Jam i sigurt që shumë prej jush kanë dëgjuar ose lexuar për atë të fundit Këmbëngulje ulje në Mars, dhe së shpejti Planeti i Kuq tashmë është duke pritur për Shpresën Arabe dhe kinezin Tianwen-1. Pyes veten se si të gjitha këto sonda i transmetojnë të dhënat e kërkimit të tyre në Tokë? Sot do të diskutohet për komunikimin në hapësirë.
Fluturimet drejt planetëve të tjerë kanë qenë gjithmonë një ëndërr e njerëzimit. Për këtë temë janë xhiruar shumë filma artistikë dhe dokumentarë, të cilët tregojnë pothuajse në detaje se si zhvillohet vetë procesi i fluturimit, si ndihen apo do të ndihen anëtarët e ekuipazhit, çfarë duhet bërë në një mjedis të tillë.
Kohët e fundit, e gjithë bota pa me kënaqësi sesi roveri Perseverance zbarkoi në sipërfaqen e Planetit të Kuq dhe bëri fotot e para pas uljes. Tashmë kemi fotot e para nga roveri, i cili do t'ju kujtoj se u ul në Mars më 18 shkurt 2021, si dhe foton e parë të vetë pajisjes.
Këto janë foto teknike të bëra menjëherë pas uljes, foto të rrotave, si dhe një foto e vetë roverit gjatë uljes, e cila është realizuar nga kamerat e montuara në modulin e raketës.
Por gjithmonë e kapja veten duke menduar, si arrijnë të lidhen me Tokën kaq shpejt dhe të transmetojnë pamjet? Pyesja veten nëse kjo ishte e vërtetë apo fantashkencë. Sot do të përpiqem të ndaj mendimet e mia për këtë temë.
Lexoni gjithashtu: Çfarë do të bëjnë këmbëngulja dhe zgjuarsia në Mars?
Sa larg është Marsi dhe çfarë do të thotë kjo?
Më lejoni t'ju kujtoj se Marsi, në varësi të sezonit, është afërsisht 55 deri në 401 milion kilometra nga Toka. Këtu gjithçka varet nga rastësia e orbitave të rrotullimit, përfshirë rreth Diellit. Dhe duke qenë se forma më e shpejtë e komunikimit janë valët elektromagnetike, koha që duhet për të dërguar informacion në Planetin e Kuq do të përcaktohet nga shpejtësia e dritës. Kjo do të thotë, nëse duam të dërgojmë një komandë në një rover ose sondë të tillë, ose të marrim të dhëna, do të duhet të presim pak.
Makinat nuk mund të ndikojnë në vonesat e sinjalit njësoj si njerëzit, kështu që vonesa mund të jetë deri në 60 ms. Dhe gjatë kësaj kohe, sinjali i radios do të përshkojë rreth 18 kilometra. Në rastin e mjeteve hapësinore, ana negative e këtij fenomeni është pamundësia e kontrollit të tyre në kohë reale. E vetmja gjë që mbetet është kalimi në operim autonom, dhe kjo vlen për vetë Këmbënguljen dhe ndoshta edhe më shumë për helikopterin Ingenuity, i cili duhet të fillojë misionin e tij 000-ditor në dhjetëra ditët e ardhshme. Kjo do të thotë, nga sipërfaqja e Marsit marrim një sinjal me një vonesë të konsiderueshme, por pajisjet moderne pothuajse e kanë minimizuar atë. Po, na privoi mundësinë për të kontrolluar pajisjet nga Toka, por i dha një shtysë zhvillimit të automatizimit edhe më të madh të pajisjeve të tilla.
Lexoni gjithashtu: 10 faktet kryesore rreth vrimave të zeza masive të zbuluara në 2020
Si është komunikimi i drejtpërdrejtë midis Tokës dhe misioneve që operojnë në Mars
Jam i sigurt se kjo pyetje është me interes për pothuajse të gjithë ata që ndjekin misione të ngjashme. Pra, për këtë u krijua një rrjet radioteleskopësh i quajtur Deep Space Network (DSN), i cili është pjesë e një strukture edhe më të madhe të quajtur SCaN (Space Communication and Navigation).
Kjo qendër lidh të gjithë transmetuesit dhe marrësit në Tokë që përdoren për të komunikuar me anijen kozmike dhe astronautët në hapësirë. DSN kontrollohet nga Laboratori i Propulsionit Jet i NASA-s.
