Здесь, на Земле, мы привыкли доставать смартфон и иметь возможность разговаривать, отправлять текстовые сообщения или отправлять и получать фотографии и видео практически из любой точки поверхности планеты. Более того, мы все больше зависим от огромного, растущего количества информации в Интернете, которая поможет нам, пытаемся ли мы провести научное исследование или найти кратчайший путь к встрече.
Но такой мгновенный доступ и пропускная способность, к которым мы привыкли, еще не существуют в космосе. Огромные космические расстояния, например, создают огромные задержки для электронных коммуникаций, и сигналы должны возвращаться с поверхности другой планеты обратно на Землю через перчатку космического излучения, что ухудшает их четкость. Что еще сложнее, сами планеты постоянно находятся в движении, и они могут занимать положения, при которых их масса - или масса Солнца - могут блокировать сигнал.
Если вы представляете себя астронавтом, которого отправили основать колонию на Марсе, расстояние которого от Земли колеблется от 35 миллионов до 140 миллионов миль (от 56 до 226 миллионов километров), эти помехи для связи могут быть насущная проблема. Если вы попытаетесь поговорить или отправить текст в центр управления полетами на Земле, используя современные технологии, время задержки составит от трех до 21 минуты. Это может сильно затруднить разговор. И представьте, что вы замечаете что-то действительно невероятное и хотите показать им это. Возможно, вам удастся с трудом передать неподвижное фото, но забудьте о потоковой передаче видеоизображения в реальном времени с марсианской поверхности; НАСА признает, что это невозможно с тем уровнем гаджетов, который у нас сейчас есть. И даже с недавней модернизацией роботы-марсоходы на Марсе смогли достичь только>10: Создать межпланетную сеть спутников связи
Идея создания спутниковой сети, охватывающей почти всю 3,7 миллиарда миль (6 миллиардов километров) Солнечной системы от Меркурия до Плутона, звучит немного ошеломляюще. Но еще в 1945 году, когда британский ученый и писатель-фантаст Артур Кларк написал в журнале статью о глобальной коммуникационной сети орбитальных спутников, это, вероятно, тоже казалось довольно диковинным. Тем не менее, сегодня у нас повсюду есть спутники, которые позволяют сделать телефонный звонок или отправить текстовое или электронное письмо практически в любую точку планеты. И на самом деле провидцы мечтали о межпланетной версии глобальной коммуникационной сети Кларка еще до того, как на орбиту были запущены первые земные телекоммуникационные спутники.
В далеком 1959 году ученые-космонавты Джордж Э. Мюллер и Джон Э. Табер выступили на съезде электроники в Сан-Франциско с докладом под названием «Система межпланетной связи», в котором описывались способы организации цифровой передачи на большие расстояния. в космосе с помощью радиоволн. Сорок лет спустя двое ученых, Стеван Давидович и Джоэл Уиттингтон, набросали сложную систему, в которой три спутника будут выведены на полярную орбиту вокруг Солнца, а другие - либо на геостационарные, либо на полярные орбиты вокруг различных планет.
Затем спутники будут связаны в сеть, которая сможет принимать радиосообщения с пилотируемых космических кораблей или автоматических зондов, а затем передавать их вверх или вниз по линии связи с одной планеты или другой, пока они не достигнут Земли. Однако до сих пор не было предпринято никаких шагов по созданию такой системы, возможно, из-за того, что стоимость вывода нескольких спутников на орбиту вокруг далеких небесных тел, вероятно, будет огромной.
9: Переключение с радиосигналов на лазеры
Как мы упоминали во введении, скорость передачи данных в космосе в настоящее время значительно ниже, чем у широкополосного Интернета, к которому мы привыкли на Земле. Причина - не вдаваясь в причудливую математику - заключается в том, что из-за относительных частот, на которых работают радиоволны, они ограничены в том, сколько данных они могут обрабатывать. (Возможно, вы заметили этот эффект, если у вас дома или в офисе есть беспроводной интернет-маршрутизатор - просто он не такой быстрый и надежный, как проводное соединение.)
