Tak ma wyglądać kosmiczna komunikacja z obcymi światami

Większość z nas nie zdaje sobie sprawy z faktu, że kosmiczna komunikacja pomiędzy bazami na Księżycu i Marsie a Ziemią to najważniejszy aspekt rozwoju technologii kosmicznych. Obecnie wiele instytutów naukowych opracowuje takie futurystyczne rozwiązania, a nawet kilka z nich zostało już pomyślnie przetestowanych.

Dotychczas NASA do komunikacji z sondami kosmicznymi czy robotami na Marsie korzystała z sieci Deep Space Network (DSN). Składa się z sieci naziemnych anten rozproszonych po kuli ziemskiej. Mają one średnicę ok. 70 metrów i znajdują się w specjalnie wybranych lokalizacjach oddzielonych od siebie o 120 stopni kątowych: w Madrycie, australijskiej Canberze i w Goldstone w Kalifornii.

Jednak takie rozwiązania powoli stają się przeszłością. Ludzkości potrzeba jest bowiem znacznie szybszych i sprawniejszych źródeł komunikacji. Oczywiście, nie przekroczymy prędkości światła w przekazywaniu informacji, ale obecne systemy bazujące na falach radiowych uzyskują niskie transfery i trzeba je znacząco przyspieszyć.

Co ciekawe, SpaceX nie myśli o budowie kosmicznego internetu Starlink tylko na potrzeby naszej planety. Jakiś czas temu Elon Musk zapowiedział, że gdy tylko zbuduje najpotężniejszy w historii ludzkości system transportu kosmicznego o nazwie Starship, rozpocznie się budowa księżycowego i marsjańskiego internetu. Ma on składać się docelowo z setek satelitów, które będą orbitować wokół naturalnego satelity naszej planety oraz Czerwonej Planety i łączyć bazy z ośrodkami na Ziemi.

Europejska i Amerykańska Agencja Kosmiczna poinformowały, że rozpoczęły budowę księżycowego internetu 4G LTE i 5G. LunaNet ma bazować na rozwiązaniu Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN). Atrybutem tego rozwiązania jest szybkie połączenie konkretnych punktów, bez obaw o problemy z opóźnieniami i zakłóceniami sygnału. System będzie zatem przechowywał dane przesyłane w trakcie połączeń, i jeśli wystąpią problemy, wznawiał ich transfer. Inżynierowie zapewniają, że nie dojdzie do utraty cennych danych.

Węzły LunaNet pozwolą na wymianę informacji pomiędzy robotami, łazikami i innymi maszynami eksplorującymi Księżyc i ułatwią ich operatorom kontrolowanie je na nieznanych obszarach. Księżycowy internet ma zapewnić też bezpieczeństwo kolonizatorom. Naukowcy będą mogli za jego pomocą pozyskiwać dane o kosmicznej pogodzie i odpowiednio wcześniej wysyłać ostrzeżenia o burzach słonecznych.

W budowie księżycowego internetu pomoże też firma Nokia. NASA przeznaczyła jakiś czas temu ponad 14 milionów dolarów ten projekt. Na dobry początek w zupełności wystarczy sieć 4G LTE, ponieważ jest to technologia dobrze przetestowana i wciąż tkwi w niej ogromny potencjał. Oczywiście, później przyjdzie czas na 5G, ale jak tłumaczą eksperci z Nokii, na Księżycu 4G LTE będzie znacznie szybsze, niż na Ziemi.

NASA zaprezentowała niedawno innowacyjny system szybkiej komunikacji laserowej pomiędzy instalacjami kosmicznymi z obiektami znajdującymi się na powierzchni Ziemi. Naukowcy mówią tutaj o rewolucji, dzięki której będzie można przyspieszyć wymianę ważnych danych.

Dotychczas agencje kosmiczne nadzorowały misje sond kosmicznych czy robotów za pomocą komunikacji radiowej. Nie trzeba tutaj tłumaczyć, że nie jest to rozwiązanie idealne. Dlatego naukowcy postanowili wykorzystać potęgę laserów, by znacznie szybciej i precyzyjnej przesyłać duże ilości danych pomiędzy instalacjami kosmicznymi a obiektami na Ziemi.

W ten sposób powstał projekt Laser Communications Relay Demonstration (LCRD). Jak tłumaczą naukowcy z NASA, system składa się z dwóch stacji naziemnych, rozmieszczonych w Kalifornii (OGS-1) i na Hawajach (OGS-2). Wybór na takie placówki padł nieprzypadkowo. W tych lokalizacjach warunki atmosferyczne przez większą część roku są najlepsze, spośród innych miejsc na terenie USA.

Inżynierowie zadbali również o to, by dwie stacje uzupełniały się, gdy nad jedną z nich będą występowały niesprzyjające warunki atmosferyczne. Obiekty będą śledziły satelitę STPSat-6, na którego pokładzie w ramach eksperymentów umieszczony zostanie system laserowego przekaźnika komunikacyjnego. Testy potrwają 2 lata, ale pierwszy etap, zrealizowany na innym satelicie pokazał, że system naprawdę działa i spełnia pokładane w nim nadzieje.

Satelita STPSat-6 poleciał na orbitę w grudniu ubiegłego roku na pokładzie Atlas V. W trakcie testów, naukowcy wyślą sygnał strumieniem laserowym z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej do satelity STPSat-6, a następnie do ośrodka OGS-1 w Kalifornii. NASA planuje wykorzystać swój innowacyjny system do szybkiego przesyłu danych na Ziemię z pokładu ISS. W przyszłości podobny system obejmie inne stacje kosmiczne i hotele, a nawet bazy na Księżycu czy Marsie.

Na naszej planecie nawigacja jest czymś, bez czego wielu z nas nie wyobraża sobie sprawnego podróżowania. Jako że jeszcze w latach 20. chcemy zacząć kolonizować Srebrny Glob, istnieje potrzeba zapewnienia łazikom, robotom i kolonizatorom sprawnej komunikacji oraz nawigacji.

Ogromne znaczenie ma ona również dla satelitów i orbiterów. Bardzo często zdarza się bowiem, że gdy znajdą się po przeciwnej, względem Ziemi, stronie orbity Księżyca, pojazdy tracą orientację. Ta smutna rzeczywistość ma się odmienić o 180 stopni. Na dobry początek zostanie zapewnione pozycjonowanie na orbicie transferowej Ziemia-Księżyc, a następnie dla satelitów na orbicie wokół Księżyca.

Założenia projektu są bardzo obiecujące. Już w latach 2022-2025 wykorzystywane będą do budowy księżycowej nawigacji istniejące już konstelacje satelitów nawigacyjnych oraz odbiorniki znajdujące się na powierzchni Srebrnego Globu.

W fazie II, realizowanej w latach 2025-2035, na orbitę księżycową trafi kilka nowych satelitów. Dodatkowo z samej powierzchni Księżyca mają być transmitowane sygnały. W fazie III, czyli po roku 2035, ma funkcjonować pełny księżycowy system nawigacyjny.

Prof. Krzysztof Sośnica, dr Radosław Zajdel i dr Grzegorz Bury z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu wezmą udział w II fazie projektu ATLAS, realizowanego przez ESA. Polacy przetestują różne rozwiązania techniczne dla systemu nawigacyjnego i możliwości jedno- i dwukierunkowej komunikacji pomiędzy Ziemią a satelitami oraz księżycowymi przekaźnikami i satelitami.