Radioteleskopët, më të mëdhenjtë prej të cilëve janë deri në 70 metra në diametër, ndodhen pranë Madridit në Spanjë, Kanberrës në Australi dhe Goldstone në shkretëtirën Mojave në Shtetet e Bashkuara. Ky rregullim në pika të ndryshme të sipërfaqes së Tokës minimizon rrezikun e ndërprerjeve të komunikimit dhe bën të mundur rritjen e shpejtësisë së marrjes dhe transmetimit të sinjalit.
Është interesant fakti se Kina, për t'u bërë e pavarur nga rrjetet e tjera, ndërtoi radio teleskopin e saj, po ashtu rreth 70 m në madhësi, me të cilin komunikon me Tianwen-1. Ndër të tjera, fotot e para të planetit janë marrë nga kjo orbitë.
Lexoni gjithashtu: Çfarë mund të na pengojë të kolonizojmë Marsin?
Ekziston një ndryshim i madh midis fuqisë së sinjalit dalës dhe atij të marrë
Tani le të kalojmë te aftësitë teknike të këtyre transmetuesve. Këtu ka edhe shumë gjëra interesante. Pra, ne e dimë se transmetuesit e montuar në këto antena dhe që synojnë objektet hapësinore kanë fuqi nga 20 kW në brezin X (frekuenca nga 8 në rreth 12 GHz) deri në 400 kW (por duhet mbajtur mend se përdorimi i fuqisë mbi 100 kW kërkon rregullime në varësi të përbërjes së ajrit dhe menaxhimit të trafikut) në brezin S (frekuencat rreth 2 deri në 4 GHz, d.m.th. të ngjashme me Wi-Fi në shtëpi ose disa rrjete celulare). Për krahasim, fuqia e transmetuesve më të fortë të stacionit bazë 5G është 120 vat, por zakonisht është shumë më e ulët dhe rrezja formohet ndryshe sesa në rastin e transmetimeve në anijen kozmike.
Kur marrin një sinjal, antenat më të mëdha të rrjetit DSN janë në gjendje të kapin një rreze me fuqi të rendit 10-18 W. Një fuqi e tillë, për shembull, ka sinjalin nga Voyager 2. Sinjalet nga Marsi janë gjithashtu afërsisht të këtij rendi, duke pasur parasysh distancën dhe burimet e kufizuara energjetike të sondave.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ka dy përforcues sinjali 100 vat për çdo brez X, me një rezervë nëse njëri nga kryesorët dështon. Ai gjithashtu ka një transmetues eksperimental që funksionon në brezin Ka (frekuenca në intervalin 26-40 GHz) që transmeton në 35 watts, por vetëm për qëllime testimi.
Faqe DSN tregon qartë se kujt ose nga kush dërgohen ose merren të dhënat aktualisht. Ndër të tjera, pasi të klikojmë në shkurtoren që tregon misionin, mund të shohim të dhëna shtesë. Roveri Perseverance quhet shkurt M20 dhe të dhënat vijnë kryesisht nga MRO.
Lexoni gjithashtu: Hapësira në kompjuterin tuaj: 5 programet më të mira për astronominë
Sa më larg në hapësirë, aq më i ngadalshëm është sinjali
DSN komunikon gjithashtu me sonda të tjera, por ju e dini se sa më larg të jenë nga Toka, aq më i ngadalshëm është shpejtësia e të dhënave. Shumë varet gjithashtu nga fuqia e transmetuesit në një anije kozmike të caktuar. Voyager 1, më i largu nga Toka, transmeton të dhëna me 160 bps, vetëm pak më shpejt se modemet e parë të viteve 1950. Për të hapur një faqe interneti root-nation.com me këtë tekst nga një distancë e tillë, do t'ju duhet të prisni më shumë se një ditë.
Nga ana tjetër, sinjali që arrin në sondë nga Toka është shumë më i fortë, por antena e Voyager 1 është vetëm 3,7 metra në diametër, gjë që, natyrisht, e bën marrjen e sinjalit shumë më të dobët sesa nëse do të ishte një antenë 70 metra.
Lexoni gjithashtu: Sonda diellore Parker tregoi anën e natës të Venusit
Sa të dhëna transmeton një sondë marsiane ose rover gjatë misionit të saj?
