10 проектов межпланетной связи

Здесь, на Земле, мы привыкли доставать смартфон и сразу же получать возможность говорить, отправлять и получать, текст, фотографии и видео практически из любой точки на поверхности планеты. Кроме того, мы становимся все более зависимыми от доступа к огромному, растущему объему информации в Интернете, позволяющему получить любые данные — от результатов научных исследований до кратчайшего маршрута к супермаркету.

Но мгновенного доступа и пропускной способности, к которым мы привыкли на Земле, еще не существует в космическом пространстве. Помимо того, что сигналам мешают огромные расстояния, они должны поступать с поверхности другой планеты на Землю через щит космической радиации, что ухудшает четкость сигнала. Чтобы сделать задачу межпланетного общения еще труднее, планеты сами постоянно находятся в движении и могут оказаться в позициях, где их собственная масса или Солнце могут оказаться на пути движения сигнала.

Теперь представьте себе, что вы — космонавт, посланный для основания колонии на Марсе. Расстояние от Марса до Земли колеблется между 56 и 226 миллионами километров и все вышеописанные препятствия для общения могут стать непростой проблемой. Если вы попытаетесь поговорить или отправить SMS с Марса на Землю, используя современные технологии, появится задержка времени между 3 минутами и 21 минутой, что может сделать разговор довольно трудным. И представьте себе, что вы заметили что-то действительно невероятное и хотите, чтобы показать это на Земле. На сегодняшний день вы сможете не спеша передавать фотоснимки один за другим, но получить потоковое видео изображения с поверхности Марса невозможно при современном уровне технологий. И даже самый современный роботизированный марсоход Curiosity способен достигнуть скорости передачи данных всего лишь около 256 килобит в секунду. Такая скорость соответствует уровню 1990-х годов, когда люди еще использовали диалап-соединения. Управлять облачными приложениями или просмотреть карты Марса с высоким разрешением на Google было бы нереально.

Еще большие трудности возникнут, если вы пролетите мимо Плутона и отважитесь достигнуть «землеподобной» планеты в соседней звездной системе. Вот почему ученые напрягали свои мозги на протяжении десятилетий, пытаясь придумать способы, чтобы решить проблемы межпланетной связи не используя технологии времен старых телефонов. Вот 10 лучших идей, которые они придумали в течение многих лет.

 

1. Создание межпланетной сети спутников связи

Идея строительства спутниковой сети, которая тянется почти на 6 миллиардов километров, через всю Солнечную систему от Меркурия до Плутона звучит немного ошеломляюще. Но, в 1945 году, когда британский ученый и писатель-фантаст Артур Кларк написал статью для журнала, предусматривающую глобальную коммуникационную сеть орбитальных спутников, это казалось еще более необычным. Тем не менее, сегодня у нас есть спутники, которые позволяют позвонить или отправить SMS практически в любую точку планеты.

В двадцатом веке были люди, мечтающие о межпланетной глобальной коммуникационной сети еще  даже до первого Земле телекоммуникационного спутника, запущенного на орбиту. В 1959 году ученые-исследователи космоса, Джордж Э. Мюллер и Джон Э. Табер провели презентацию на конференции по электронике в Сан-Франциско под названием «Межпланетная система связи», в которой описано, как настроить цифровые межпланетные передачи в пространстве с помощью радиоволн.

Сорок лет спустя, два ученых, Стеван Давидович и Джоэл Уиттингтон, набросали сложную систему из трех основных спутников, которые будут выведены на полярную орбиту вокруг Солнца и множества других спутников, находящихся на геосинхронных орбитах вокруг различных планет. Спутники затем будут объединены в сеть, которая может собирать радиосообщения с пилотируемых космических кораблей или автоматических зондов, а затем пересылать их от одной планеты до другой до тех пор, пока они не достигнут Земли. Правда, до сих пор не было предпринято ни одной попытки выстроить подобную мега-систему, поскольку стоимость запуска многочисленных спутников на орбиты удаленных от Земли планет будет воистину «космической».

