26.02.2024

Как обустроить интернет на Марсе

Будущим жителям Красной планеты понадобятся новые и усовершенствованные способы связи

Паял Дхар

Современная инфраструктура связи не сможет удовлетворить потребности будущих обитателей Марса. Иллюстрация: Гленн Харви

Когда космонавты высадятся на Марсе, возможно, через несколько десятилетий, им нужно будет найти способ общения - друг с другом, с оборудованием на планете и вокруг нее, а также с управлением полетами на Земле. Несмотря на то, что они будут находиться так далеко от дома, они, несомненно, захотят общаться с близкими, обновлять свои плейлисты или смотреть последние эпизоды любимых сериалов.

Но установить Wi-Fi соединение с интернетом Земли будет невозможно. Земля находится слишком далеко - примерно от 55 миллионов до 400 миллионов километров, в зависимости от расположения планет на орбитах. Космическим путешественникам понадобится другая технология.

По словам Клэр Парфитт, системного инженера Европейского космического агентства (ЕКА), базирующегося в Ноордвейке (Нидерланды), создание хорошей инфраструктуры связи необходимо для полетов человека на Марс. «На данный момент мы находимся на ранних стадиях работы в этом направлении».

Исследователи тестируют способы модернизации существующих сетей, а также некоторые дальние альтернативы. Например, миссия NASA «Психея», которая стартовала в октябре с целью изучения астероида между Марсом и Юпитером, также будет тестировать межпланетную связь с использованием лазеров. Лазеры могут передавать гораздо больше данных, чем радиоволны, которые использовались с самых первых дней космических путешествий.

Ни одна из известных технологий не может устранить временную задержку в связи между Землей и Марсом: сообщение, движущееся со скоростью света, занимает от четырех до 24 минут в один конец. Другими словами, о быстром звонке в центр управления полетом не может быть и речи, не говоря уже о звонке домой по WhatsApp.

Есть еще проблема солнечного перехода, говорит Парфитт, когда Солнце оказывается между Землей и Марсом. Это происходит на пару недель раз в два года или около того, прерывая связь между планетами. Последнее такое событие произошло в ноябре.

Но новые методы могут открыть возможности, которые сделают связь на Марсе более похожей на ту, что мы имеем здесь, на Земле. По крайней мере, исследовательская группа задалась вопросом: Что, если на Марсе будет свой собственный интернет?

Как работает связь с Марсом сегодня

У нескольких космических агентств уже есть посадочные аппараты, роверы и спутники на Марсе, которые должны поддерживать связь с Землей.

Рассмотрим марсоход NASA Perseverance. Он отправляет и получает два вида информации. Один из них - командная и телеметрическая, когда операторы на Земле отправляют инструкции, получают информацию и принимают решения о том, что делать дальше. Обычно Перси получает более 1000 команд с Земли каждый день. Вторая - это научные данные, например, фотографии марсианских пород, которые собирает Перси. Вертолет Ingenuity, который завершил свою миссию в начале этого года, также регулярно пинговал марсоход, который служил базовой станцией для передачи данных и команд между Ingenuity и Землей. Орбитальные аппараты, вращающиеся вокруг планеты, включая Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) NASA и Trace Gas Orbiter (TGO) ESA, также отправляют научные данные на родину.

Звонок на Землю

Perseverance и другие марсоходы получают большинство команд непосредственно с Земли через радиоволны X-диапазона. Хотя Перси может отправлять небольшие объемы данных напрямую, он часто использует сверхвысокочастотные, или УВЧ, радиоволны для передачи данных на один из орбитальных аппаратов в сети Mars Relay Network, которые имеют большие антенны для отправки данных на Землю. Перси также служил базовой станцией для связи с вертолетом Ingenuity.

Земля - Марс: Антенна DSN: Ровер, Ingenuity - поверхность Марса. Иллюстрация: C. Чанг

Большая часть связи с Марсом осуществляется через Марсианскую ретрансляционную сеть, которую в NASA называют «тщательно отработанным танцем». Эта сеть из пяти орбитальных аппаратов вокруг Марса - MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey и Mars Express - передает информацию через антенны, направленные на Землю.

Марсоход, которому нужно отправить свои последние наблюдения на Землю, сначала передает данные на один из орбитальных аппаратов с помощью сверхвысокочастотных радиопередач. Если орбитальный аппарат не имеет прямой видимости с Землей, он может удерживать информацию до тех пор, пока не получит ее. Затем данные передаются на Землю, где мощные радиоантенны, расположенные по всему миру, постоянно прослушивают сигналы из дальнего космоса.