Напротив, концентрированная энергия лазерного излучения с более короткой частотой может обрабатывать гораздо больше данных. Кроме того, поскольку лазеры не распространяются так сильно, как радиопередачи, им требуется меньше энергии для передачи данных. Вот почему НАСА работает над проектом Deep Space Optical Communications, который переключится на использование лазеров вместо радиопередатчиков и приемников. Это увеличило бы объем передаваемых данных в 10-100 раз по сравнению с возможностями современных радиоустановок, что сделало бы межпланетный Интернет примерно таким же быстрым, как типичное широкополосное соединение на Земле. Но заставить лазерную связь работать в космосе - непростая задача. НАСА провело небольшие демонстрации лазерной передачи данных в космосе с низкой скоростью передачи данных и работает над созданием системы лазерной связи, которая в конечном итоге будет испытана на спутнике на лунной орбите. В конечном счете, лазерная передача данных может позволить отправлять живое видео высокой четкости с Марса.
8: Подключение зондов и вездеходов к межпланетной сети связи
Ранее мы упоминали об идее создания огромной сети специализированных спутников связи, протянувшейся по всей Солнечной системе, что было бы огромным мероприятием. Но может существовать меньший по размеру, менее затратный и более поэтапный способ создания такой сети. До сих пор всякий раз, когда мы отправляли космические корабли и спутники в космос, они обычно напрямую связывались с наземными станциями и использовали программное обеспечение и оборудование, которые были специально разработаны для этой конкретной миссии (и часто выбрасывались впоследствии).
А что, если бы ученые и инженеры оборудовали каждый корабль или объект, запускаемый в космос, - от космических станций, орбитальных телескопов, зондов на орбите вокруг Марса или других планет и даже роботизированных вездеходов, исследующих инопланетные ландшафты - так, чтобы они все могли общаться друг с другом и служить узлами разветвленной межпланетной сети? Если вы ищете метафору на Земле, представьте, как ваш ноутбук, планшет, смартфон, игровая приставка, веб-камера и домашний развлекательный центр могут подключаться к вашему беспроводному интернет-маршрутизатору и обмениваться контентом друг с другом.
Помимо передачи информации, в идеале, такая межпланетная сеть могла бы быть подключена к Интернету на Земле, чтобы ученые могли подключаться к орбитальным спутникам или вездеходам и проверять, что они видят, таким же образом, как это могло бы быть на веб-сайт НАСА прямо сейчас.
«Сеть, которую скоро построит НАСА, вполне может быть той, с помощью которой ученые разрабатывают поразительные детали марсианской геологии, океанических условий подо льдом холодной луны Юпитера Европы или турбулентного облачного покрова Венеры», объясняется в статье 2005 года в инженерном издании IEEE Spectrum.«Возможно, так тоскующий по дому исследователь космоса отправляет электронное письмо домой».
7: Интернет, который работает в космосе
Мы уже упоминали об идее соединения космических кораблей и зондов в обширную космическую сеть, чтобы ученые могли подключаться к ним так же, как они подключаются к веб-сайту в Интернете. Но, как отмечают некоторые критики, этот подход может быть не самым лучшим, потому что базовая конструкция Интернета не очень хорошо работает в космосе. Интернет-протокол, который мы используем на Земле, основан на разбиении всего, что мы передаем - говорим ли мы о тексте, голосе или потоковом видео - на маленькие фрагменты данных, которые затем собираются на другом конце, чтобы кто-то другой мог просмотреть или Послушай это. Это довольно хороший способ делать вещи, пока вся эта информация движется с высокой скоростью с небольшими задержками или потерянными пакетами данных, что не так уж сложно сделать на Земле.
Как только попадаешь в космос, где расстояния огромны, небесные объекты иногда мешают, и повсюду много электромагнитного излучения, которое мешает сигналу, задержки и прерывания потока данных неизбежный. Вот почему некоторые ученые работают над созданием модифицированной версии Интернета, в которой используется протокол нового типа, называемый сетью, устойчивой к сбоям (DTN). В отличие от протокола, используемого на Земле, DTN не предполагает существования непрерывного сквозного соединения и цепляется за пакеты данных, которые не может отправить немедленно, пока соединение не будет восстановлено. Чтобы объяснить, как это работает, НАСА использует аналогию с баскетболом, в которой игрок просто терпеливо держит мяч, пока другой игрок не откроется под корзиной, а не паникует и делает дикий бросок или отбрасывает мяч. В 2008 году НАСА провело первое испытание DTN, используя его для передачи десятков изображений с космического корабля, расположенного на расстоянии около 20 миллионов миль (32,5 км).187 миллионов километров) от Земли.