 

 2. Переход с радиосигналов на лазеры

Технологии передачи данных в космосе в настоящее время застряли на уровне, который является значительно более медленным, чем широкополосный Интернет, который мы уже привыкли иметь на Земле. Причина в том, что из-за относительной частоты на которой радиоволны работают, они ограничены в количестве обрабатываемых данных. Этот эффект заметен, если у вас есть беспроводной маршрутизатор доступа к Интернет в вашем доме или офисе — он не так быстр и надежен, как проводное соединение.

В отличие от радиоволн, концентрированная энергия лазерного излучения, которая имеет меньшую частоту, может обрабатывать гораздо больше данных. Кроме того, потому, что лазерный луч не распространяется в стороны так сильно, как радиоволны, он требует меньше энергии для передачи данных. Вот почему NASA работает над проектом оптической связи «Deep Space», который предполагает переход к использованию лазеров вместо радиопередатчиков и приемников. Если увеличить количество передаваемых данных от 10 до 100 раз, то многочисленное радиооборудование сможет сделать межпланетный Интернет примерно таким же быстрым, как типичное широкополосное соединение на Земле. Но получить лазерную связь для работы в космосе — это не пара пустяков. NASA создала небольшой низкочастотный лазерный космический передатчик данных.  Он работает, чтобы создать систему для лазерной коммуникации, которая, в конечном счете, будет проверена на спутнике, находящемся на орбите Луны. В случае успеха, лазерная передача данных могла бы позволить послать высококачественное, живое видео с Марса

 

3. Унификация уже существующих средств космической связи

Ранее мы уже упоминали о идее строительства огромной сети специальных спутников связи, протянувшейся через всю Солнечную систему. Но существует меньшего масштаба, менее дорогостоящий и более действенный способ создания такой сети. До этого времени, всякий раз, когда мы послали космические корабли и спутники в космос, они обычно общались напрямую с наземными станциями и использовали программное обеспечение и оборудование, которые были специально разработаны для определенной миссии и, чаще всего, были заброшены после ее окончания.

Но что, если ученые и инженеры оборудуют каждое судно или объект, который будет запущен в космос так, чтобы все они могли общаться друг с другом и служить в качестве узлов расползающейся межпланетной сети? Кроме ретрансляции информации, в идеале, межпланетную сеть можно связать с сетью Интернет на Земле, чтобы ученые смогли соединиться с любыми орбитальными спутниками или марсоходами и проверить, что они видят, тем же способом, как зайти на самый обычный Веб-сайт.

Сеть, которую человечество когда-нибудь сможет построить, вполне может быть общей, в которой одновременно работают ученые, занимающиеся марсианской геологией или турбулентностью облачного покрова Венеры.

 

4. Новый протокол для межпланетной сети Интернет

Мы уже отмечали, что  существует идея объединения космических аппаратов и зондов в обширную сеть через космическое пространство, чтобы ученые могли бы соединить их так, как они могут сделать с Веб-сайтами в сети Интернет. Но некоторые критики указывают на то, что этот подход не может быть идеальным, потому что базовая конструкция сети Интернет не будет эффективно работать в космосе. Интернет-протокол, который мы используем на Земле, предполагает дробление всего, что мы передаем, на мелкие кусочки данных, которые затем собирают на другом конце для того, чтобы кто-то мог смотреть или слушать переданную информацию. Это довольно хороший способ для земных условий, поскольку информация движется на высокой скорости с небольшими задержками и почти без потерь пакетов данных.

Как только вы окажетесь в космосе, где расстояния огромны, небесные объекты иногда мешают и много электромагнитного излучения повсюду, задержки сигнала и прерывания потока данных неизбежны. Поэтому некоторые ученые работают над созданием модифицированной версии Интернета, в которой используется новый протокол, называемый disruption-tolerant networking (DTN). DTN не предполагается непрерывным, но, в отличие от протокола TCP/IP, используемого на Земле, пакеты данных не будут немедленно отправляться до тех пор, пока соединение не будет восстановлено. Еще в 2008 году NASA провела первое испытание DTN, используя для передачи десятков изображений с космического корабля расположенном примерно в 32 миллионах километров от Земли.