Когда человеческий экипаж высадится на Марсе, этой системы будет недостаточно. Винсент Чан, исследователь волоконно-оптических и спутниковых коммуникаций в Массачусетском технологическом институте, не считает, что локальная связь будет представлять собой проблему. Марсианский экипаж сможет взаимодействовать с помощью радиочастот и существующих беспроводных технологий, говорит он. Двух мини-вышек сотовой связи будет достаточно, если космонавты находятся близко друг к другу, а если космонавты находятся на таком расстоянии, что сообщения придется отправлять за горизонт, можно будет использовать ретранслятор. Люди, живущие в отдаленных регионах Земли, постоянно общаются подобным образом. «Эти услуги уже используются», - говорит Чан, - «и они очень экономичны».

Большая антенна на посадочном аппарате экипажа, направленная на Землю, вероятно, станет первой установкой марсианских исследователей, говорит Чан, но затем все может стать сложнее. Когда антенна на поверхности не будет иметь прямой видимости, астронавты смогут использовать орбитальные ретрансляторы, подобные Mars Relay Network, для связи с Землей. Для круглосуточного покрытия потребуется несколько орбитальных аппаратов, и они должны быть оптимизированы для передачи большого объема данных.

В настоящее время ЕКА пытается сделать сегодняшнюю ретрансляционную сеть более надежной. На ранних стадиях рассматривается концепция под названием «Инфраструктура связи и навигации на Марсе» (MARCONI). Если проект будет реализован, то в его рамках будет разработан набор полезных нагрузок, связанных с коммуникацией и навигацией, которые можно будет использовать в любой миссии, направляющейся к Марсу.

После вывода на орбиту эти полезные нагрузки будут действовать как узлы для обеспечения радиосвязи с Марсом, объясняет Парфитт. Затем они могут остаться для использования в будущих миссиях. «Чем больше масса высаживаемого аппарата, тем дороже он стоит, поэтому не обязательно каждый раз высаживать на Марс массивные системы связи», - говорит она.

Хотя для низкой скорости передачи данных достаточно традиционных радиочастот, использование лазерной связи может обеспечить передачу в 10-100 раз большего объема данных за тот же промежуток времени. Благодаря более высокой частоте оптических волн, в сотни тысяч раз превышающей частоту радиоволн, в них можно вместить гораздо больше информации. Таким образом, этот тип оптического сигнала - именно то, к чему может прийти космическая связь.

Лазерная связь в космосе

Космический аппарат Psyche, запущенный в октябре прошлого года, проверит возможности дальней лазерной связи, направляясь к богатому металлами астероиду Психея, который он собирается исследовать. Космический аппарат оснащен технологией оптической связи в глубоком космосе (DSOC), разработанной NASA.

Использование лазеров для космической связи не является чем-то новым, но они никогда не испытывались на расстояниях дальше Луны. В середине ноября «Психея» передала данные на Землю с расстояния в 16 миллионов километров - в 40 раз дальше, чем Луна. В декабре она ретранслировала видео с котом по имени Тейтерс с расстояния 31 миллион километров.

Технология Deep Space Optical Communications от NASA, установленная на космическом аппарате Psyche, в настоящее время тестирует лазерную связь за пределами Луны. На этом снимке Psyche перед запуском, приемопередатчик расположен (хотя его и не видно) справа от трубчатого солнцезащитного козырька DSOC. Фото: JPL-CALTECH/NASA

ЕКА также изучает возможности оптической связи на больших расстояниях. Одна из программ под названием ScyLight, - сокращение от Secure and Laser Communication Technology, - произносится как skylight, поддерживает исследования и разработку оптических и квантовых технологий для безопасной и быстрой передачи данных из космоса.

Несмотря на преимущества, оптическая связь требует сверхточного наведения сигнала. В отличие от радиосвязи, оптические сигналы передаются в виде узкого луча, который должен быть направлен точно на приемник. Кроме того, облачность и атмосферные эффекты мешают работе лазеров.

Любой переход на оптическую связь означает модернизацию существующих радиоантенн, которые прослушивают сообщения из дальнего космоса, - так называемой Deep Space Network - или создание новой инфраструктуры.

Хотя Луна находится ближе, чем Марс, она предлагает возможности для изучения будущих возможностей связи. В рамках программы Artemis, целью которой является возвращение людей на Луну, NASA заключило контракт с частными компаниями на создание лунной сети 4G для телекоммуникаций. Такие сети основаны на радиоволнах и включают в себя установку антенн и базовых станций, способных выдержать суровый лунный ландшафт.