6: Создание спутников и ретрансляционных станций для других планет
Одной из больших проблем при общении с марсианской базой является то, что Марс находится в движении. Иногда база может быть отвернута от Земли, и время от времени - примерно раз в 780 земных дней - между Марсом и Землей находится Солнце. Это выравнивание, называемоесоединение, потенциально может ухудшить и даже заблокировать связь на несколько недель, что было бы довольно одинокой и пугающей перспективой, если бы вы были астронавтом или марсианским колонистом. К счастью, европейские и британские исследователи, возможно, нашли решение этой сложной дилеммы.
Спутники обычно вращаются вокруг планет по кеплеровским орбитам, названным в честь астронома 17-го века Иоганна Кеплера, который написал математические уравнения, описывающие движение спутников. Но европейские и британские исследователи предложили разместить пару спутников связи вокруг Марса на так называемой некеплеровской орбите, что в основном означает, что вместо того, чтобы двигаться по круговой или эллиптической траектории вокруг Марса, они будут находиться в стороне. немного, чтобы планета не была в центре. Однако, чтобы оставаться в этом положении, спутники должны были бы противодействовать действию силы тяжести, которая притягивала бы их к Марсу. Чтобы удержать их на месте, ученые предложили оснастить их электрическими ионными двигательными установками, работающими на электричестве, вырабатываемом солнцем, и использующими небольшое количество ксенона в качестве топлива. Это позволит спутникам непрерывно передавать радиосигналы даже в периоды, когда Марс и Земля находятся в соединении.
5: Оставьте цепочку реле
Межпланетная связь, конечно же, не обязательно связана только с нашей Солнечной системой. С тех пор, как в 1995 году астрономы открыли первую планету, вращающуюся вокруг звезды, похожей на Солнце, ученые открыли множество других экзопланет, так называются миры за пределами нашей Солнечной системы. В октябре 2012 года они даже обнаружили планету размером примерно с Землю, вращающуюся вокруг звезды Альфа Центавра B, которая находится в ближайшей соседней звездной системе, примерно в 2,35 триллиона миль (3,78 триллиона километров) от нас.
Уверяю вас, это пугающе большое расстояние. Но даже в этом случае некоторые ученые-космонавты предполагают, что когда-нибудь запустят гигантский космический корабль, который, по сути, будет движущейся, автономной миниатюрной версией Земли, способной поддерживать последующие поколения астронавтов, которые отправятся в межзвездное пространство, пытаясь добраться до других пригодных для жизни планет. возможно, даже установить контакт с внеземными цивилизациями.
Проект Икар, недавняя попытка ученых-космонавтов и футуристов придумать план такой миссии, размышлял над проблемой того, как такой корабль будет продолжать общаться с Землей по мере того, как он все дальше и дальше уходит в неизвестность.. Они придумали одно интригующее решение: по пути массивный корабль периодически сбрасывал пустые топливные канистры, оснащенные оборудованием для ретрансляции сигналов, образуя цепочку, по которой сообщения от космического корабля передаются на Землю. «Идея состоит в том, что с цепочкой ретрансляторов между Икаром и Землей каждый «скачок» сигнала представляет собой гораздо более короткое расстояние, чем все расстояние в несколько световых лет», - Пэт Галеа, британский инженер, участвовавший в разработке проекта, писал в 2012 году. «Поэтому мы потенциально могли бы снизить требования к мощности передатчика или размер антенны на Икаре или, в качестве альтернативы, увеличить скорость передачи данных, которую можно отправить по каналу».
4: Настройте массив гигантских антенн для приема сообщений
Ученые и футуристы, работающие над проектом «Икар» - спекулятивной попыткой спроектировать космический корабль, способный достичь ближайшей соседней звездной системы, около 2. Находясь на расстоянии 35 триллионов миль (3,78 триллиона километров), он провел много времени, думая о том, как такой корабль может оставаться в контакте с Землей, путешествуя по огромному межзвездному пространству. В предыдущем пункте этого списка мы упомянули концепцию «хлебных крошек» из коммуникационных каналов, которые космический корабль оставит за собой. Но на Земле те, кто наблюдает за миссией, по-прежнему сталкивались с проблемой приема сигналов от космического корабля и фильтрации окружающего электромагнитного шума космоса - задача, еще более усложняемая земной атмосферой, которая ослабляла бы сигналы.
Чтобы максимизировать возможность сделать это, планировщики Проекта Икар предложили построить несколько приемных станций Солнечной системы, которые будут огромными массивами антенн, простирающимися на многие мили в разных местах на Земле. Антенны в таком массиве будут работать синергетически, чтобы обнаруживать и улавливать слабые сигналы, содержащие сообщения звездолетов. (Подумайте об этой аналогии: если бейсболист делает хоум-ран на трибунах бейсбольного стадиона, более вероятно, что мяч будет пойман болельщиком, если на трибунах полно людей.) Поскольку Земля вращается, антенны в конкретном SSRS будут указывать на далекий космический корабль только небольшую часть каждого дня, и погода в этом месте на Земле может препятствовать приему. По этой причине было бы разумно построить несколько массивов антенн в разных местах на Земле, чтобы обеспечить почти непрерывную связь.
3: Используйте Солнце в качестве усилителя сигнала
Вот еще одна идея, вынашиваемая исследователями Проекта Икар. Согласно теориям относительности Эйнштейна, гравитационные силы чрезвычайно массивных объектов могут на самом деле отклонять свет, проходящий рядом с ними, и концентрировать его, как это делает ручное увеличительное стекло. Это дало аналитическому центру Project Icarus идею использовать этот эффект для фокусировки и усиления передач с удаленного космического корабля. То, как они это сделают, по общему признанию, немного сложно понять нефизику: космический корабль, способный принимать сообщения, будет расположен в межзвездном пространстве в направлении, противоположном направлению движения звездолета, примерно в 51 миллиарде миль (82 миллиарда километров) от Солнца. Это очень, очень далеко - примерно в 18 раз больше, чем расстояние между Плутоном и Солнцем, - но давайте предположим, что земная цивилизация, способная отправить космический корабль за триллионы миль от Земли, может это сделать. Корабль связи затем будет использовать солнце в качестве линзы для усиления сигналов, которые он получает от далекого звездолета, а затем будет передавать их обратно на Землю через какую-либо другую систему, например сеть спутников с лазерной связью.
«Потенциальная выгода от этого огромна, - объяснил инженер Пэт Галеа Discovery News в 2012 году. мощность остается прежней, мы можем получать гораздо больше данных, чем может предоставить прямая связь». Однако, какой бы гениальной она ни казалась, в этой схеме есть и некоторые сложности размером с Юпитер. Например, было бы необходимо, чтобы космический корабль-приемник, тот, который получает сигналы от звездолета, всегда был почти идеально выровнен, и удерживать его таким образом может оказаться очень, очень сложно.
2: Сверхчувствительные электронные уши для чрезвычайно слабых сигналов из космоса
К тому времени, как передачи с дальнего космического корабля достигают Земли, они деградируют до такой степени, что сигнал может фактически содержать меньше энергии, чем фотон. И это очень, очень слабо. Помните, что фотоны, крошечные безмассовые частицы, являющиеся наименьшей единицей энергии, невероятно малы; типичный сотовый телефон излучает 10 фотонов в 24-й степени каждую секунду. Выделить этот ошеломляюще слабый сигнал из неудержимой какофонии космоса и понять его может быть так же сложно, как, скажем, найти сообщение, плавающее в бутылке где-то в земных океанах. Но исследователи нашли интригующее решение, согласно веб-сайту Программы космических технологий НАСА, которая гарантирует решение такого рода проблем.
