Czy na Marsie będzie Netflix?

W tym roku mija 50 lat wypowiedzenia słynnych słów „To mały krok dla człowieka, ale wielki skok dla ludzkości”. Pół wieku temu Neil Armstrong postawił pierwszy krok na księżycu. Dziś coraz częściej mówi się o wznowieniu podboju kosmosu – amerykańska administracja ogłasza plan powrotu na Srebrny Glob do 2024 roku w ramach projektu „Artemis”, a Elon Musk snuje wizję utworzenia kolonii na Marsie. Życie na innej planecie to kusząca wizja, jednak nasze pokolenie często nie zdaje sobie sprawy, jak wygląda komunikacja w przestrzeni międzygwiezdnej. Jeśli problemem dla nas jest kilka godzin bez dostępu do telefonu, to czy bylibyśmy w stanie wytrzymać na planecie, gdzie transfer danych osiąga maksymalnie prędkość starego telefonicznego modemu?

Oto 6 faktów o tym, jak wygląda komunikacja w kosmosie.

1.    Wiadomości odbierane przez inne cywilizacje

Według filmu „Kontakt”, pierwszym sygnałem, który dotarł do obcej cywilizacji z ziemi, jest przemówienie Adolfa Hitlera z otwarcia igrzysk olimpijskich w 1936 r. Tak naprawdę istnieje bardzo małe prawdopodobieństwo, że wystąpienie nazistowskiego dyktatora mogłoby zostać odczytane przez cywilizację oddaloną o 25 mln lat świetlnych. Sygnał był zbyt słaby, a antena emitująca nie miała możliwości skierowania go w konkretnym kierunku, by zwiększyć zasięg. Pierwszym sygnałem, który ma szansę zostać odczytany przez obcych, jest wiadomość wyemitowana przez centrum badawcze w Puerto Rico w 1974 r. Sygnał wysłany w kierunku oddalonej o 25 tys. lat świetlnych Gromady Herkulesa składał się z 1679 znaków i zawierał podstawowe informacje o stosowanym przez nas systemie numerycznym, liczby atomowe najważniejszych pierwiastków, sylwetkę człowieka i informacje o naszej lokalizacji.

Radioteleskop znajdujący się w Puerto Rico. Źródło: Wikipedia. CC 3

2.    Najdalszy obiekt, z jakim się komunikujemy

Znajduje się 21 miliardów kilometrów od Ziemi i ciągle oddala się od niej z prędkością 60 tysięcy km/h. Sonda Voyager 1 została wystrzelona w 1977 roku i pomimo upływu 42 lat nadal komunikuje się z Ziemią. Sygnał wysłany przez sondę potrzebuje ponad 18 godzin na dotarcie do naszych anten. Misją Voyagera było przesyłanie obrazów z najdalszych zakątków układu słonecznego. Ostatnie zdjęcia sonda wykonała w 1990 roku, na niedługo przed opuszczeniem Układu Słonecznego. Ukazywały naszą planetę z nieznanej dotąd perspektywy, oddalonej o 6 miliardów kilometrów, gdzie Ziemia była widoczna jako „bladoniebieska kropka”, zajmująca jedynie 0,12 piksela. Transfer przesyłania plików osiągnął „zawrotne” 2 kB/s, a do ich odbioru potrzebny jest najbardziej czuły system na naszej planecie.

Bladoniebieska kropka. Jedno z ostatnich zdjęć wykonanych przez sondę Voyager. Punkt zaznaczony okręgiem to Ziemia. Źródło: NASA (Public Domain Mark 1.0)

3.    Najbardziej czuły system odbioru na naszej planecie

Odbiór danych z kosmosu wiąże się wieloma z problemami. Najpoważniejsze z nich to siła sygnału i ruch obrotowy Ziemi. Przebywanie w miejscu oddalonym o kilka kilometrów od nadajnika telefonii komórkowej wiąże się ze słabszym zasięgiem. Wyobraźmy sobie, że ten nadajnik znajduje się poza Układem Słonecznym i pędzi z prędkością 50 razy szybszą niż dźwięk. Do odbioru takiego sygnału wykorzystuje się jedne z największych anten na świecie mierzących od 30 do 70 metrów, czyli tzw. Deep Space Network. By móc odbierać sygnał przez 24 godziny na dobę, nawet kiedy satelita czy marsjański łazik znajduje się po drugiej stronie planety od kontrolujących misję anteny DSN rozmieszczone są w trzech miejscach na trzech różnych kontynentach: w Kalifornii, Hiszpanii i Australii. Usytuowanie ich co 120^O ziemskiej długości geograficznej pozwala na nieprzerwany odbiór sygnału przez całą dobę.