Программа ЕКА под названием Moonlight предлагает частным космическим компаниям создать группировку спутников связи вокруг Луны, в том числе в регионах, не имеющих прямой видимости с Земли. Первый этап программы включает в себя запуск орбитального аппарата Lunar Pathfinder, который в настоящее время запланирован на 2026 год.

«Все, что делается для Луны, имеет целью доставку людей и миссий на Марс», - говорит Томас Наварро, работающий в Лондоне и являющийся инженером будущих проектов ЕКА.

Интернет на Марсе

Марсианские исследователи, не говоря уже о будущих жителях, несомненно, захотят не только пересылать сообщения туда-сюда. Им понадобится система, схожая с земным интернетом, который мы используем для всего - от обмена фотографиями до доступа к массивным базам данных. В июне 2023 года Тобиас Пфандцельтер и Дэвид Бермбах из Технического университета Берлина предложили, чтобы флот спутников, вращающихся вокруг Марса, обеспечил Красную планету собственным разветвленным интернетом.

Большинство из нас на Земле выходят в интернет через свои телефоны, используя радиочастотное излучение в беспроводных сетях 4G или 5G, или через Wi-Fi роутеры. Эти соединения связаны между собой оптоволоконными кабелями по всему миру. Предлагаемая сеть на Марсе будет похожа на Starlink - группировку спутников на низкой околоземной орбите, которой управляет компания SpaceX. На Земле широкополосный интернет и мобильная связь через спутник стоят дорого, но на Марсе такая система может оказаться дешевле и проще, чем создание обширной и мощной сети на земле.

Пфандцельтер и Бермбах являются экспертами в области облачных вычислений - предоставления вычислительных услуг через Интернет. Для своего марсианского интернета они экстраполировали концепции периферийных вычислений, в которых информация обрабатывается в непосредственной близости от места ее сбора.

Майкл Клегг, генеральный менеджер технологической компании Supermicro, расположенной в Сан-Хосе (Калифорния), объяснил принцип периферийных вычислений, используя аналогию с популярной пиццерией, «которая открывает небольшие филиалы в нескольких районах, поскольку пирог, испеченный в главном офисе, может остыть по пути к удаленному клиенту» Обычно для хранения и передачи данных периферийные вычисления опираются на наземные базовые станции, но сейчас в качестве альтернативы рассматриваются низкоорбитальные спутники

Пфандцельтер и Бермбах пришли к выводу, что группировка из 81 низкоорбитального спутника вокруг Марса будет достаточно эффективна для покрытия всей планеты. Они обеспечат локальную систему связи, которая станет продолжением земного интернета.

Подумайте о том, что космонавт на Марсе пытается досмотреть сериал Netflix. «Если бы вы смотрели его с Земли, вам пришлось бы сначала ждать 10, 15 или даже 40 минут, - говорит Пфандзельтер, - и это только для того, чтобы подключиться. Это было бы удручающее дело с остановками и перерывами. А если другой космонавт на Марсе захочет посмотреть тот же фильм, то ему придется проходить этот процесс заново».

А вот облачная система хранения данных на Марсе могла бы сделать фильмы легкодоступными. «Вы сможете получить тот же опыт, что и на Земле, потому что все ваши данные будут скопированы локально», - говорит он. В то же время другие загрузки и скачивания с Земли, например, научные данные, могли бы осуществляться в фоновом режиме.

Вывод интернет-спутников на орбиту вокруг Марса также будет экономичным, поскольку не потребует посадочной инфраструктуры на поверхности, а посадочное оборудование может составлять большую часть бюджета миссии. «Было бы гораздо дешевле просто отправить на Марс кучу сетевых спутников и просто держать их на орбите», - говорит Пфандзельтер.

Это похоже на увеличенную версию концепции MARCONI (и может использоваться радио или оптические волны, в зависимости от уровня развития этих технологий).

Даже если до прибытия на Марс остались десятилетия, говорит Парфитт, начинать планировать уже не рано. Видеочаты между планетами в прямом эфире - это не научная фантастика. Если не произойдет серьезного изменения в законах физики, сообщения никогда не смогут передаваться быстрее скорости света. «Это не проблема, у которой нет решения. Это просто проблема».

Но другие ограничения еще предстоит преодолеть. Решение этих проблем может не только принести пользу будущим астронавтам на Марсе, но и помочь им добраться туда раньше.

«Когда вы создадите такую инфраструктуру, - говорит Парфитт, - вы увидите, что будет предложено больше миссий».

Источник: sciencenews.org