Вместо того, чтобы послать один сигнал или импульс энергии, космический корабль, пытающийся связаться с Землей, пошлет много копий этого сигнала, все сразу. Когда ослабленные сигналы попадут на Землю, центр управления полетом будет использовать устройство, называемое структурированным оптическим приемником, или приемником Гуха (в честь ученого Сайката Гуха, который изобрел эту концепцию), чтобы, по сути, заново собрать уцелевшие крошечные, слабые кусочки всех эти повторяющиеся сигналы и объединить их для восстановления сообщения. Представьте себе это таким образом: возьмите сообщение, напечатанное на листе бумаги, затем распечатайте тысячу его копий, пропустите их все через шредер, а затем смешайте получившиеся крошечные кусочки. Даже если вы выбросите большую часть этих маленьких кусочков в мусор, те, которые останутся, вполне могут дать вам достаточно информации, чтобы воссоздать сообщение на бумаге.
1: Нейтринофоны со скоростью, превышающей скорость света
Независимо от того, сколько умопомрачительно сложных устройств мы разрабатываем, чтобы собрать воедино слабые сигналы связи, пытающиеся достичь нас из глубокого космоса, мы по-прежнему сталкиваемся с другой, еще более сложной проблемой. Внутри нашей Солнечной системы расстояния настолько велики, что простое, мгновенное двустороннее общение, к которому мы привыкли на Земле, например, видео-разговор в стиле Skype, на самом деле не осуществимо, по крайней мере. с нынешними технологиями. И если мы собираемся путешествовать на планеты за пределами нашей Солнечной системы, это станет практически невозможным. Если космический корабль достигнет нашего ближайшего межзвездного соседа, звездной системы Альфа Центавра, находящейся в триллионах миль от нас, каждой стороне голосовой, видео или текстовой передачи потребуется 4,2 года, чтобы пересечь это умопомрачительно большое расстояние. Вот почему визионеры уже давно заинтригованы идеей передачи сообщений с помощью пучков субатомных частиц, движущихся быстрее скорости света.
Вау, звучит как легкое решение, не так ли? Но угадайте еще раз. Чтобы эта схема заработала, нам, по-видимому, придется проделать огромную дыру в специальной теории относительности Эйнштейна, которая запрещает всему двигаться со скоростью, превышающей скорость света. С другой стороны, может, и нет. В 2012 году два математика опубликовали в британском научном журнале статью, в которой утверждали, что существует способ обработать расчеты Эйнштейна и показать, что сверхсветовые скорости действительно возможны. Но если эти несогласные окажутся правы, нам все равно придется найти какое-то доказательство того, что частицы могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света, а до сих пор мы этого не сделали.
В 2011 году был проведен один получивший широкую огласку эксперимент, в котором исследователи на ускорителе частиц ЦЕРН в Европе предположительно синхронизировали частицы, называемые нейтрино, которые двигались чуть-чуть быстрее, чем предел скорости Эйнштейна. Но, как оказалось, сбой в оптоволоконном кабеле в оборудовании исследователей, по-видимому, вызвал ложное считывание (он не был вставлен полностью). Это положило конец перспективам космического нейтринофона, по крайней мере, на время.
Примечание автора: 10 лучших идей межпланетной связи
Идея, скажем, отправки потокового видео в реальном времени с Марса на Землю может показаться не такой уж и далекой представителю поколения миллениалов, выросшему в эпоху, когда разговаривали по мобильному телефону с кем-то на другая сторона планеты не имеет большого значения. Но меня это по-прежнему сбивает с толку, возможно, потому, что я уже достаточно взрослый, чтобы помнить, как сложно и дорого было когда-то просто сделать старомодный аналоговый междугородний телефонный звонок с Восточного побережья в Калифорнию. Несколько лет назад я испытал небольшой шок, когда связался с источником для статьи по электронной почте, и получил от него ответный звонок - по скайпу - из Афганистана, куда он ездил по бизнес-проекту. С тех пор я немного привык к нашему постоянно растущему количеству подключений; На днях я провел полчаса, обмениваясь потоком электронных писем со своим старым коллегой, который сейчас живет во Франции, но меня прервало мгновенное сообщение от другого друга с севера Англии. Так что я с нетерпением жду неизбежного дня, когда я буду обмениваться остротами и жаловаться на погоду с кем-то, кто находится на орбите надо мной.