Ég er viss um að mörg ykkar hafi heyrt eða lesið um það nýlega Þrautseigja lendir á Mars, og bráðum bíður rauða plánetan nú þegar eftir arabísku voninni og hinni kínversku Tianwen-1. Ég velti því fyrir mér hvernig allir þessir rannsakandi senda gögn rannsókna sinna til jarðar? Fjallað verður um geimsamskipti í dag.
Flug til annarra pláneta hefur alltaf verið draumur mannkyns. Fjölmargar kvikmyndir í fullri lengd og heimildarmyndir hafa verið teknar um þetta efni sem segja nánast ítarlega hvernig flugferlið sjálft fer fram, hvernig áhafnarmeðlimum líður eða mun líða, hvað ætti að gera í slíku umhverfi.
Nýlega fylgdist allur heimurinn með ánægju þegar Perseverance flakkarinn lenti á yfirborði Rauðu plánetunnar og tók fyrstu myndirnar eftir lendingu. Við erum nú þegar með fyrstu myndirnar af flakkaranum, sem ég minni þig á, lenti á Mars 18. febrúar 2021, sem og fyrstu myndina af tækinu sjálfu.
Um er að ræða tæknilegar myndir sem teknar voru strax eftir lendingu, myndir af hjólunum, auk mynd af flakkaranum sjálfum við lendingu sem tekin var með myndavélum sem festar voru á eldflaugaeininguna.
En ég lenti alltaf í því að hugsa, hvernig tekst þeim að tengjast jörðinni svona hratt og senda myndefnið? Ég velti því fyrir mér hvort þetta væri satt eða vísindaskáldskapur? Í dag mun ég reyna að deila hugsunum mínum um þetta efni.
Lestu líka: Hvað mun þrautseigja og hugvit gera á Mars?
Hversu langt er Mars og hvað þýðir það?
Leyfðu mér að minna þig á að Mars, eftir árstíð, er um það bil 55 til 401 milljón kílómetra frá jörðinni. Hér veltur allt á tilviljun snúningsbrautanna, þar á meðal í kringum sólina. Og þar sem hraðasta samskiptaformið er rafsegulbylgjur, mun tíminn sem það tekur að senda upplýsingar til Rauðu plánetunnar ráðast af ljóshraða. Það er að segja, ef við viljum senda skipun á svona flakkara eða rannsaka, eða taka á móti gögnum, verðum við að bíða aðeins.
Vélar geta ekki haft áhrif á seinkun merkja á sama hátt og menn geta, svo seinkunin getur verið allt að 60 ms. Og á þessum tíma mun útvarpsmerkið ferðast um 18 kílómetra. Þegar um geimfarartæki er að ræða er neikvæða hliðin á þessu fyrirbæri sú að ómögulegt er að stjórna þeim í rauntíma. Það eina sem eftir er er umskipti yfir í sjálfvirkan rekstur og á það við um sjálfa þrautseigjuna og sennilega enn frekar um Ingenuity þyrluna sem ætti að hefja 000 daga verkefni sitt á næstu tugum dögum. Það er, frá yfirborði Mars fáum við merki með verulegri töf, en nútíma tæki hafa nánast lágmarkað það. Já, það svipti okkur tækifæri til að stjórna tækjum frá jörðinni, en það var hvati til að þróa enn meiri sjálfvirkni slíkra tækja.
Lestu líka: Topp 10 staðreyndir um risastór svarthol sem fundust árið 2020
Hvernig eru bein samskipti milli jarðar og leiðangra sem starfa á Mars
Ég er viss um að þessi spurning er áhugaverð fyrir næstum alla sem fylgja svipuðum verkefnum. Þannig að fyrir þetta var búið til net af útvarpssjónaukum sem kallast Deep Space Network (DSN), sem er hluti af enn stærra skipulagi sem kallast SCaN (Space Communication and Navigation).
Þessi miðstöð tengir alla senda og móttakara á jörðinni sem notuð eru til að hafa samskipti við geimfar og geimfara í geimnum. DSN er stjórnað af Jet Propulsion Laboratory NASA.