Jeden z elemetnów wchodzącyh w skład Deep Space Network, 34-metrowa antena znajdująca się na pustyni Mojave w Kalifornii. Źródło: NASA (Public Domain Mark 1.0)

4. Najbardziej spektakularna transmisja kosmiczna

Tytuł największego kosmicznego wydarzenia medialnego zdecydowanie należy – i z pewnością będzie jeszcze długo należał – do lądowania misji Apollo 11 na powierzchni Księżyca. 600 mln ludzi na całym świecie obserwowało z zapartym tchem to wydarzenie, nie zdając sobie sprawy, że transmisja na żywo była niewiele mniejszym wyzwaniem niż sam lot. Moduł komunikacyjny, oprócz dźwięku i obrazu, musiał przekazywać dane biomedyczne i nawigacyjne, dlatego wymagał rozszerzenia standardowej częstotliwości. Dodatkowo ograniczone pasmo wymagało stworzenia specjalnej kamery, która była w stanie przekazywać bardziej „skompresowany” obraz. Nie mniej wyzwań stanowił także osprzęt do komunikacji astronautów z bazą. Na przygotowanie zestawu słuchawkowego, przez który miało paść słynne „Orzeł wylądował” produkująca go firma Plantronics (obecnie Poly) dostała tylko 11 dni. Na szczęście sprzęt sprawił się bez zarzutu i załoga statku mogła bez przeszkód komunikować się z Houston.

Neil Armstrong noszący zbudowany w 11 dni zestaw do komunikacji Plantronics. Źródło: Plantronics

5. Najszybszy transfer w kosmosie

Przekazywanie danych w przestrzeni kosmicznej z wykorzystaniem fal radiowych nastręcza wiele problemów, zwłaszcza gdy mowa o wielkich wolumenach danych. Dlatego badacze rozważają wykorzystanie innych rozwiązań. Jednym z nich jest wykorzystanie spektrum światła widzialnego, podobnie jak w światłowodzie, z tą różnicą, że sygnał jest przekazywany bezpośrednio do odbiornika. Laserowy system komunikacyjny będzie transmitować dane z kosmosu na Ziemię od 10 do nawet 100 razy szybciej od istniejących systemów radiowych. Inny, eksperymentalny koncept, który zostanie przetestowany w przeciągu kilku najbliższych miesięcy to XKOM – wykorzystujący promieniowanie rentgenowskie. Ma ono dużo bardziej penetrujące zdolności niż sygnał radiowy. Dodatkowo ze względu na wyższe częstotliwości fali nośnej możliwe jest upakowanie dużo większej ilości informacji, pozwalając na osiągnięcie transferu sięgającego kilku gigabitów na sekundę. Technologia ta będzie kluczowa w przypadku transferu danych zbieranych przez największe i najdokładniejsze urządzenia pomiarowe.

Źródło promieniowania rentgenowskiego, kluczowy element pierwszej w NASA demonstracji komunikacji rentgenowskiej w kosmosie. Źródło: NASA (Public Domain Mark 1.0)

6.    Największy aparat w przestrzeni kosmicznej

HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) to największy aparat, jaki kiedykolwiek był używany podczas misji kosmicznych. Jest zamontowana na satelicie krążącej po orbicie Marsa, przeznaczonej do badania jego powierzchni. Fotografując Marsa, jest w stanie dostrzec obiekty o wielkości mniejszej niż 30 cm na powierzchni. Przesłanie pojedynczego obrazu na ziemie odbywa się z prędkością 5 Mb/s i trwa półtorej godziny. Z badaniem Marsa wiąże się jeszcze jeden problem. Sygnał z powierzchni planety na Ziemię może dotrzeć nawet po 10 minutach, w zależności od wzajemnego położenia obu obiektów. W związku z tym rozmowa kolonistów, wysłanych na czerwony glob przez Elona Muska z rodziną będzie wymagała dużej dawki cierpliwości, nie wspominając już o dawce cierpliwości potrzebnej do oglądania ulubionych seriali na Netflix.

Marsjański łazik Curiosity uchwycony na zdjęciu wykonanym przez HiRISE. Źródło: NASA (Public Domain Mark 1.0)