Komunikacja z sondą międzygwiazdową

Jaki jest najlepszy sposób komunikacji z sondą międzygwiazdową, gdy znajduje się ona lata świetlne od Ziemi?

Nie jest tajemnicą, że ludzkość jest gotowa rozpocząć nową erę eksploracji kosmosu. Oprócz nowych granic w badaniach astronomicznych i kosmologicznych planowane są również misje załogowe na nadchodzące dziesięciolecia, które po raz pierwszy wyślą astronautów z powrotem na Księżyc i Marsa. Patrząc jeszcze dalej, są też pomysły na misje międzygwiezdne, takie jak Breakthrough Starshot i Project Dragonfly oraz Starlight.

Te koncepcje misji obejmują sparowanie nanocraftu z żaglem świetlnym, który następnie byłby przyspieszany przez układ ukierunkowanej energii (lasery), aby osiągnąć ułamek prędkości światła (znaną też jako prędkość relatywistyczna). Oczywiście wiąże się to z szeregiem wyzwań technicznych i inżynieryjnych, z których nie najmniejszym jest komunikacja. W niedawnych badaniach zespół naukowców starał się rozwiązać ten właśnie problem i rozważał różne metody, które można by zastosować.

Badanie, zatytułowane „Wyzwania w przekazywaniu danych naukowych z sond międzygwiazdowych o małej masie”, ukazało się niedawno w The Astrophysical Journal Letters Supplemental Series. Badaniami kierował David G. Messerschmitt, emerytowany profesor Roger A. Strauch, profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Dołączyli do niego współautorzy prof. Philip Lubin, lider Experimental Cosmology Group na UC Santa Barbara - który jest również członkiem Breakthrough Starshot's Management and Advisory Committee - oraz dr Ian Morrison, pracownik naukowy Curtin University's International Center for Radio Astronomy Research (ICAR) (wcześniej pracownik naukowy Uniwersytetu Technologicznego w Swinburne).

Artystyczna koncepcja Nanosail-D na orbicie okołoziemskiej. Źródło: NASA

Podsumowując, nowoczesne koncepcje, takie jak Breakthrough Starshot, są oparte na badaniach prowadzonych przez UC Santa Barbara i NASA Spacegrant Consortium. W 2009 roku Eksperymentalna Grupa Kosmologiczna na UCSB (której kieruje współautor Philip Lubin) uruchomiła program Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (znany również jako DEEP-IN) w celu zbadania możliwości wysyłania promieni świetlnych z relatywistyczną prędkością podczas misji międzygwiazdowych.

W 2013 r. W ramach Initiative for Interstellar Studies (i4iS) odbył się konkurs projektowy o nazwie Project Dragonfly. Konkurs dotyczył projektów statków kosmicznych mogących osiągnąć do 5% prędkości światła, używając do przyśpieszania laserów lub/i lekkiego żagla, umożliwiając tym samym misje, które mogłyby dotrzeć do najbliższej gwiazdy (Alpha Centauri) za około sto lat.

Do 2016 roku badania przekształciły się w podstawowe idee przyjęte dla  Breakthrough Starshot,  których celem jest przyspieszenie sondy do 20% prędkości światła - około 60 000 km/s (215,85 mln km/h; 134 mln mph) - aby osiągnąć Alpha Centauri w zaledwie 20 lat.

Łącząc swoją wiedzę, Messerschmitt, Lubin i Morrison postanowili znaleźć najskuteczniejszy sposób komunikowania się ze statkami kosmicznymi, badającymi pobliskie systemy gwiezdne i informując nas, co tam jest. Obecnie ta metoda pozostaje jedyną wykonalną metodą podróży międzygwiezdnych, poza ogromnymi przełomami technologicznymi. Jak dr Messerschmit powiedział Universe Today w e-mailu:

„Sondy o małej masie, napędzane energią skierowaną i optycznym przesyłaniem danych z lasera z powrotem na Ziemię, są jedyną znaną obecnie metodą, która może zapewnić wykonalne sondy międzygwiazdowe z relatywistycznymi prędkościami dzięki technologii XXI wieku. Oczywiście wielu inteligentnych naukowców i inżynierów rozważa inne opcje, takie jak anihilacja antymaterii i synteza jądrowa, i możemy spodziewać się postępu w kierunku wykonalnych rozwiązań w tych dziedzinach technologii w miarę upływu stulecia”.

Od ponad pięćdziesięciu lat NASA polega na Deep Space Network (DSN) do komunikowania się z misjami operującymi w przestrzeni kosmicznej. Ta międzynarodowa sieć gigantycznych anten radiowych - które znajdują się w Goldstone (Kalifornii), Madrycie (Hiszpania) i Canberze (Australia) - obsługuje wszystkie misje międzyplanetarne NASA i niektóre misje na Low-Earth Orbit (LEO).

Już teraz NASA stara się stworzyć solidniejszą infrastrukturę komunikacyjną, aby obsłużyć ogromne ilości ruchu radiowego, jakiego oczekuje od przyszłych misji na Księżyc, Marsa i nie tylko. Ale w przypadku misji podróżujących z relatywistyczną prędkością i oddalające się o lata świetlne, potrzebny będzie szczególnie potężny i wydajny system do obsługi komunikacji.

Na potrzeby swoich badań zespół zastanawiał się, w jaki sposób macierz DE może również zapewnić wystarczającą ilość transmisji danych do sondy. Opierając się na wcześniejszym badaniu przeprowadzonym przez Lubina i jego kolegów z UCSB (zatytułowanego „Mapa drogowa do lotu międzygwiezdnego), zaproponowali użycie systemu energii kierowanej do namierzania planetoid i eksploatacji (DE-STAR). Jak napisał Lubin w e-mailu do Universe Today:

„W naszych programach NASA Starlight i Breakthrough Starshot (napęd relatywistyczny ze sterowaną energią) problem komunikacyjny polegający na odzyskaniu danych z dowolnej misji międzygwiazdowej pozostaje kwestią uzyskania wystarczającej szybkości fotonów z powrotem z misji na Ziemi, biorąc pod uwagę ekstremalną odległość”. 

Tym razem Messerschmitt, Lubin i Morrison rozważali te same wyzwania, ale skupili się na podstawowych fizycznych i statystycznych ograniczeniach systemu komunikacji, a nie na implementacji. Rozważają kompromis między opóźnieniem danych a wolumenem, używając jednego odbiornika do namierzania wielu sond oraz potencjalnymi zakłóceniami z atmosfery ziemskiej, a także z promieniowaniem kosmicznym i tła.

Wrażenia artysty dotyczące napędu energii skierowanej do eksploracji międzygwiezdnej (DEEP-IN). Źródło: UCSB / Q.Zhang

Lubin zaznaczył również, że obliczenia te można przeprowadzić na stronie internetowej Grupy Kosmologii Eksperymentalnej, gdzie użytkownicy mają możliwość dostosowania wagi swojego statku kosmicznego, wielkości żagla, mocy macierzy DE, odległości do celu itp. Na podstawie własnych obliczeń odkryli, że komunikowanie się ze statkiem kosmicznym wielkości płatka komplikuje sprawę. Jak wyjaśnił Lubin:

„Na początku skupimy się na tych bardzo małych sondach o niskiej masie jako sposobie osiągnięcia lotu relatywistycznego (mniejsza masa statku kosmicznego = większa prędkość), ale chociaż są to sondy najłatwiejsze do osiągnięcia prędkości relatywistycznych, najtrudniejsze są do odzyskania danych ze względu na ich niską moc dostępną do komunikacji (moc nadawania) ORAZ ich ograniczoną zdolność do przenoszenia optyki transmisyjnej”.

Niemniej jednak zespół odkrył, że możliwe jest wysyłanie i odbieranie dużej ilości danych (nawet przy użyciu małych sond) na odległości międzygwiazdowe. Na początek ustalili, że pomocny byłby system impulsowej modulacji pozycji impulsu (BPPM) - w którym bity są kodowane przez wysyłanie pojedynczych impulsów w odstępach czasu. Po stronie odbiorczej odkryli, że konieczne byłoby zbudowanie dużej liczby teleskopów optycznych, aby zwiększyć obszar odbiornika na Ziemi.

Innymi słowy, ich badania podkreślają potrzebę nie tylko wielkoskalowej macierzy DE do celów napędu, ale także wielkoskalowego odbiornika danych po stronie Ziemi, który jest zoptymalizowany pod kątem komunikacji optycznej (laser), a nie komunikacji radiowej - co mówi Lubin jako „Międzygwiazdowa Sieć Kosmiczna (IDSN)”. Rozwój koncepcji transmisji i odbioru ostatecznie idzie w parze.

Macierz fazowa w skali kwartału stworzona przez UCSB Experimental Cosmology Group z aktywowanymi siedmioma centralnymi elementami. Źródło: UCSB / Madajian, J./Cohen, A.

Oczywiście obie te koncepcje będą wymagały znacznych innowacji technologicznych i inwencji, zwłaszcza jeśli chodzi o kompensację takich rzeczy, jak przesunięcie Dopplera, zakłócenia atmosferyczne, zakłócenia ze źródeł gwiazdowych lub tła oraz związane z nimi odległości. Ale jak wyjaśnił Messerschmitt, te wyzwania były prawdziwe dla wszystkich poprzednich programów kosmicznych:

„Latanie pojedynczą sondą i otrzymywanie danych naukowych jest poważnym wyzwaniem technicznym. Niektóre potrzebne możliwości technologiczne, takie jak detektory optyczne o bardzo małej liczbie ciemności i źródła optyczne o małej masie na sondzie z bardzo wysokimi mocami szczytowymi, nie są obecnie dostępne, ale skorzystają na ogólnym postępie technologicznym, a także konkretnych pracach rozwojowych w tym projekcie. Gdy technologia będzie dostępna, faktyczna budowa infrastruktury związanej z Ziemią będzie bardzo kosztowna; jest to jednak prawdą również w przypadku istniejących programów rakiet chemicznych”.

I jak podkreślił Lubin, to studium i te, które nastąpiły wcześniej, mogą posłużyć jako „mapa drogowa” do dalszych badań. „Podobnie jak dotarcie na Księżyc z programem Apollo, przeszliśmy przez Merkurego, Bliźnięta, a następnie wczesne wysiłki Apollo przed naszym ostatecznym celem wylądowania na Księżycu” - powiedział. „Plan działania ma kluczowe znaczenie dla [budowania] zarówno zaufania, jak i wymaganej infrastruktury technicznej”.

Jak zawsze chodzi o małe kroki. W kosmos, na Księżyc, na Marsa i poza! Miejmy nadzieję, że w ciągu naszego życia po raz pierwszy będziemy mogli zobaczyć z bliska odległe planety i bezpośrednio zebrać na ich temat dane. W połączeniu z misjami, które dogłębnie badają Układ Słoneczny, możemy w końcu ustalić, czy poza Ziemią istnieje życie.