Útvarpssjónaukar, þeir stærstu eru allt að 70 metrar í þvermál, eru staðsettir nálægt Madríd á Spáni, Canberra í Ástralíu og Goldstone í Mojave eyðimörkinni í Bandaríkjunum. Þetta fyrirkomulag á ýmsum stöðum á yfirborði jarðar lágmarkar hættuna á truflunum á samskiptum og gerir kleift að auka hraða við móttöku og sendingu merkja.
Það er athyglisvert að Kína, til að verða óháð öðrum netum, byggði sinn eigin útvarpssjónauka, einnig um 70 m að stærð, sem það hefur samband við Tianwen-1. Meðal annars voru fyrstu myndirnar af plánetunni teknar af þessari braut.
Lestu líka: Hvað getur komið í veg fyrir að við nýlendu Mars?
Það er mikill munur á úttakinu og mótteknu merkjaafli
Nú skulum við halda áfram að tæknilegum getu þessara sendenda. Hér er líka margt áhugavert. Þannig að við vitum að sendarnir sem eru festir á þessi loftnet og miða að geimhlutum hafa afl frá 20 kW á X-bandinu (tíðni frá 8 til um 12 GHz) til 400 kW (en það ber að hafa í huga að notkun á afli yfir 100 kW krefst aðlögunar eftir loftsamsetningu og umferðarstjórnun) á S-bandinu (tíðni í kringum 2 til 4 GHz, þ.e. svipað og Wi-Fi heima eða sum farsímanet). Til samanburðar má nefna að afl sterkustu 5G stöðva sendanna er 120 vött en það er yfirleitt mun lægra og geislinn myndaður öðruvísi en þegar um er að ræða sendingar til geimfara.
Við móttöku merki geta stærstu loftnet DSN netkerfisins náð geisla með afl af stærðargráðunni 10-18 W. Slíkt afl hefur til dæmis merki frá Voyager 2. Merki frá Mars eru líka um það bil af þessari röð, miðað við fjarlægð og takmarkaðar orkulindir rannsakanna.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) er með tvo 100-watta merkjahvata fyrir hvert X-band, með einum öryggisafriti ef einn af þeim helstu bilar. Hann er einnig með tilraunasendi sem starfar á Ka bandinu (tíðni á bilinu 26-40 GHz) sem sendir á 35 vöttum, en aðeins í prófunarskyni.
DSN síðu sýnir greinilega hverjum eða frá hverjum gögn eru send eða móttekin. Meðal annars, eftir að hafa smellt á flýtileiðina sem gefur til kynna verkefnið, getum við séð viðbótargögn. Perseverance flakkarinn heitir í stuttu máli M20 og gögnin koma aðallega frá MRO.
Lestu líka: Rými á tölvunni þinni: 5 bestu forritin fyrir stjörnufræði
Því lengra út í geiminn, því hægara er merkið
DSN hefur einnig samskipti við aðra rannsaka, en þú veist því lengra sem þeir eru frá jörðinni, því hægari er gagnahraðinn. Mikið veltur líka á krafti sendisins á tilteknu geimfari. Voyager 1, sem er lengst frá jörðinni, sendir gögn á 160 bps, aðeins örlítið hraðar en fyrstu mótald fimmta áratugarins. Til að opna vefsíðu root-nation.com með þessum texta úr slíkri fjarlægð þarftu að bíða í meira en einn dag.
Aftur á móti er merkið sem berst til rannsakans frá jörðu mun sterkara en loftnet Voyager 1 er aðeins 3,7 metrar í þvermál, sem gerir merkjamóttökuna að sjálfsögðu mun veikari en ef um 70 metra loftnet væri að ræða.
Lestu líka: Parker Solar Probe sýndi næturhlið Venusar
Hversu mikið af gögnum sendir kanni eða flakkari frá Mars í leiðangri sínum?
Mars-leiðangur tekur venjulega tvö grunnár auk lengdar útrásar og getur varað í meira en áratug. Rannsakendur og tæki sem framkvæma sjónrænar athuganir þurfa mesta bandbreidd vegna þess að ljósmyndir eru að minnsta kosti megabæti af gögnum. Merkið getur innihaldið miklu fleiri töluleg gögn sem einkenna aðrar mælingar, breytur lofthjúpsins, segulsvið, hitastig o.s.frv. Því er rétti tíminn í þágu geimrannsókna. Þeir senda ekki of hratt, en þeir gera það viðvarandi í mörg ár.
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), sem hefur verið að mynda Mars síðan 2005, hefur þegar tekið meira en 50 brautir um plánetuna og meira en 000 myndir sem þekja 90% af yfirborði plánetunnar (frá og með 000). Að auki sendir það útsendingar og myndir frá Mars flakkara. Til dæmis hefur Curiosity þegar tekið næstum milljón hráar myndir (þær hafa ekki allar breyst í myndir sem við dáumst að). Magn safnaðra gagna á jörðinni frá MRO nálgast 99 petabæt (áætlað gögn frá og með byrjun árs 2017).
Hins vegar er MRO ljósmynda- og gagnamiðað verkefni. Til samanburðar má nefna að Cassini rannsakandi, sem hefur rannsakað Satúrnus og tungl hans í nokkur ár, sendi aðeins 635 GB af gögnum aftur til jarðar, sem innihélt 453 myndir. Aftur á móti flakkarinn Opportunity, sem ferðaðist um Mars í 15 ár, sendi meira en 2018 myndir aftur til jarðar árið 225 (skömmu eftir að við misstum sambandið við hana að eilífu).
Gagnamagnið sem sent er til Mars er mun minna. Þar sem þetta eru aðallega skipanir og staðfestingar á framkvæmd þeirra, eða hugbúnaðarleiðréttingar (sem eru þær mikilvægustu), þurfa þær ekki einu sinni mjög öfluga senda til að senda þær.
Lestu líka: Það varð vitað hvenær súrefni í andrúmslofti jarðar mun klárast
Hvernig "talar" rannsakandi eða flakkari við jörðina?
Við vitum nú þegar hvernig gögn frá Mars eru móttekin á jörðinni, en hvernig eru samskipti hafin frá tækjum á rauðu plánetunni? Kannar sem eru á sporbraut hafa hagstæðari aðstæður til að eiga samskipti við jörðina og senda mikið magn af gögnum. Til slíkra samskipta er notað X-bandið sem oftast er nefnt. Perseverance flakkarinn, eins og Curiosity, notar tvo senda (lágt og mikið afl) sem starfa á þessu bandi til samskipta.
Með þeirra hjálp getur flakkarinn sjálfstætt „hringt“ heim en gagnaflutningshraði frá öfluga sendinum er að hámarki 800 bps þegar merki er tekið á móti 70 metra loftneti, eða 160 bps þegar það er 34 metra. loftnet. Lágt afl sendir er aðeins síðasta úrræði vegna þess að hann hefur aðeins 10 bita rás til að senda og 30 bita rás til að taka á móti gögnum.
Þess vegna tengjast Curiosity og Perserance flakkararnir í dag venjulega fyrst á UHF-sviðinu við "grunnstöðina" sína á sporbraut um Mars - rannsaka sem hafa miklu stærri sendiloftnet. Til þess eru notuð MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutionN), Mars Odyssey og European Mars Express og TGO (Trace Gas Orbiter). Þeir mynda net sem kallast MRN (Mars Relay Network).
Áður en slíku boðneti var komið á, þurftu geimför eins og Viking 1 og 2 að treysta á fylgdarbrautir. Fyrir bein samskipti við jörðina voru notaðir 20 W sendir og S-band, samskipti fóru fram á tíðninni 381 MHz (UHF band), svipað og flakkara í dag.
Lestu líka: Crew Dragon er ekki sá eini: hvaða skip munu fara út í geim á næstu árum
Hver er hámarkshraði samskipta Mars og jarðar?
Hér eru mörg blæbrigði. Þannig að Perserance sendir fyrst myndir og önnur gögn til brautarrannsóknanna á 400 MHz með loftneti sem er staðsett aftan á flakkanum, við hliðina á skjánum fyrir geislasamsætu hitarafla. Bandbreidd samskiptalínunnar frá yfirborði til sporbrautar Rauðu plánetunnar er allt að 2 Mbit/s. Skilvirkni tengingarinnar við braut Mars fer eftir fjarlægð hennar frá jörðu og er það, eins og þú veist, mjög mismunandi.
Hámarkstengingarhraði er frá 500 kbps þegar Mars er lengst frá jörðu til meira en 3 Mbps þegar Mars er næst plánetunni okkar. Venjulega eru notuð 34m DSN loftnet, í um 8 klukkustundir á dag. Þetta þýðir þó ekki að sendingin sé alltaf á þeim hámarkshraða sem sést af gögnum DSN loftnetanna.
Það er líka tækifæri til að koma á beinu sambandi milli jarðar og tækjanna sem eru á yfirborði Mars og fara framhjá könnunum sem eru á sporbraut plánetunnar. En slík tenging er aðeins hægt að gera í neyðartilvikum eða til að senda aðeins einfaldar stjórnskipanir. Slíkar takmarkanir stafa af því að bandbreidd merkisins til Mars frá sporbraut plánetunnar er 3-4 sinnum meiri en við beina sendingu frá jörðu til yfirborðs Mars. Loftnet sem starfa í X-bandinu eru notuð til slíkra samskipta, bæði á jörðinni og á flakkanum.
En það eru líka truflanir í samskiptum sem við getum ekki haft áhrif á í dag. Orsök þeirra er sólin. Sólin sjálf getur truflað sendingu gagna frá könnunum sem fara nálægt henni, vegna þess að rauða plánetan felur sig einfaldlega fyrir okkur af og til. Og þar sem við höfum ekki enn vel þróað samskiptanet í sólkerfinu, tekur Mars um 10 daga að renna framhjá sólskífunni á tveggja ára fresti. Það er á þessu tímabili sem samskipti við flakkara og rannsaka eru algjörlega fjarverandi.
Stundum er engin önnur leið út, þú þarft að vinna hörðum höndum og bíða eftir gögnum í marga daga eða jafnvel mánuði
Sem betur fer, í tilviki Mars leiðangra, hafa vísindamenn ekki lent í slíkum vandamálum hingað til. En ef einhver ykkar man eftir Galileo könnuninni á tíunda áratugnum, þá veistu að það voru mikil vandamál með stjórn á jörðu niðri þá. Sendiloftnet rannsakandans var aðeins komið fyrir að hluta og því tókst ekki að ná tilætluðum bandbreidd upp á 1990 kbps. Vísindamenn þurftu að þróa nýjar gagnaþjöppunaraðferðir til að missa ekki samband við rannsakann. Þeir gátu aukið afköst annars lágaflsloftnetsins úr 134-8 bps (já, bitum á sekúndu) í 16 bps og síðan í um 160 kbit/s. Það var samt mjög lítið, en það reyndist nóg til að bjarga verkefninu.
Aftur á móti þurfa mjög fjarlæg geimfar að vera búin mjög öflugum sendiloftnetum og aflgjafa því sendingin tekur langan tíma. Frá New Horizons rannsakandanum, sem sendiloftnetið hefur 12 W afl, eftir að hann fljúgaði nálægt Plútó, biðu vísindamenn í marga mánuði eftir fullkomnu setti af sendum gögnum.
Er hægt að leysa þetta vandamál? Já, það er mögulegt, en til þess þurfum við að byggja upp samskiptanet um allt sólkerfið, en þetta krefst mikils tíma, og auðvitað gríðarlegt fjárhagslegt innrennsli.
Við hverju getum við búist næst?
Ég er viss um að mikið af áhugaverðum upplýsingum bíður okkar frá yfirborði Mars og víðar. Mannkynið er fús til að brjótast út úr jörðinni og kanna fjarlægar plánetur og önnur sólkerfi. Kannski, eftir nokkra áratugi, mun þessi grein mín aðeins fá skólabörn á Mars eða einhvers staðar í Alpha Centauri til að brosa. Kannski mun mannkynið fljúga til annarra pláneta eins auðveldlega og einfaldlega og við erum núna frá Kyiv til New York. Ég er viss um eitt, það er ómögulegt að stöðva löngun mannkyns til að kanna geiminn!
Einnig áhugavert: