ناسا چطور یک سیستم ارتباطی قابل اتکا میان زمین و مریخ می‌سازد؟

اگر فکر می‌کنید که آنتن‌دهی موبایل‌تان هنگامی که به سفر به نقطه‌ای دیگر از کشور برای ملاقات خویشاوندان‌تان رفته‌اید اسباب دردسر است، فقط به این فکر کنید که ناسا باید به مکالمه با چند فضانورد در فاصله ۶۴ میلیون کیلومتری بپردازد. هنگام برنامه‌ریزی برای ارسال انسان به سیاره مریخ، دقیقا باید به چنین چالشی فکر کرد. زیرا برقراری ارتباط با فضانوردان موضوعی صرفا مهم نیست، موضوعی کاملا حیاتی است.

برای درک اینکه چطور می‌توان یک شبکه ارتباطی وسیع ساخت که سیاره مریخ و فراتر از آن را پوشش می‌دهد و همینطور اینکه سیستم‌های کنونی چطور ارتقا می‌یابند تا بر چالش‌های افزایش داده فائق آیند، خبرگزاری Digital Trends به گفتگو با دو متتخصص ناسا پرداخته که روی سیستم‌های ارتباطی این سازمان فضایی کار می‌کنند. یکی از آن‌ها مسئول سیستم‌های ارتباطی زمین است و دیگری مسئول سیستم‌های ارتباطی مریخ.

ورود به منظومه شمسی با شبکه عمیق فضایی

برای برقراری ارتباط با ماموریت‌های کنونی مانند مریخ‌نورد استقامت که اخیرا به سیاره سرخ رسید یا ماموریت‌های Voyager که به سمت فضای میان‌ستاره‌ای حرکت می‌کنند، ناسا شبکه‌ای از آنتن‌ها را پیرامون مریخ تدارک دیده که «شبکه عمیق فضایی - Deep Space Network» یا به اختصار DSN نام دارد.

DSN سه پایگاه زمینی در کالیفرنیا، اسپانیا و استرالیا دارد و وظیفه برقراری ارتباط در هر روز، برعهده یکی از این ایستگاه‌ها است. به این طریق، علی‌رغم گردش زمین به دور خود و همینطور به دور خورشید، همواره یکی از ایستگاه‌ها در نقطه‌ی روبه‌روی محل مورد نیاز است. در هر پایگاه، چند آنتن رادیویی با طول بیشتر از ۷۰ متر تعبیه شده که اطلاعات مخابره شده از ماموریت‌های فضایی را دریافت و سپس به هر نقطه از کره زمین که نیاز است انتقال می‌دهند.

همکاری بین‌المللی در حوزه ارتباط

DSN برای ماموریت‌های ناسا مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما شبکه‌های دیگری هم در جهان داریم که به دیگر آژانس‌های فضایی مانند آژانس فضایی اروپا (ESA) تعلق دارند. در رویکردی شدیدا آینده‌نگرانه، تمام این شبکه‌های گوناگون از استانداردهای بین‌المللی یکسانی برای ارتباطات خود استفاده می‌کنند. به این ترتیب، زمانی که وضعیت اضطراری پیش می‌آید، آژانس‌های فضایی قادر به استفاده از شبکه‌های یکدیگر خواهند بود.

البته این جامعه‌ای نسبتا کوچک است. در حال حاضر تنها چند کشور جهان می‌توانند فضاپیما به مریخ بفرستند. لس داچ، مدیر شبکه میان‌سیاره‌ای که شبکه فضایی عمیق را کنترل می‌کند می‌گوید: «این جامعه در حال رشد است، اما شمار شبکه‌های موجود همچنان اندک است. و بر همه‌ی ما واجب است که این ماموریت‌های بسیار هزینه‌بر را به کمک یکدیگر پیش ببریم».

این یعنی علاوه بر آژانس‌هایی که ناسا ارتباطی نزدیک با آن‌ها دارد -مانند آژانس فضایی اروپا- حتی آژانس‌هایی که ارتباط با آن‌ها در کمترین حالت است -مانند آژانس فضایی چین- هم از استانداردهایی یکسان پیروی می‌کنند.

داچ می‌گوید: «حتی چین هم پیروی از مجموعه‌ای از استانداردهای بین‌المللی که طی چندین سال از سوی ما توسعه‌ یافته‌اند می‌پردازد. بنابراین تمام ماموریت‌هایی که در اعماق فضا دنبال می‌شوند، به یک طریق با زمین ارتباط برقرار می‌کنند. فضاپیماها هم فرمت‌های رادیویی مشابه دارند و روی ایستگاه‌های زمینی هم از آنتن‌ها و رابط‌های یکسان استفاده کرده‌ایم. بنابراین می‌توانیم با این توافق جهانی، مسیر فضاپیماهای یکدیگر را دنبال کنیم. همه‌چیز بر مبنای هم‌کنش‌پذیری طراحی شده است.

صحبت با مریخ

پس به این طریق قادر به دریافت داده‌های مخابره شده هستیم. اما چطور می‌توان داده‌ها را به مریخ فرستاد؟ برای برقراری ارتباط در چنین فواصل دوری، نیازمند رادیویی واقعا قدرتمند هستید. و چیزهایی مانند مریخ‌نوردها باید به شکلی کوچک و سبک‌وزن ساخته شوند و بنابراین فضای چندانی برای متصل کردن یک آنتن بزرگ به بدنه آن‌ها وجود ندارد.

برای فائق آمدن بر این مشکل، مریخ به سیستمی برای ترابری ارتباطات مجهز شده که Mars Relay Network یا به اختصار MRN نام دارد. این سیستم از مدارگردهایی متشکل است که به صورت مداوم به دور سیاره می‌گردند و می‌توان از آن‌ها برای دریافت داده‌های مخابره شده از سطح سیاره (مثلا از سوی مریخ‌نوردها، فرودگرها و در نهایت فضانوردان) و انتقال آن‌ها به زمین استفاده کرد. با استفاده از این شبیه‌سازی ناسا، حتی می‌توانید محل دقیق تمام مدارگردهای MRN را نیز به صورت بلادرنگ مشاهده کنید.

اکثر مدارگردهای پیرامون ناسا وظایفی دوگانه دارند. علاوه بر عملیات‌های علمی‌شان، این مدارگردها نقشه رله را نیز ایفا می‌کنند. برای مثال می‌توان به فضاپیماهای Mars Atmospheric و Volatile EvolutioN، مدارگرد Reconnaissance و همینطور مدارگرد Mars Express آژانس فضایی اروپا اشاره کرد. روی گلادن، مدیر MRN می‌گوید: «اکثر ماموریت‌های ما در مدارهای پایینی مریخ دنبال می‌شوند و بنابراین حدودا ۳۰۰ الی ۴۰۰ کیلومتر بالاتر از سطح سیاره هستند. این رقمی عالی است. فاصله مدارگردها با زمین واقعا خوب است و می‌توانید اطلاعات زیادی را میان آنچه در مریخ فرود آمده و فرودگر حاضر در آن‌جا تبادل کنید.»

اما نمی‌توان از طریق تمام ماموریت‌ها به شمار سیستم‌های موجود در شبکه رله افزود. اگر یک مدارگرد در ارتفاعی بسیار بالا باشد یا در مداری بیضوی باشد که باعث می‌شود گاهی به سیاره نزدیک شود و گاهی از آن دور، ممکن است گزینه‌ای مناسب برای پیوستن به MRN به حساب نیاید. برای مثال ماموریت Hope امارات متحده عربی در ارتفاعی بسیار بالا دنبال می‌شود تا اخترشناسان قادر به پژوهش روی اتمسفر بالایی مریخ باشند. این یعنی فاصله مدارگرد از سطح مریخ، بیشتر از آن است که بتوان آن را یک رله کارآمد به حساب آورد.

ماموریت‌های آتی مریخ، مانند ماموریت Mars Ice Mapper ناسا یا ماموریتی که آژانس اکتشافات هوافضایی ژاپن برای آن برنامه‌ریزی کرده، شامل سخت‌افزارهای ارتباطی هم می‌شوند. بنابراین هرچه فضاپیماها و مدارگردهای بیشتری به سیاره سرخ ارسال شود، شبکه ارتباطی هم شکلی گسترده‌تر پیدا می‌کند.

