Prej ali slej bo moralo človeštvo začeti razvoj sosednjih planetov in drugih primernih teles sončnega sistema. Poleg običajne meddržavne in mednarodne komunikacije bomo potrebovali medplanetarno in celo medzvezdno komunikacijo. Znanstveniki in pisci znanstvene fantastike že razmišljajo o tem, kako lahko to deluje danes.
Ni brez razloga, da se sodobna »post-atomska« doba imenuje informacijska: komunikacija je živce naše globalne civilizacije. Če pozabimo na pametni telefon doma, se nam zdi, da nismo na mestu. Nekoč nekdo kličemo, prejemamo in pošiljamo sporočila in pisma, izmenjujemo fotografije - in vedno bolj smo odvisni od različnih informacij, ki jih prejemamo prek interneta. Kam vodi cesta? V katero banko zaupati? Kaj? Kje? Kdaj?..
V 21. stoletju je komunikacija življenje, planet pa je prekrit z vse bolj gosto mrežo žic, repetitorjev in komunikacijskih postaj. Vendar prostor večinoma ostaja "gluh". Poleg tega ogromne razdalje, ki ločujejo Zemljo od Lune, Marsa in drugih obetavnih krajev, celo znotraj osončja, povzročajo zelo posebne težave. Čas, potreben, da signal potuje, ustvarja zamude, intenzivno sevanje v vesolju pa ga degradira in izkrivlja. Nazadnje se vsi ti predmeti vrtijo okrog sebe in Sonca, sateliti pa se vrtijo tudi okoli planetov, zato se vsake toliko časa prepustijo vidni liniji.
Za trenutek si predstavljajmo prve koloniste, ki so si zadali osvojiti Mars in na njem ustanovili prvo naseljeno kolonijo. Razdalja do Zemlje za nas v različnih obdobjih bo od 56 do 226 milijonov km. Zato bo časovna zamuda močno otežila vsak dialog z "domom": signal bo trajal od 3 do 21 minut. In če je pogovor nujen - je na primer nujno nujno posvetovanje in pomoč? In če najdete (zamislite!) Sledi izgubljene marsovske civilizacije - ali vsaj nepričakovanega minerala tukaj - in želite poslati fotografije in video posnetke strokovnjakom na Zemlji?..
Ponovno se boste počutili v preteklosti, ko vas je hitrost interneta včasih počakala, da se vsaka majhna slika naloži. Pravzaprav so danes najbolj napredne naprave, ki delujejo na Rdečem planetu, sposobne prenašati podatke s hitrostjo le približno 256 Kb / s - kot pri Dialup povezavi v dobrih starih devetdesetih. O kakršni koli resni izmenjavi informacij ni treba govoriti.
Toda to je "samo" sosednji Mars. S čim se bodo morali spoprijeti pogumni raziskovalci daljnih dosegov osončja? Za tiste, ki bodo šli v orbito Plutona in morda še dlje?.. Za prenos signala bodo potrebne ure, oddajniki velike moči … ampak kaj še? Znanstveniki in oblikovalci (in z njimi seveda tudi pisci znanstvene fantastike in futuristi) že razmišljajo o tem in predlagajo svoje različice, kako bi lahko uredili medplanetarno komunikacijo.
Satelitsko omrežje
Promocijski video:
Zamisel o gradnji komunikacijskega satelitskega omrežja, ki bo pokrivalo območje 6 milijard km od Merkura do Plutona, je videti neizprosno. Toda leta 1945, ko je veliki britanski pisatelj znanstvene fantastike Arthur Clarke objavil majhen članek "Zunajzemeljski releji", v katerem je prvič predstavil idejo o uporabi orbiterjev za komunikacijo, se je zdelo neverjetno obsežno, zapleteno, drago in komajda ali želenega. Vendar danes satelitske konstelacije zagotavljajo komunikacijo s skoraj katero koli točko na planetu. In gradnja medplanetarne mreže se sploh ne zdi neizvedljiva.
Prvi projekt širitve satelitskega komunikacijskega omrežja zunaj zemeljskega prostora se je pojavil že pred uvedbo prvega telekomunikacijskega satelita - leta 1959. Njena avtorja sta bila ameriška oblikovalca George Mueller in John Taber. Njihov "medplanetarni komunikacijski sistem" naj bi zagotavljal prenos informacij na dolge razdalje z uporabo radijskih signalov, ki jih poznamo danes.
