimivo je, da je Kitajska, da bi se osamosvojila od drugih omrežij, zgradila svoj radijski teleskop, velik prav tako okoli 70 m, s katerim komunicira s Tianwen-1. Iz te orbite so bile med drugim narejene tudi prve slike planeta.
Preberite tudi: Kaj nam lahko prepreči kolonizacijo Marsa?
Med močjo izhodnega in prejetega signala je velika razlika
Zdaj pa preidimo na tehnične zmogljivosti teh oddajnikov. Tukaj je tudi marsikaj zanimivega. Tako vemo, da imajo oddajniki, nameščeni na teh antenah in usmerjeni v vesoljske objekte, moč od 20 kW v X-pasu (frekvence od 8 do približno 12 GHz) do 400 kW (vendar je treba zapomniti, da uporaba moči nad 100 kW). kW zahteva prilagoditve glede na sestavo zraka in upravljanje prometa) v S-pasu (frekvence okoli 2 do 4 GHz, tj. podobno kot pri domačem Wi-Fi ali nekaterih mobilnih omrežjih). Za primerjavo, moč najmočnejših oddajnikov baznih postaj 5G je 120 vatov, vendar je običajno precej nižja in se snop oblikuje drugače kot pri oddajah na vesoljska plovila.
Pri sprejemu signala lahko največje antene omrežja DSN ujamejo žarek z močjo reda 10-18 W. Takšno moč ima na primer signal iz Voyagerja 2. Približno tega reda so glede na oddaljenost in omejene energetske vire sond tudi signali z Marsa.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ima dva 100-vatna ojačevalnika signala za vsak pas X, z enim rezervnim, če eden od glavnih odpove. Ima tudi poskusni oddajnik, ki deluje v pasu Ka (frekvence v območju 26–40 GHz), ki oddaja pri 35 vatih, vendar le za namene testiranja.
stran DSN jasno prikazuje, komu ali od koga se trenutno pošiljajo ali prejemajo podatki. Med drugim lahko po kliku na bližnjico, ki označuje misijo, vidimo dodatne podatke. Rover Perseverance se na kratko imenuje M20, podatki pa prihajajo predvsem iz MRO.
Preberite tudi: Prostor na vašem računalniku: 5 najboljših programov za astronomijo
Dlje kot v vesolje, počasnejši je signal
DSN komunicira tudi z drugimi sondami, a veste, dlje kot so od Zemlje, počasnejša je hitrost prenosa podatkov. Veliko je odvisno tudi od moči oddajnika na določenem vesoljskem plovilu. Voyager 1, najbolj oddaljen od Zemlje, prenaša podatke s hitrostjo 160 bps, le malo hitreje od prvih modemov iz petdesetih let prejšnjega stoletja. Za odpiranje spletne strani root-nation.com s tem besedilom iz take razdalje, boste morali čakati več kot en dan.
Po drugi strani pa je signal, ki z Zemlje doseže sondo, veliko močnejši, vendar ima antena Voyagerja 1 premer le 3,7 metra, zaradi česar je sprejem signala seveda precej šibkejši, kot če bi šlo za 70-metrsko anteno.
Preberite tudi: Sončna sonda Parker je pokazala nočno stran Venere
Koliko podatkov odda marsovska sonda ali rover med svojo misijo?
Misije na Mars običajno trajajo dve osnovni leti plus trajanje podaljšane misije in lahko trajajo več kot desetletje. Sonde in instrumenti, ki izvajajo vizualna opazovanja, zahtevajo največjo pasovno širino, saj fotografije vsebujejo vsaj megabajte podatkov. Signal lahko vsebuje veliko več numeričnih podatkov, ki označujejo druge meritve, parametre atmosfere, magnetnega polja, temperature itd. Zato je pravi čas za vesoljske sonde. Ne oddajajo prehitro, a to počnejo vztrajno že leta.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), ki fotografira Mars od leta 2005, je posnel že več kot 50 obhodov okoli planeta in več kot 000 fotografij, ki pokrivajo 90 % površja planeta (od leta 000). Poleg tega prenaša oddaje in slike z Marsovih roverjev. Na primer, Curiosity je posnel že skoraj milijon neobdelanih fotografij (niso se vse spremenile v slike, ki jih občudujemo). Količina zbranih podatkov na Zemlji iz MRO se približuje 99 petabajta (ocenjeni podatki na začetku leta 2017).
Vendar je MRO misija, ki je usmerjena v fotografije in podatke. Za primerjavo, sonda Cassini, ki že nekaj let proučuje Saturn in njegove lune, je na Zemljo poslala le 635 GB podatkov, med katerimi je bilo 453 fotografij. Po drugi strani pa rover Opportunity, ki je 15 let potoval okoli Marsa, je do leta 2018 poslal več kot 225 fotografij nazaj na Zemljo (kmalu po tem, ko smo za vedno izgubili stik z njim).
Količina podatkov, poslanih na Mars, je veliko manjša. Ker gre predvsem za ukaze in potrditve njihovega izvajanja ali programske popravke (ki so najpomembnejši), za njihov prenos ne potrebujejo niti zelo zmogljivih oddajnikov.
Preberite tudi: Postalo je znano, kdaj bo na Zemlji zmanjkalo kisika v atmosferi
Kako se sonda ali rover "pogovarja" z Zemljo?
Že vemo, kako se podatki z Marsa sprejemajo na Zemljo, toda kako se začne komunikacija z napravami na Rdečem planetu? Sonde, ki so v orbiti, imajo ugodnejše pogoje za komunikacijo z Zemljo in pošiljanje velikih količin podatkov. Za tako komunikacijo se uporablja najpogosteje omenjen pas X. Rover Perseverance tako kot Curiosity za komunikacijo uporablja dva oddajnika (nizke in visoke moči), ki delujeta na tem pasu.