Misionet në Mars zakonisht zgjasin dy vite bazë plus kohëzgjatjen e një misioni të zgjatur dhe mund të zgjasin më shumë se një dekadë. Sondat dhe instrumentet që kryejnë vëzhgime vizuale kërkojnë gjerësinë më të madhe të brezit sepse fotografitë janë të paktën megabajt të dhëna. Sinjali mund të përmbajë shumë më tepër të dhëna numerike që karakterizojnë matje të tjera, parametra të atmosferës, fushës magnetike, temperaturës, etj. Prandaj, koha është e duhur në favor të sondave hapësinore. Nuk transmetojnë shumë shpejt, por e bëjnë me këmbëngulje prej vitesh.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), i cili ka fotografuar Marsin që nga viti 2005, ka bërë tashmë më shumë se 50 orbita rreth planetit dhe më shumë se 000 foto që mbulojnë 90% të sipërfaqes së planetit (që nga viti 000). Përveç kësaj, ai transmeton transmetime dhe imazhe nga roverët e Marsit. Për shembull, Curiosity ka bërë tashmë pothuajse një milion foto të papërpunuara (jo të gjitha janë kthyer në foto që ne i admirojmë). Sasia e të dhënave të mbledhura në Tokë nga MRO po i afrohet 99 petabajt (të dhënat e vlerësuara që nga fillimi i vitit 2017).
Megjithatë, MRO është një mision i orientuar drejt fotografisë dhe të dhënave. Për krahasim, sonda Cassini, e cila ka studiuar Saturnin dhe hënat e tij për disa vite, dërgoi vetëm 635 GB të dhëna përsëri në Tokë, të cilat përfshinin 453 foto. Nga ana tjetër, rover Opportunity, i cili udhëtoi rreth Marsit për 15 vjet, dërgoi më shumë se 2018 foto përsëri në Tokë deri në vitin 225 (menjëherë pasi humbëm kontaktin me të përgjithmonë).
Sasia e të dhënave të dërguara në Mars është shumë më e vogël. Meqenëse këto janë kryesisht komanda dhe konfirmime të ekzekutimit të tyre, ose rregullime softuerike (që janë më të rëndësishmet), nuk kërkojnë as transmetues shumë të fuqishëm për t'i transmetuar.
Lexoni gjithashtu: U bë e ditur se kur do të mbarojë oksigjeni atmosferik i Tokës
Si "flet" një sondë ose rover me Tokën?
Tashmë e dimë se si merren të dhënat nga Marsi në Tokë, por si niset komunikimi nga pajisjet në Planetin e Kuq? Sondat që janë në orbitë kanë kushte më të favorshme për të komunikuar me Tokën dhe për të dërguar sasi të mëdha të dhënash. Për një komunikim të tillë përdoret brezi X i përmendur më shpesh. Roveri Perseverance, ashtu si Curiosity, përdor dy transmetues (fuqi të ulët dhe të lartë) që veprojnë në këtë brez për komunikim.
Me ndihmën e tyre, rover mund të "thirr" në mënyrë të pavarur në shtëpi, por shpejtësia e transferimit të të dhënave nga transmetuesi i fuqishëm është maksimumi 800 bps kur sinjali merret nga një antenë 70 metra, ose 160 bps kur është një 34 metra. antenë. Një transmetues me fuqi të ulët është vetëm zgjidhja e fundit sepse ka vetëm një kanal 10-bit për transmetim dhe një kanal 30-bit për marrjen e të dhënave.
Prandaj, sot roverët Curiosity dhe Perserance zakonisht lidhen fillimisht në rrezen UHF me "stacionin bazë" të tyre në orbitën e Marsit - sonda që kanë antena shumë më të mëdha transmetuese. Për këtë përdoren MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey dhe European Mars Express dhe TGO (Trace Gas Orbiter). Ata formojnë një rrjet të quajtur MRN (Mars Relay Network).
Përpara se të krijohej një rrjet i tillë rele, anijet kozmike si Viking 1 dhe 2 duhej të mbështeteshin në orbitat shoqëruese. Për komunikim të drejtpërdrejtë me Tokën, u përdorën transmetues 20 W dhe brez S, komunikimi u krye në një frekuencë prej 381 MHz (banda UHF), e ngjashme me roverët e sotëm.
Lexoni gjithashtu: Crew Dragon nuk është i vetmi: cilat anije do të shkojnë në hapësirë në vitet e ardhshme
Sa është shpejtësia maksimale e komunikimit Mars-Tokë?
Këtu ka shumë nuanca. Pra, Perserance fillimisht dërgon imazhe dhe të dhëna të tjera në sondat orbitale në 400 MHz duke përdorur një antenë të vendosur në pjesën e pasme të roverit, pranë ekranit të gjeneratorit termoelektrik të radioizotopit. Gjerësia e brezit të linjës së komunikimit nga sipërfaqja në orbitën e Planetit të Kuq është deri në 2 Mbit/s. Efikasiteti i lidhjes me orbitën e Marsit varet nga distanca e tij nga Toka, dhe kjo, siç e dini, ndryshon shumë.