Gibanje nebesnih teles ustvarja svoje težave. Če se spomnimo istega Marsa, se približno vsakih 780 dni znajde v takšnem položaju, ko je Sonce med njim in Zemljo in popolnoma blokira neposredno povezavo z enega planeta na drugega. Vendar je rešitev za to težavo že bila najdena. Govorimo o izstrelitvi medplanetarnih vozil v ne-keplerijske orbite, torej v tiste, za katere planet ni središče. Ker je nekoliko oddaljena od nje, bo takšna naprava zaščitena pred Soncem ali drugimi telesi ločeno od planeta in mu bo lahko zagotavljala stalno povezavo z Zemljo. Omeniti velja, da bodo za vzdrževanje takšne nestandardne orbite potrebni dodatni stroški energije.
Izračuni, ki sta jih naredila Stevan Davidovič in Joel Whittington, skoraj pol stoletja po tem, ko sta Mueller in Taber izšla, sta pokazala, da bi bilo za izvajanje takšne mreže lahko dovolj realno število satelitov. Dovolj je, da postavimo tri vesoljske ladje v polarne orbite, pravokotne drug na drugega okoli Sonca, in še tri za vsak od planetov, s katerimi nameravamo vzpostaviti komunikacijo. Takšno omrežje bo lahko kadar koli prevzelo signal z vesoljskega plovila ali avtomatiziranega sonda in ga poslalo - od planeta do planeta -, dokler ne doseže Zemlje.
Ves svet
Če želite ustvariti takšno omrežje, lahko storite brez specializiranih satelitov. Enostavnejša in cenejša možnost izvajanja vključuje uporabo vesoljskih plovil, ki imajo popolnoma različne - vsaka s svojimi - nalogami. Govorimo o številnih medplanetarnih sondah, roverjih, lunarnih roverjih in drugih napravah, ki še vedno komunicirajo z Zemljo neodvisno drug od drugega: informacijski kanal za vsako je organiziran posebej. Vsak projekt ima svojo strojno in programsko opremo, ki se ne uporablja nikjer drugje.
Možnost oblikovanja enotnega vesoljskega radijskega komunikacijskega standarda se zdi veliko bolj smiselna. Potem bi lahko vsako vesoljsko plovilo, izstreljeno v orbito ali izven nje - vse do globokih izvidniških sond - bilo integrirano v enotno komunikacijsko omrežje, katerega celica pomaga drugim pri izmenjavi informacij z Zemljo. In če bo potrebno, bodo lahko neposredno izmenjali podatke, mimo Zemlje. To je podobno, kako datoteke in podatke medsebojno prenašajo računalnik, tablični računalnik in pametni telefon, povezan prek skupnega usmerjevalnika WiFi.
DTN: Internet med planeti
"Sveti gral" vesoljskih sistemov medplanetarne satelitske komunikacije, njihov oddaljeni briljantni ideal je ustvarjanje "medplanetarnega interneta", tako hitrega in priročnega, kot smo ga navajeni na Zemlji. Vendar temeljna arhitektura interneta za vesolje ni dovolj primerna.
Dejstvo je, da jih računalniki za prenos kakršnih koli podatkov po internetu (pa naj bodo to e-pošta ali pretočni video) razdelijo v ločene, ne prevelike pakete. Paketi se pošiljajo ločeno, po prejemu pa so že povezani med seboj. V vesolju je s svojimi ogromnimi razdaljami in motnjami zmeda in izguba velikega števila paketov skoraj neizogibna. Zato nekateri strokovnjaki za izvajanje "medplanetarnega interneta" menijo, da je treba razviti posebno arhitekturo z lastnimi protokoli in standardi izmenjave podatkov.
Močno strpno povezovanje / NASA.
Eden takšnih protokolov - DTN (Disrup-Tolerant Networking) - sploh ne pomeni stalne povezave med pošiljateljem in prejemnikom podatkov. Ko jih razbije v pakete, lahko pošiljatelj počaka na priročno "okno" za njihov prenos. Ta tehnologija je bila uspešno preizkušena leta 2008 in je zagotavljala komunikacijo z vesoljskim plovilom Epoxi, ki se je nato nahajalo 32,2 milijona km od Zemlje.
Laser namesto radia
Vendar pa tudi če bo takšno satelitsko omrežje uvedeno, ne bo rešilo več ključnih težav "medplanetarnega gostovanja", vključno s težavo zmogljivosti takšnih komunikacijskih kanalov. Za to so krivi radijski valovi, ki načeloma ne morejo prenašati informacij nad določeno gostoto (ta učinek je znan vsem, ki so uporabljali brezžični internet: z vsemi svojimi številnimi ugodnostmi bo vedno počasnejši kot žični internet).
Če pa namesto radijskih valov uporabljate laserski žarek z veliko krajšo valovno dolžino, lahko vanj "zapakirate" veliko več podatkov. Laserska (optična) komunikacija ima še eno prednost: taka koherentna svetloba se praktično ne razprši, prenaša energijo, usmerjeno v želeno smer in omogoča resne prihranke pri prenosni energiji.
Optična dvosmerna laserska komunikacija je bila vzpostavljena z ameriško sondo LADEE (Lunar Atmospheric Dust Environment Explorer), ki je vzletela leta 2013. Sistem LLCD na krovu satelita in dveh zemeljskih sprejemnih postaj je zagotavljal prenos podatkov s hitrostjo, ki je za Luno še ni bilo, - do 622 Mbps (prenos z Lune na Zemljo) in do 20 Mbps "prenos" (z Zemlje na Luno)). Poleg tega se je oddajna oprema sonde po velikosti, teži in porabi energije manjša od običajnega radijskega komunikacijskega sistema.
Raziskovalec okolja za prah v lunarni atmosferi.
Možnosti laserske komunikacije so tako zanimive, da se danes znanstveniki in razvijalci mnogih univerz, visokotehnoloških podjetij in celo vesoljskih agencij resno ukvarjajo s takšnimi projekti. Na podlagi laserjev je treba izvesti NASA-in projekt globinskih vesoljskih optičnih komunikacij (DSOCP).
Projekt globinskih vesoljskih optičnih komunikacij.
Po mnenju strokovnjakov bo tak sistem omogočil prenos informacij 10-100 krat hitreje kot najbolj napredni radijski komunikacijski sistemi. To je že dovolj za normalen prenos datotek z istega Marsa. Žal izvedba optične komunikacije ni tako preprosta - nenazadnje še vedno uporabljamo radijske valove "po starem načinu". Do zdaj so taki sistemi v prvih razmerah v resničnih razmerah in v veliko manjšem obsegu.
Krušne drobtine in komunikacijski "krožniki"
A pojdimo še dlje - od medplanetarne komunikacije do medzvezdne komunikacije. Navsezadnje vsi upamo, da bodo nekoč naše sonde in celo posadke s posadko presegle osončje. Vsaj do enega od bližnjih sosedov - Alpha Centauri B. Toda tudi do tega bližnjega soseda se razdalja zdi osupljiva: približno 3,78 bilijona km! Celo svetloba traja skoraj 4,5 leta, da pridemo tja. Zato mnogi futuristi verjamejo, da bo treba za popolno preučevanje sistema Alpha Centauri poslati ne samo sondo in niti posadko, temveč celo medzvezdni križar, v katerem živi več tisoč ljudi in več deset tisoč robotov. Križar, ki lahko vzdržuje življenje stoletja, generacije za generacijo.
Projekt Icarus ("Icarus") je usmerjen v razvoj tehnologij in rešitev, potrebnih za ustvarjanje medzvezdnega vesoljskega plovila s termonuklearnim motorjem.
Zato danes navdušeni znanstveniki in futuristi razmišljajo o fantastičnem projektu "medzvezdnega križarja" Icarusa - in že so se soočili s problemom ohranjanja stalne komunikacije z Zemljo. Da bi ga rešila, bo morala ladja, ki se pomika vse dlje in dlje v vesoljske globine, po načrtu streljati prazne posode izpod goriva, napolnjene s koristno opremo.
Tako kot drobtine iz pravljic, ki so označile pot, bodo tudi te preproste "sonde" tvorile verigo, skozi katero se signal lahko prenaša nazaj na njihovo rodno Zemljo. Seveda to ne bo rešilo problema časovnih zamud. Po drugi strani bo omogočilo zmanjšanje velikosti in porabe energije samega telekomunikacijskega sistema Icarus, poleg tega pa bo povečal pasovno širino komunikacijskega kanala.
Predhodnik Icarusa je bil projekt Deadalus, ki so ga v Veliki Britaniji razvili konec sedemdesetih let.
Da bi v celoti zajeli šibek signal, ki prihaja po verigi "krušnih drobtin" iz oddaljenih globin prostora, Icarusovi razvijalci načrtujejo gradnjo specializiranih sprejemnih postaj. Poleg tega jih je mogoče zgraditi tako na Zemlji, na naši strani kot tudi na drugih telesih osončja, kjer ozračje ni tako gosto in bo prineslo manj izkrivljanja.