 

 

5. Строительство спутников и релейных станций на других планетах

Одна из серьезных проблем в общении с марсианской базой заключается в том, что Марс находится в движении. Иногда база может отвернуться от Земли и, примерно раз в 780 земных дней, Марс и Земля оказываются в позиции, когда Солнце находится прямо между ними. Это может привести к замедлению связи и даже блокировать взаимодействие «землян» и «марсиан» на несколько недель. К счастью, британские ученые, возможно, нашли решение этой сложной дилеммы.

Спутники обычно вращаются вокруг планет в Кеплеровских орбитах, названных в честь астронома 17-го века Иоганна Кеплера, который написал математические уравнения, описывающие, как перемещаются спутники. Но британские исследователи предложили поместить пару спутников связи вокруг Марса на «некеплеровскую» орбиту, которая, в основном, означает, что вместо того, чтобы описывать круглую или эллиптическую траекторию вокруг Марса, они были бы немного в стороне от него, так, чтобы планета не была в центре. Чтобы оставаться в таком положении, спутники должны были бы противодействовать эффектам силы тяготения, которая потянет их к Марсу. Чтобы держать их на месте, ученые предложили оборудовать спутники ионными двигателями, приводимыми в действие производимым от Солнца электричеством и использующими крошечные количества ксенонового газа как топливо. Это позволило бы спутникам передать радиосигналы непрерывно, даже во время периодов, когда Марс и Земля находятся вне прямой видимости.

 

6. След из станций связи

В межпланетной связи, конечно, будет нуждаться не только наша собственная солнечная система. После того, как астрономы обнаружили первую планету, вращающуюся вокруг звезды, похожей на Солнце в 1995 году, ученые обнаружили десятки других экзопланет за пределами нашей солнечной системы. В октябре 2012 года, они даже обнаружили планету почти земных размеров на орбите звезды Альфа Центавра В. Альфа Центавра — это ближайшая к Солнцу звездная система, находящаяся на расстоянии 4,36 световых лет или 41 триллион километров. Но даже такое «близкое», по космическим меркам, расстояние, для человечества, пока что, практически непреодолимо. При современных технологиях космических полетов, на преодоление 41 триллионов километров космическому кораблю понадобилось бы около 87000 лет.

Это потрясающе огромные расстояния. Но даже в этом случае возможен запуск гигантского звездолета, который, по сути, будет являться автономной миниатюрной версией Земли. На нем смогут выжить многие сотни последующих друг за другом поколений космонавтов, которые бы прорвались через межзвездное пространство.  Целью такого полета был бы поиск других обитаемых планет, и, возможно, даже вступление в контакт с внеземными цивилизациями.

Проект «Икар», объединивший недавние усилия ученых и футурологов по созданию плана для такой миссии, задался вопросом, как такой корабль будет продолжать общаться с Землей, по мере того, как она будет уходить все дальше и дальше в неизвестность. Они придумали решение: по пути массивный корабль будет периодически выбрасывать пустые канистры топлива, оборудованные станциями связи, тем самым образуя цепь, передающую сообщения с борта космического аппарата на Землю. В этой цепи между «Икаром» и Землей, каждый промежуток между станциями имеет гораздо меньшее расстояние, чем вся дистанция в несколько световых лет.

 

7. Установить на Земле массив из гигантских антенн

Ученые и футуристы, работая над проектом «Икар» — попыткой создания космического корабля, способного достичь ближайшей соседней звездной системы на расстоянии в 4,36 световых лет, провели много времени, размышляя о том, как такой корабль может оставаться в контакте с Землей.  В предыдущем пункте этой статьи мы упомянули о «следе из станций связи». Но и на Земле слежение за подобной миссией будет сталкиваться с трудностями, пытаясь улавливать сигналы от звездолета и отфильтровывать их из электромагнитного шума окружающего пространства. Эта задача еще более усложняется атмосферой Земли, которая дополнительно ослабляет сигналы.

Чтобы максимально расширить возможности связи с космическим кораблем, проектировщики предложили построить несколько приемных станций, состоящих из огромных массивов антенн, протянувшихся на много километров в разных местах Земли. Антенны в таком массиве будут работать совместно, обнаруживая и захватывая слабые сигналы, содержащие сообщения звездолета. Поскольку Земля вращается, антенны будут часто выходить из зоны приема сигнала, к тому же, погода на Земле может препятствовать приему. По этой причине и придется построить несколько массивов антенн, чтобы оставаться в почти непрерывной коммуникации.

 

8. Использовать Солнце, как усилитель сигнала

Вот еще одна мысль, посетившая исследователей  проекта «Икар». Согласно теории относительности Эйнштейна, гравитационные силы чрезвычайно массивных объектов могут преломлять свет, который проходит мимо них и концентрировать его, как ручное увеличительное стекло. Отсюда возникла идея использования этого эффекта для фокусировки и усиления передач из далекого корабля, то есть использовать Солнце в качестве гигантской линзы для усиления сигнала. Современные технологии недостаточно развиты, чтобы осуществить такой проект, но если человеческая цивилизация когда-нибудь окажется в состоянии создать гигантский космический корабль, подобный «Икару», то и создание такой «солнечной линзы» ей тоже окажется по плечу.

Потенциальные выгоды от этого огромны, поскольку мощность передатчика на «Икаре» может быть минимальной, не затрагивая доступные скорости передачи данных, или же, если увеличить мощность, то можно было бы получать гораздо больше данных, чем обеспечивает прямая связь. Гениальный план, как может показаться, однако, данная схема также обладает огромными осложнениями. Необходимо, например, постоянно держать приемник сигналов от звездолета довольно близко к идеальной прямой до него, и поддерживать эту ориентацию, что может оказаться очень и очень сложно

 

9. Сверхчувствительные электронные «уши» для экстремально слабых сигналов

К моменту, когда передача от далекого космического корабля долетит до Земли, она деградирует до уровня, когда сигнал может содержать энергии, как всего один фотон. И это очень, очень слабый сигнал. Фотоны, это крошечные безмассовые частицы, являющиеся наименьшими единицами энергии, невероятно крошечные. Выбирая на редкость слабый сигнал из неуемной какофонии окружающего пространства и делать его осмысленным, может быть так же трудно, как, скажем, найти сообщение, плавающее в бутылке где-то в океане. Но исследователи придумали интересное решение.

Вместо отправки одного сигнала или энергетического импульса, космический корабль попытается связаться с Землей путем отправки многих копий сигнала. Когда эти ослабленные сигналы попадут на Землю, можно использовать устройство, называемое структурированным оптическим приемником, чтобы собрать уцелевшие крошечные, слабые биты и куски всех этих повторяющихся сигналов. Затем можно соединить их вместе, чтобы восстановить сообщение. Это выглядит так, как будто одно письмо  напечатано в тысяче копий, а затем пропущено через офисный измельчитель бумаги. Даже если вы отбросите большинство этих обрезков в мусорную корзину, те кусочки листов с текстом, что останутся, вполне могут дать вам достаточно информации, чтобы полностью воссоздать сообщение на бумаге.

 

10. Связь со скоростью быстрее скорости света

Если человечество собирается путешествовать за пределы нашей Солнечной системы, то скорость света для линий связи может оказаться совершенно недостаточной. Даже до ближайшей звезды в Альфа Центавра, сигнал, движущийся со скоростью света, «доползет» лишь через 4,36 земных года. Согласитесь, что для «живого общения» такой способ связи явно не годится. Поэтому фантастов давно заинтриговала идея передачи сообщений с помощью субатомных частиц, которые будут путешествовать быстрее света.

Для данной фантастической идеи понадобилось бы всего-навсего опровергнуть теорию относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не может двигаться быстрее скорости света. В 2012 году двое британских ученых заявили, что они, якобы, опровергли расчеты Эйнштейна и доказали возможность существования сверхбыстрых частиц. Однако, никаких практических доказательств существования таковых частиц обнаружить не удалось.

Был также курьезный случай в 2011 году, когда исследователи из «Европейской организации ядерных исследований» объявили о том, что ими обнаружены нейтрино, движущиеся быстрее скорости света. Однако, при тщательном изучении результатов этого сенсационного эксперимента, оказалось, что сногсшибательные данные появились в результате сбоя в оборудовании для волоконно оптического кабеля.

Поэтому сверхсветовая связь пока остается полностью фантастическим проектом.