10 banebrydende ideer til at revolutionere interplanetarisk kommunikation

Vigtige ting

• Implementer et satellitnet, der dækker hele solsystemet, og skift fra radio- til laserlinks for at øge datahastigheder og reducere latens.
• Forstærk fjerne signaler med Solens tyngdekraft, og byg ultra-følsomme modtagere, der er i stand til at høste selv en enkelt fotons værdi af data.
• Udforsk spekulative metoder, der er hurtigere end lyset – mens de stadig er teoretiske, flytter de grænserne for, hvad der en dag kunne muliggøre øjeblikkelig interstellar dialog.

På Jorden lader en smartphone os sende tekster, billeder og video fra næsten hvor som helst på få sekunder. Dette niveau af øjeblikkelig kommunikation med høj båndbredde er en hjørnesten i moderne liv og forskning. I rummet gør de store afstande og det fjendtlige miljø imidlertid en sådan forbindelse til en formidabel udfordring. Radiobølger bevæger sig langsomt og nedbrydes over millioner af kilometer, og planetariske bevægelser kan endda blokere signaler fuldstændigt.

For en Mars-kolonist kan kommunikationsforsinkelser strække sig fra 3 til 21 minutter, og roverens datahastighed topper på omkring 256 kbps - sammenlignelig med opkaldshastigheder i midten af 1990'erne. At streame live video eller køre cloud-tjenester er simpelthen ikke muligt med den nuværende teknologi.

Disse forhindringer har drevet videnskabsmænd til at udtænke en række løsninger. Nedenfor er de ti mest lovende koncepter, der kan transformere, hvordan vi kommunikerer på tværs af solsystemet og videre.

10. Et satellitnet til hele solsystemet

Forestil dig en konstellation af relæsatellitter, der strækker sig fra Merkur til Pluto - en kæde på 3,7 milliarder mil (6 milliarder km), der afspejler Arthur C. Clarkes tidlige vision om et globalt satellitnetværk. Siden 1945 har satellitter nu kredset om næsten alle planetariske legeme, hvilket muliggør global jordkommunikation. Udvidelse af dette koncept ville gøre det muligt for ethvert rumfartøj eller planetoverflade at transmittere data til ethvert andet punkt i systemet via en række hop.

GeorgeE.Mueller og JohnE.Taber foreslog første gang et sådant netværk i 1959, og senere forskere forestillede sig et system med tre satellitter, der kredser om solen, og yderligere geosynkrone eller polære baner omkring hver planet. Selvom byggeomkostningerne forbliver høje, ville infrastrukturen dramatisk reducere forsinkelser og øge pålideligheden.

9. Laserbaserede datalinks

Radiofrekvenser er begrænset af båndbredde og strålespredning, hvorimod laserlys - kortere bølgelængder og højere energitæthed - kan transmittere størrelsesordener flere data med mindre effekt. NASAs Deep Space Optical Communications-projekt (DSOC) demonstrerer 10-til-100-fold forbedringer i forhold til nuværende radiosystemer, hvilket potentielt muliggør live HD-video fra Mars.

Selvom laserkommunikation kræver præcis pegning og atmosfærisk afbødning, bekræfter indledende demonstrationer med lav hastighed og planlagte tests i månekredsløb dens levedygtighed for fremtidige missioner.

8. Udnyttelse af eksisterende rumfartøjer som netværksknuder

I stedet for at affyre dedikerede relæer, kan fremtidige missioner udstyre enhver orbiter, lander og rover med standardiserede inter-satellit radioer. Dette skaber et dynamisk, mesh-lignende netværk, der afspejler vores jordbaserede internet – hvilket giver videnskabsmænd mulighed for at få adgang til realtidsdata fra enhver platform via en samlet grænseflade.

IEEE Spectrum fremhævede, at et sådant netværk ville lade forskere undersøge Mars geologi, Europas isdække eller Venus' skymønstre, som om de var på et skrivebord i hjemmet.

7. En rumtilpasset internetprotokol

Standard TCP/IP forudsætter kontinuerlige forbindelser med lav latens, hvilket er urealistisk på tværs af interplanetariske afstande. Disruption-Tolerant Networking (DTN) bevarer datapakker, indtil et link er genetableret, hvilket forhindrer tab under lange afbrydelser. NASAs 2008 DTN-test transmitterede med succes billeder fra et rumfartøj 20millionmi (32Mkm) væk.

6. Planetcentrerede relæsatellitter i ikke-Keplerske baner

Forbindelser mellem Jorden og Mars - når Solen blokerer direkte radiostier - kan vare i uger. Forskere foreslår at placere to kommunikationssatellitter i en ikke-Kepleriansk bane omkring Mars, vedligeholdt af ion-fremdrift, for at give kontinuerlig dækning selv under justering. Denne tilgang holder signalforsinkelsen lav og mindsker den 780-dages konjunktionscyklus.

5. "Brødkrumme"-relækæder til interstellare rejser

Project Icarus forestiller sig et generationsskib, der med jævne mellemrum skubber tomme brændstofbeholdere ud udstyret med radiorelæer. Disse "brødkrumme"-noder danner en hop-by-hop-kæde, der drastisk reducerer hvert leds afstand og den kraft, der kræves til transmission. Konceptet, foreslået af ingeniør Pat Galea, kunne gøre langdistancedatahastigheder mulige uden massive antennesystemer på skibet.

4. Globalt udvalg af kæmpeantenner

Detektering af svage signaler fra fjerne prober kræver et enormt opsamlingsområde. Project Icarus anbefaler flere jordbaserede arrays - hver spænder over miles - for at fange svage transmissioner og filtrere atmosfærisk støj fra. Distribuerede placeringer sikrer kontinuerlig dækning, når Jorden roterer, og vejrforholdene varierer.

3. Solar Gravitationslinser

Gravitationslinser lader massive kroppe bøje og fokusere lyset. Et relæ-rumfartøj placeret omkring 51 milliarder mi (82 milliarder km) fra Solen, overfor det interstellare skib, kunne forstørre sine signaler via Solens tyngdekraft og returnere dem til Jorden ved hjælp af laserlinks, hvilket dramatisk sænker sendereffektbehovet.

2. Ultra-følsomme strukturerede optiske modtagere

Ved at sende flere identiske kopier af et signal og derefter rekombinere de overlevende fotoner med en Guha-modtager, kan missionskontrol rekonstruere beskeder, selv når individuelle fotoner går tabt. Denne teknik "makulerer" og samler data effektivt, hvilket muliggør kommunikation på tværs af interplanetariske afstande, som ellers ville gøre signaler uopdagelige.

1. Hurtigere-end-let-neutrinofon (spekulativ)

Selv med laserlinks skaber lyshastighedsgrænser forsinkelser på flere minutter i solsystemet og flere års forsinkelser til Alpha Centauri. Hypotetisk hurtigere-end-lys-kommunikation (FTL) ved hjælp af neutrinoer eller andre eksotiske partikler er blevet udforsket, men kræver et gennembrud, der ville krænke den særlige relativitetsteori. Mens nuværende eksperimenter (f.eks. 2011 CERN neutrino anomali) er blevet afkræftet, driver konceptet teoretisk forskning i ny fysik.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er de største udfordringer i interplanetarisk kommunikation?

Afstand, planetarisk bevægelse og rumstråling bidrager alle til høj latenstid og signalforringelse, hvilket gør pålidelig tovejskommunikation vanskelig.

Hvordan kan interplanetarisk kommunikation udvikle sig i fremtiden?

Fremtidige løsninger omfatter et solsystem-satellitnet, laserbaserede datalinks og forstyrrelsestolerante netværk for at levere hurtigere og mere pålidelig forbindelse.

Flere oplysninger

Forfatterens note

Mens streaming af live video fra Mars stadig er en drøm, bringer løbende fremskridt inden for laserkommunikation og inter-satellit-netværk os tættere på denne virkelighed. Dagen, hvor astronauter kan chatte med Jorden, som på et sofabord, nærmer sig.

Kilder

• Betts, Bruce. "Første planet opdaget i Alpha Centauri System." Planetary.org, 2012.
• Bridges, Andrew. "Mars Rovers får båndbreddeforøgelse." Associated Press, 2012.
• Boyle, Rebecca. "Bummer:Hurtigere end lette neutrinoer var ikke, og det var kabelmandens skyld." Popsci.com, 2012.
• Cornell University Astronomy Department. "Hvad er størrelsen af ​​solsystemet?" 2002.
• Davidovich, Stevan M. &Whittington, Joel. "Koncept for kontinuerlig interplanetarisk kommunikation." 1999.
• Department of Physics, University of Illinois i Urbana-Champaign. "Spørgsmål og svar:Mobiltelefonfotoner." 2012.
• Galea, Pat. "Project Icarus:The Interstellar Communication Problem." Discovery News, 2012.
• Guha, Saikat. "Strukturerede optiske modtagere for at opnå superadditiv kapacitet og Holevo-grænsen." Physical Review Letters, 2011.
• Jackson, Joab. "Det interplanetariske internet." IEEE Spectrum, 2005.
• Klotz, Irene. "NASA tester Ultimate Space Wi-Fi." Discovery News, 2011.
• McClain, Joseph. "Neutrinofonen:Den er ikke til dig. (Men den er sej.)" 2012.
• Moskowitz, Clara. "Einsteins matematik antyder en hurtigere rejse end lys, siger videnskabsmænd." LiveScience, 2012.
• Mueller, George E. &Taber, John E. "An Interplanetary Communication System." 1959.
• NASA. "Deep Space Optical Communications (DSOC)." 2011.
• NASA. "Exoplanethistorie – fra intuition til opdagelse."
• NASA. "Demonstration af laserkommunikationsrelæ."
• NASA. "Mars Program Planlægningsgruppe." 2012.
• NASA. "NASA har testet det første Deep Space Internet med succes." 2008.
• Obousy, R.K. et al. "Projekt Icarus:Fremskridtsrapport om teknisk udvikling og designovervejelser." 2012.
• Phys.org. "Nyt koncept kan forbedre kommunikationen mellem Jorden og Mars." 2009.
• Rambo, Tim. "Implementering af en næsten optimal optisk modtager til interplanetarisk kommunikation." 2012.
• Ruag.com. "Optisk kommunikation."
• Spaceacademy.net.au. "Kommunikationsforsinkelse."
• U.S. Air Force Air University. "Kapitel 11 – U.S.S. Satellite Communications Systems."
• Space.com. "Hvad er afstanden mellem Jorden og Mars?"