Shpejtësia maksimale e lidhjes varion nga 500 kbps kur Marsi është më i largët nga Toka në më shumë se 3 Mbps kur Marsi është më afër planetit tonë. Zakonisht përdoren antena DSN 34 m, për rreth 8 orë në ditë. Kjo, megjithatë, nuk do të thotë që transmetimi është gjithmonë me shpejtësinë maksimale që mund të shihet nga të dhënat e antenave DSN.
Ekziston gjithashtu një mundësi për të vendosur një lidhje të drejtpërdrejtë midis Tokës dhe pajisjeve që ndodhen në sipërfaqen e Marsit, duke anashkaluar sondat që ndodhen në orbitën e planetit. Por lidhje të tilla mund të bëhen vetëm në situata emergjente ose për të dërguar vetëm komanda të thjeshta kontrolli. Kufizime të tilla janë për shkak të faktit se gjerësia e brezit të sinjalit në Mars nga orbita e planetit është 3-4 herë më e madhe sesa me transmetimin e drejtpërdrejtë nga Toka në sipërfaqen e Marsit. Antenat që funksionojnë në brezin X përdoren për një komunikim të tillë, si në Tokë ashtu edhe në rover.
Por ka edhe ndërprerje në komunikim, të cilat nuk mund të ndikojmë sot. Shkaku i tyre është Dielli. Vetë Dielli mund të ndërhyjë në transmetimin e të dhënave nga sondat që kalojnë pranë tij, sepse Planeti i Kuq thjesht fshihet nga ne herë pas here. Dhe duke qenë se ne nuk kemi ende një rrjet komunikimi të zhvilluar mirë në sistemin diellor, Marsit i duhen rreth 10 ditë që të kalojë pranë diskut diellor çdo dy vjet. Është gjatë kësaj periudhe që komunikimi me roverët dhe sondat mungon plotësisht.
Ndonjëherë nuk ka rrugëdalje tjetër, duhet të punoni shumë dhe të prisni të dhëna për ditë apo edhe muaj
Për fat të mirë, në rastin e misioneve në Mars, shkencëtarët nuk kanë pasur probleme të tilla deri më tani. Por nëse ndonjëri prej jush e mban mend sondën Galileo të viteve 1990, ju e dini se atëherë kishte probleme të mëdha me kontrollin tokësor. Antena e transmetimit të sondës ishte vendosur vetëm pjesërisht, kështu që nuk ishte në gjendje të arrinte gjerësinë e brezit të synuar prej 134 kbps. Shkencëtarët duhej të zhvillonin metoda të reja të kompresimit të të dhënave për të mos humbur kontaktin me sondë. Ata ishin në gjendje të rrisnin performancën e antenës së dytë me fitim të ulët nga 8-16 bps (po, bit për sekondë) në 160 bps dhe më pas në rreth 1 kbit/s. Ishte ende shumë pak, por doli të ishte e mjaftueshme për të shpëtuar misionin.
Nga ana tjetër, anijet kozmike shumë të largëta duhet të pajisen me antena transmetuese shumë të fuqishme dhe burime energjie, sepse transmetimi kërkon shumë kohë. Nga sonda New Horizons, antena transmetuese e së cilës ka një fuqi prej 12 W, pas fluturimit të saj pranë Plutonit, shkencëtarët pritën me muaj të tërë për një grup të plotë të dhënash të transmetuara.
A mund të zgjidhet ky problem? Po, është e mundur, por për këtë duhet të ndërtojmë rrjete komunikimi në të gjithë sistemin diellor, por kjo kërkon shumë kohë dhe, natyrisht, infuzione të mëdha financiare.
Çfarë mund të presim më pas?
Jam i sigurt se na presin shumë informacione interesante nga sipërfaqja e Marsit dhe më gjerë. Njerëzimi është i etur të shpërthejë nga Toka dhe të eksplorojë planetë të largët dhe sisteme të tjera diellore. Ndoshta, në disa dekada, ky artikull im do t'i buzëqeshë vetëm nxënësit e shkollave në Mars ose diku në Alpha Centauri. Ndoshta atëherë njerëzimi do të fluturojë në planetë të tjerë aq lehtë dhe thjesht siç jemi tani nga Kievi në Nju Jork. Për një gjë jam i sigurt, është e pamundur të ndalosh dëshirën e njerëzimit për të eksploruar hapësirën!
Gjithashtu interesante: