Как построить Интернет на Марсе

Прежде чем люди произведут высадку на Марс, им нужно будет найти способ связи друг с другом, с оборудованием, находящимся на планете и вокруг нее, а также с центром управления полётом на Земле. Находясь очень далеко от дома, они, несомненно, захотят общаться с близкими, обновлять свои плейлисты или просматривать новые эпизоды своих любимых шоу.

Однако, установить Wi-Fi-соединение с интернетом на Земле не получится. Земля попросту находится слишком далеко – в сотнях миллионов километров, в зависимости от взаимного расположения планет на орбите. Тут понадобится другая стратегия.

Создание хорошей коммуникационной инфраструктуры имеет важное значение для обеспечения полетов человека на Марс, утверждает Клэр Парфитт, системный инженер Европейского космического агентства (European Space Agency, ESA). “На данный момент мы находимся на самой ранней стадии её разработки”.

Исследователи тестируют способы модернизации существующих сетей, а также некоторые перспективные альтернативы. Например, миссия НАСА “Психея”, которая стартовала в октябре с целью исследования астероида между Марсом и Юпитером, будет тестировать межпланетную связь с использованием лазеров. Лазеры могли бы передавать гораздо больше данных, чем радиоволны, которые использовались с самых первых дней космических путешествий.

Никакие известные стратегии не могут устранить временную задержку в передаче сообщений между Землей и Марсом, ведь на передачу сообщения со скоростью света в один конец уходит от 4 до 24 минут. Другими словами, о быстром звонке в центр управления полётом не может быть и речи, не говоря уже о звонке домой через WhatsApp.

Существует также проблема «солнечной конъюнкции», поясняет Парфитт, когда солнце оказывается на одной прямой между Землей и Марсом. Это происходит примерно раз в два года на пару недель, прерывая таким образом возможность связи между планетами. Последнее такое событие произошло в прошлом ноябре.

Но новые подходы могут открыть возможности, которые сделают коммуникации на Марсе более похожими на те, что мы используем здесь, на Земле. По крайней мере, одна исследовательская группа задалась вопросом: а что, если бы на Марсе был свой собственный Интернет?

Как работает марсианская связь сегодня

Несколько космических агентств уже отправили на Марс посадочные аппараты, марсоходы и спутники, которые должны поддерживать связь с Землей.

Большая часть связи с Марсом осуществляется через Марсианскую ретрансляционную сеть. Эта сеть из пяти орбитальных аппаратов вокруг Марса – MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey и Mars Express – передает информацию с помощью антенн, направленных в сторону Земли.

Марсоход, которому необходимо отправить свои актуальные наблюдения на Землю, сначала передает данные на один из орбитальных аппаратов, используя сверхвысокочастотную радиопередачу. Если этот орбитальный аппарат не находится в прямой видимости с Земли, он может удерживать информацию до тех пор, пока это не произойдет. Затем данные передаются на Землю, где мощные радиоантенны, разбросанные по всему земному шару, постоянно отслеживают сигналы из глубокого космоса.

Но как только экипаж высадится на Марс, этой системы станет недостаточно. Винсент Чен, исследователь в области волоконно-оптической и спутниковой связи в Массачусетском технологическом институте, считает, что традиционная наземная связь вполне работоспособна и там. По его словам, марсианский экипаж сможет взаимодействовать, используя радиочастоты и существующие беспроводные технологии. Двух мини-вышек сотовой связи достаточно для связи на близком расстоянии, а для более удалённого соединения можно использовать какой-нибудь ретранслятор.

Большая антенна на посадочном аппарате экипажа, направленная в сторону Земли, вероятно, может стать самым первым элементом связной инфраструктуры для марсианских исследователей, говорит Чен. Когда же эта антенна окажется вне прямой видимости, они смогут использовать орбитальные ретрансляторы, подобные Марсианской ретрансляционной сети. В соответствии с концепцией коммуникационной и навигационной инфраструктуры Марса (MARCONI) в настоящее время ESA изучает возможность повышения надежности существующей ретрансляционной сети.

Хотя традиционных радиочастот достаточно для обеспечения низкой скорости передачи данных, использование лазерных технологий позволило бы передавать в 10-100 раз больше данных за тот же промежуток времени. Благодаря более высоким частотам оптических волн, в сотни тысяч раз превышающим частоты радиоволн, можно передавать гораздо больше информации. Таким образом, этот тип передаваемого оптического сигнала – как раз то, к чему в недалёком будущем может прийти космическая связь.

Лазерная связь в космосе

Использование лазеров для космической связи – не новость, но раньше они не испытывались на расстояниях, превышающих расстояние до Луны.

Космический аппарат Psyche, запущенный в октябре прошлого года для исследования астероида Психея, проверяет возможности лазерной связи на больших расстояниях. В середине ноября Psyche передал данные на Землю с расстояния в 16 миллионов километров – в 40 раз дальше, чем Луна. А в декабре он прислал видео с расстояния 31 миллион километров.

Несмотря на все свои преимущества, оптическая связь требует прецизионной наводки сигнала. В отличие от радиосвязи, оптические сигналы передаются узким лучом, который должен быть направлен очень точно на приемник. Кроме того, атмосферные явления способны создавать существенные помехи для лазеров.

Любой переход к оптической связи будет означать либо модернизацию существующих радиоантенн «сети глубокого космоса», либо создание совершенно новой инфраструктуры.

Интернет на Марсе

Конечно, будущие обитатели Марса захотят иметь в своём распоряжении систему, подобную привычному Интернету. В июне 2023 года Тобиас Пфандзельтер и Дэвид Бермбах – эксперты в области облачных вычислений из Технического университета Берлина – предположили, что флот спутников, вращающихся вокруг Марса, смог бы обеспечить эту планету собственным сегментом Интернета. Для своего проекта “Марсианский интернет” они использовали подходы «передовых вычислений» (Advanced Computing), когда информация обрабатывается непосредственно там, где она собирается.

По их мнению, предлагаемая марсианская сеть должна, по сути, быть похожа на Starlink – группировку спутников на низкой околоземной орбите. На Марсе такая система может оказаться дешевле и проще в создании, чем обширная и надежная сеть на Земле.

Исследователи пришли к выводу, что группировки из 81 низкоорбитального спутника вокруг Марса будет достаточно для охвата всей планеты. Они обеспечат локальную систему связи, которая станет марсианским продолжением земного Интернета.

Своя облачная система хранения данных на Марсе могла бы упростить доступ к информации. “Вы сможете использовать те же возможности, что и на Земле, потому что все ваши данные хранятся и реплицируются локально”, – говорит Тобиас Пфандзельтер. Тем временем загрузки данных с Земли и обратно могут производиться в фоновом режиме.

Вывод интернет-спутников на орбиту представляется вполне экономичным, поскольку для этого не потребуется посадочная инфраструктура на поверхности планеты, которая может составить значительную часть бюджета всей марсианской миссии. “Было бы намного дешевле просто отправить на Марс несколько сетевых спутников и далее удерживать их на орбите”, – предполагает Пфандцельтер.

Исследователи считают, что даже если до прибытия человека на Марс пройдут ещё десятилетия, искать новые решения вовсе не рано. Некоторые ограничения можно преодолеть и сейчас, но, если не произойдет новых серьезных открытий в физике, информацию невозможно будет передавать быстрее скорости света.

Источник: ScienceNews

Image for illustration only. Image source: Freepik.com