Sonce kot ojačevalnik
Vendar pa tudi takšni opazovalniki, opremljeni z zmogljivimi radijskimi antenami, morda ne bodo mogli opraviti dela. Signal, ki prihaja z velikih razdalj, bo izredno šibek in poln vseh vrst hrupa. Pravzaprav ga lahko štejemo v fotone (za primerjavo, mobilni telefon v povprečju odda približno 1024 fotonov radijske oddaje). Ali je mogoče iz tako šibkega signala sploh kaj izvleči? Nenavadno je, da lahko tehnologija in … Sonce samo pomaga pri tem.
Najprej je za to možno večkratno podvajanje vsakega signala, kar jim bo nato omogočilo dodajanje in izoliranje izvirnega sporočila - ta koncept je razvil ameriški fizik indijskega porekla Saikat Guha. Da bi razložil svojo idejo, se zateče k naslednji analogiji. Predstavljajte si, da natisnete tisoče kopij sporočila in jih nato položite skozi drobilnik in mešate. Kopije vas bodo prihranile: četudi jih večino zavržete, bodo posebni algoritmi obnovili prvotno sporočilo.
Pred uporabo sonca kot ojačevalca obstaja ena velika težava - Jupiter. Ogromen planet lahko pomembno prispeva k motenju in v tistih trenutkih, ko prehaja blizu prenosnega signala, lahko komunikacija moti
In drugič, razvijalci istega projekta Icarus so ugotovili, kako uporabiti celotno zvezdo za ojačanje signala. Spomnimo se, da Einsteinova splošna teorija relativnosti gleda na gravitacijo kot na izkrivljanje strukture štiridimenzionalnega vesolja. Z drugimi besedami, masivni predmeti odbijajo oddajano sevanje, ga "odvrnejo" od ravne poti in delujejo kot "gravitacijska leča".
Ta učinek so astronomi že večkrat dokazali in ga danes pogosto uporabljajo za opazovanje oddaljenih zvezd in galaksij. Vendar je takšna "leča" lahko koristna tudi za koncentriranje radijskih valov ali laserskega sevanja, ki prihaja iz vesoljskega plovila. Za to pa bo treba v vesolje izstreliti še en aparat, ki se bo vrtel okoli Sonca, tako da je zvezda vedno med njo in ladjo. Če bi se držali spoštljivih 80 milijard km stran od Sonca (18-krat večja od orbite Plutona), bi takšna sonda zvezdo videla kot le eno najsvetlejših na nebu. Sonce ne bo zaščitilo signala, ampak ga bo lahko ojačalo z gravitacijskim lečanjem, naprava pa bo dobila z zmogljivejšim komunikacijskim kanalom z Icarusom.
Nad nemogočim
Teoretično ostaja le ena težava, ki še ni bila rešena: velike kozmične razdalje in posledično velike zamude pri prenosu podatkov. Če se naš veličastni Ikar kdaj spotakne na »bratje v mislih« pri Alpha Centauri, bomo o tem vedeli šele pozneje. V takšnih okoliščinah ni nič govoriti o možnostih operativnih posvetovanj s strokovnjaki na Zemlji. Zdi se, da je nemogoče premagati to oviro - se lahko kaj premakne hitreje od svetlobe?
Za razliko od Einsteinovih teorij kvantna mehanika v nekaterih posebnih primerih omogoča pojave, ki so hitrejši od hitrosti svetlobe. Na primer, nadnaravne hitrosti so možne za virtualne delce, ki se rodijo in uničijo v procesu interakcije med drugimi delci. Druga dobro znana manifestacija interakcij, hitrejša od svetlobe, je pojav kvantnega zapletanja, pri katerem se med pari delcev vzpostavi vez, tako da sprememba stanja enega v trenutku vpliva na stanje drugega. Ne bomo se spuščali v zapletenosti teh zapletenih pojavov, rekli bomo le, da je načeloma nemogoče prenašati informacije bodisi s prepletanjem bodisi z navideznimi delci.
Vendar pa lahko. Leta 2012 sta James Hill in Barry Cox dokazala, da obstaja posebna vrzel v Einsteinovi posebni teoriji relativnosti, ki pušča nekaj nevtrinih delcev, da teoretično lahko potujejo hitreje od svetlobe. Žal poskusi na Velikem hadronskem trkalniku še niso omogočili potrditve teh izračunov in to vprašanje ostaja izredno kontroverzno in dvomljivo.
Malo je verjetno, da bo komunikacija mogoča hitreje kot svetloba - razen če se končno ne naučimo deformirati prostor-čas po svoji volji. Vendar bo to povsem druga zgodba.
Sergej Vasilijev