اهمیت زمان‌بندی

یکی از چالش‌های ترابری ارتباطات از مریخ، این حقیقت است که سیاره مورد نظر همواره در گردش است و به همین ترتیب، مدارگردهای ناسا و ESA هم دائما جابه‌جا می‌شوند. اگر برای مثال مریخ‌نورد شما دو مرتبه در روز نیازمند ارسال اطلاعات باشد به مشکلی برنخواهید خورد - به احتمال زیاد یکی از چندین مدارگرد مریخ بالاخره از بالای مریخ‌نورد عبور خواهند کرد. اما وقتی می‌خواهید رویدادی مشخص را در زمانی مشخص پایش کنید، شرایط شکلی سخت‌تر به خود می‌گیرد.

برای مثال فرود آوردن مریخ‌نورد روی سطح سیاره سرخ، سخت‌ترین بخش یک ماموریت به حساب می‌آید و ناسا می‌خواهد همواره قادر به پایش وضعیت فرود باشد. برای فرود مریخ‌نورد استقامت، مسیر حرکت مدارگردهای شبکه MRN به گونه‌ای تنظیم شد که ناسا از حضور آن‌ها در زمان و مکان درست برای پایش وضعیت فرود اطمینان حاصل کند. اما برای صرفه‌جویی در مصرف سوختی که واقعا ارزشمند به حساب می‌آید، تنها امکان ایجاد تغییرات کوچک در مسیر مدارگردها وجود دارد. بنابراین رساندن مدارگردها به نقطه درست، سال‌ها پیش از اینکه فرود اتفاق بیفتد آغاز می‌شود.

یک راه برای بهینه‌تر کردن این پروسه، استفاده از ماهواره‌های مخصوص رله برای ضبط وقایع کلیدی مانند فرود مریخ‌نوردها است. وقتی فرودگر InSight طی سال ۲۰۱۸ روی سطح مریخ نشست، دو ماهواره به نام‌های Mars Cube One با ابعاد شبیه به یک کیف سامسونت، به همراهی آن پرداخته و نقش رله را ایفا کردند. این ماهواره‌های کوچک به تعقیب InSight هنگام پرواز بر فراز مریخ پرداختند، آن را پایش کردند، اطلاعات را انتقال دادند و سپس کار خود در فضا را مجددا از سر گرفتند.

استفاده از ماهواره‌های Mars Cube One (یا به اختصار MarCO) آزمایشی برای برنامه‌های آتی بود. زیرا هیچوقت هیچکس به این شکل از ماهواره‌ها استفاده نکرده بود. اما این تست موفقیت‌آمیز از آب در آمد. گلادنمی‌گوید: «آن‌ها دقیقا همان کاری را کردند که می‌خواستیم.» البته MarCOها یک‌بار مصرف بودند، چرا که سوخت کافی برای ورود به مدار را نداشتند. اما ساخت چنین ماهواره‌های کوچکی نسبتا ارزان و آسان است و MarCOها نشان دادند که به این شکل می‌توان به صورت بهینه به پایش رویدادهای خاص پرداخت و نیازمند به تنظیم موقعیت تمام رله‌های موجود در تمام شبکه مریخ نخواهیم بود.

ارتباط با ماموریت‌هایی که خدمه دارند

برای ماموریت‌هایی که خدمه دارند، ارتباطات عادی شکلی حتی مهم‌تر از قبل به خود می‌گیرد. به خاطر سرعت نور، همواره باید منتظر تاخیر ۲۰ دقیقه‌ای در ارتباطات میان زمین و مریخ باشیم. هیچ راهی هم برای دور زدن این چالش وجود ندارد. با این همه، می‌توانیم شبکه‌‌ای ارتباطی بسازیم تا فضانوردان حاضر در مریخ بتوانند بیشتر از چند بار در روز با زمین صحبت کنند. هدف ناسا اینست که تا جای ممکن، مکالمات میان زمین و مریخ شکلی مداوم به خود بگیرند.

گلادن می‌گوید ماموریت Mars Ice Mapper «قدمی در این سمت است. هدف ما اینست که یک صورت فلکی کوچک متشکل از فضاپیماهایی بسازیم که رله‌هایی مخصوص Ice Mapper خواهند بود.» این نخستین باری است که از یک صورت فلکی برای ارتباطات مریخ استفاده می‌شود و می‌تواند آجری در یک شبکه رله بزرگ باشد.

چنین پروژه‌ای نیازمند توان فراوان برای برقراری ارتباط میان سیاره‌هایی است که فاصله‌ای بسیار زیاد با یکدیگر دارند. اما از لحاظ تکنولوژیک کاملا امکان‌پذیر به حساب می‌آید.

شبکه‌ای نسل جدید، پیرامون مریخ

وقتی صحبت از برنامه‌ریزی برای نیازهای ارتباطی و خارج سیاره‌ای می‌شود «تمام تلاش ما اینست که آینده‌نگرانه عمل کنیم.» گلادن ادامه می‌دهد: «در تلاشیم که تمام آنچه در ماموریت‌های آتی نیاز داریم را در نظر بگیریم. خصوصا با آگاهی از اینکه در نهایت قرار است چند فضانورد را به مریخ بفرستیم».

ساخت یک شبکه ارتباطی آینده‌نگرانه برای مریخ، احتمالا نیازمند این باشد که آن را جای ممکن به نمونه‌های موجود در سیاره خودمان نزدیک‌تر کنیم: اساسا باید فضاپیماهایی بیشتر را به شبکه اضافه کنیم تا توان ارتباطی بالاتر رود. گلادن می‌گوید: «روی زمین، مشکلات ارتباطی با ارسال انبوهی از فضاپیماها به ارتفاع نسبتا کم از زمین حل می‌شود. این‌ فضاپیماها سیستم‌هایی بسیار توانمند و مجهز به آرایه‌های خورشیدی بزرگ و رادیوهای پیچیده هستند.»

ساخت شبکه‌ای که بتواند به تاخیرهای طولانی‌مدت رسیدگی کند و همینطور ساخت استانداردهای داده که در تمام سیستم‌های مریخ استفاده می‌شوند هم پیچیدگی‌های خاص خود را دارد، اما امکان‌پذیر است. چنین شبکه‌ای می‌تواند در تئوری گسترش یابد تا قادر به انجام کارهای بیشتری نسبت به تامین ارتباطان میان زمین و مریخ و بالعکس باشد. از این سیستم می‌توان به عنوان یک سیستم موقعیت‌یابی نیز استفاده کرد و به ناوبری در سراسر مریخ، یا به کمک برخی تغییرات سخت‌افزاری، تامین ارتباطات در سراسر مریخ پرداخت.

اما چنین فضاپیمایی بسیار بزرگ و سنگین خواهد بود و بنابراین پرتاب آن تبدیل به کاری دشوار می‌شود. و ناسا با یک مشکل دیگر نیز روبه‌رو است: برخلاف ماهواره‌های پیرامون زمین که توسط میدان مغناطیسی سیاره محافظت می‌شوند، ماهواره‌های حاضر در مدار پیرامون مریخ با تشعشعات بمباران می‌شوند. این یعنی باید نوعی زره به دور آن‌ها کشید که بار دیگر وزن‌شان را افزایش می‌دهد.

آماده‌سازی ارتباطات برای آینده

راه‌اندازی شبکه ارتباطات مریخ تنها نیمی از پازل ارتباطات آینده خواهد بود. نیمه دیگر، آماده‌سازی تکنولوژی‌هایی است که روی زمین در اختیار داریم.

در حال حاضر DSN شامل آنتن‌های بیشتر می‌شود تا قادر به همگام ماندن با شمار ماموریت‌هایی باشد که در عمق فضا صورت می‌گیرند. از سوی دیگر، قابلیت‌های نرم‌افزاری بهبود می‌یابند تا پروسه‌های بیشتری درون شبکه شکلی خودکار به بگیرند و شمار کمتری از کارمندان نیازمند نظارت بر هر ماموریت باشند.

اما بعد مشکل پهنای باند محدود نیز وارد میدان می‌شود. فضاپیماهای امروزی تجهیزات پیچیده‌تری دارند که انبوهی از داده را جمع‌آوری می‌کنند و مخابره تمام این داده‌ها با ارتباطی کند، بسیار محدود‌کننده است. دقیقا همان مشکلی که ممکن است هنگام اتصال به اینترنت کم‌سرعت تجربه کنید.

داچ می‌گوید: «می‌خواهیم در آینده قادر به دریافت اطلاعات بیشتری از هر فضاپیمایی باشیم. به این خاطر که همین‌طور که تکنولوژی فضاپیماها در گذر زمان بهبود می‌یابد، مجهز به تجهیزاتی توانمندتر می‌شوند و می‌خواهیم بیت‌های بیشتر و بیشتری بر ثانیه دریافت کنیم. بنابراین چالش ما اینست که با قانون مور همگام بمانیم».

راه حل مشکل اینست که اطلاعات با فرکانس بالا مخابره شوند. «اگر فرکانسی که با آن به برقراری ارتباط می‌پردازید را افزایش دهید، پرتویی که داده را از فضاپیما مخابره می‌کند متمرکزتر می‌شود و بخش بیشتری از آن به جایی که می‌خواهید می‌رسد.» اگرچه نخستین ماموریت‌ها از فرکانس ۲.۵ گیگاهرتز بهره می‌بردند، فضاپیماهای اخیر به فرکانس ۸.۵ گیگاهرتز رسیده‌اند و آخرین ماموریت‌ها نیز با فرکانس ۳۲ گیگاهرتز انجام شده‌اند.

با فرکانس بالاتر می‌توان به بهبودی رسید که معادل توانایی‌های کنونی به توان ۴ است، اما حتی این هم در طولانی‌مدت کافی نخواهد بود. بنابراین گام بزرگ بعدی در ارتباطات فضایی اینست که از ارتباطات نوری یا ارتباطات لیزری استفاده کنیم. این تکنولوژی همان مزایای استفاده از فرکانسی بالاتر را به ارمغان می‌آورد، اما ارتباطات نوری در عین حال توانایی‌های کنونی بهترین ابزارهای ارتباط رادیویی را به توان ۱۰ می‌رسانند.

و خبر خوب اینست که در روند گذار از ارتباط رادیویی به ارتباط نوری، DSN نیازمند سخت‌افزاری کاملا جدید نخواهد بود. آنتن‌های فعلی را می‌توان به گونه‌ای ارتقا داد که با تکنولوژی جدید سازگار باشند و آنتن‌های جدیدی که برای سازگاری با چندین باند فرکانس طراحی شده‌اند هم قادر به دریافت مخابره‌های نوری هستند.

بعد از این به کجا می‌رویم؟

مشکلات برقراری ارتباط با سیاره‌ای دیگر مشکلاتی عمیق هستند که به آسانی حل نمی‌شوند. گلادن می‌گوید: «فیزیک تغییرناپذیر است. فاصله زیادی [با سیاره مقصد] داریم و بنابراین قدرت سیگنال را از دست خواهید داد. این چالشی است که هنگام تلاش برای ساختن شبکه‌ای برای فضانوردان باید به آن فکر کنیم.»

اما ما اکنون در آستانه عصری جدید از ارتباطات فضایی هستیم. طی دهه آتی و به لطف ماموریت آرتیمس ناسا در کره ماه و همینطور Mars Ice Mapper، دانش بیشتری راجع به مخابره و دریافت داده به دست خواهیم آورد. گلادن هشدار می‌دهد که: «قرار است روند دست و پا چلفتانه باشد. ما می‌خواهیم از چیزهای زیادی سر در آوریم». او برای توضیح به مباحثات بین‌المللی بر سر استفاده از استانداردها و همینطور روابط در حال تغییر میان آژانس‌های فضایی دولتی و کمپانی‌های خصوصی اشاره می‌کند. تصمیماتی که امروز اتخذ می‌شوند، تاثیری گسترده بر پیشرفت اکتشافات فضایی طی دهه‌های آتی خواهند گذاشت.