Z njihovo pomočjo lahko rover samostojno "pokliče" domov, vendar je hitrost prenosa podatkov z zmogljivega oddajnika največ 800 bps, če signal sprejema 70-metrska antena, oziroma 160 bps, če je 34-metrska. antena. Oddajnik z majhno močjo je le zadnja možnost, saj ima le 10-bitni kanal za prenos in 30-bitni kanal za sprejem podatkov.
Zato se danes roverja Curiosity in Perserance običajno najprej v UHF območju povežeta s svojo »bazno postajo« v orbiti Marsa – sondama, ki imata veliko večje oddajne antene. Za to se uporabljajo MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey in European Mars Express ter TGO (Trace Gas Orbiter). Tvorijo mrežo, imenovano MRN (Mars Relay Network).
Preden je bilo vzpostavljeno takšno relejno omrežje, so se morala vesoljska plovila, kot sta Viking 1 in 2, zanašati na spremljevalne orbite. Za direktno komunikacijo z Zemljo so bili uporabljeni 20 W oddajniki in S-band, komunikacija je potekala na frekvenci 381 MHz (UHF pas), podobno kot pri današnjih roverjih.
Preberite tudi: Crew Dragon ni edini: katere ladje bodo šle v vesolje v prihodnjih letih
Kakšna je največja hitrost komunikacije Mars-Zemlja?
Tukaj je veliko odtenkov. Tako Perserance najprej pošlje slike in druge podatke sondam v orbiti pri 400 MHz z uporabo antene, ki se nahaja na zadnji strani roverja, poleg zaslona radioizotopskega termoelektričnega generatorja. Pasovna širina komunikacijske linije od površja do orbite Rdečega planeta je do 2 Mbit/s. Učinkovitost povezave z orbito Marsa je odvisna od njegove oddaljenosti od Zemlje, ta pa je, kot veste, zelo različna.
Največja hitrost povezave se giblje od 500 kbps, ko je Mars najbolj oddaljen od Zemlje, do več kot 3 Mbps, ko je Mars najbližje našemu planetu. Običajno se uporabljajo 34 m DSN antene, približno 8 ur na dan. To pa ne pomeni, da je prenos vedno z največjo hitrostjo, ki je razvidna iz podatkov DSN anten.
Obstaja tudi možnost vzpostavitve neposredne povezave med Zemljo in napravami, ki so na površini Marsa, mimo sond, ki so v orbiti planeta. Toda takšne povezave je mogoče vzpostaviti le v nujnih primerih ali za pošiljanje preprostih nadzornih ukazov. Takšne omejitve so posledica dejstva, da je pasovna širina signala do Marsa iz orbite planeta 3-4 krat večja kot pri neposrednem prenosu z Zemlje na površino Marsa. Za takšno komunikacijo se uporabljajo antene, ki delujejo v pasu X, tako na Zemlji kot na roverju.
So pa tudi prekinitve komunikacije, na katere danes ne moremo vplivati. Njihov vzrok je Sonce. Sonce samo lahko moti prenos podatkov s sond, ki potekajo blizu njega, saj se Rdeči planet od časa do časa preprosto skrije pred nami. In ker v sončnem sistemu še nimamo dobro razvitega komunikacijskega omrežja, Mars vsaki dve leti potrebuje približno 10 dni, da zdrsne mimo sončnega diska. V tem obdobju je komunikacija z roverji in sondami popolnoma odsotna.
Včasih ni drugega izhoda, treba se je potruditi in čakati na podatke več dni ali celo mesecev
Na srečo v primeru misij na Mars znanstveniki doslej niso imeli takšnih težav. A če se kdo od vas spomni sonde Galileo iz devetdesetih, ve, da so bile takrat velike težave z zemeljskim nadzorom. Oddajna antena sonde je bila le delno razporejena, zato ni mogla doseči predvidene pasovne širine 1990 kbps. Znanstveniki so morali razviti nove metode stiskanja podatkov, da ne bi izgubili stika s sondo. Zmogljivost druge antene z nizkim ojačenjem so lahko povečali z 134-8 bps (da, bitov na sekundo) na 16 bps in nato na približno 160 kbit/s. Bilo je še vedno zelo malo, a izkazalo se je, da je dovolj za rešitev misije.
Po drugi strani pa morajo biti zelo oddaljena vesoljska plovila opremljena z zelo močnimi oddajnimi antenami in viri energije, ker prenos traja dolgo. Od sonde New Horizons, katere oddajna antena ima moč 12 W, so znanstveniki po preletu blizu Plutona več mesecev čakali na popoln nabor posredovanih podatkov.
Ali je ta problem mogoče rešiti? Da, možno je, a za to moramo zgraditi komunikacijska omrežja po celem sončnem sistemu, kar pa zahteva veliko časa in seveda velike finančne infuzije.
Kaj lahko pričakujemo naslednje?
Prepričan sem, da nas čaka veliko zanimivih informacij s površja Marsa in širše. Človeštvo si želi pobegniti z Zemlje in raziskati oddaljene planete in druge sončne sisteme. Morda bo ta moj članek čez nekaj desetletij nasmejal le še šolarje na Marsu ali kje v Alfa Kentavru. Mogoče bo takrat človeštvo poletelo na druge planete tako enostavno in preprosto, kot zdaj iz Kijeva v New York. Prepričan sem o nečem, nemogoče je ustaviti željo človeštva po raziskovanju vesolja!
Zanimivo tudi: