Här på jorden, vi har vant oss vid att ta fram en smartphone och kunna prata, text eller skicka och ta emot fotografier och video från nästan var som helst på planetens yta. Dessutom, vi blir alltmer beroende av att ta till oss det stora, växande mängd information på Internet för att vägleda oss, oavsett om vi försöker göra vetenskaplig forskning eller hitta den snabbaste vägen till ett möte.
Men den typ av omedelbar åtkomst och bandbredd som vi är vana vid finns ännu inte i rymden. De enorma avstånden mellan rymden, för en, skapa enorma fördröjningstider för elektronisk kommunikation, och signalerna måste ta sig från en annan planets yta tillbaka till jorden genom en stråle av rymdstrålning som försämrar deras klarhet. För att göra det ännu svårare, planeterna själva rör sig kontinuerligt, och de kan komma in i positioner där deras massa - eller solens - kan blockera en signal.
Om du föreställer dig att du är en astronaut som har skickats för att etablera en koloni på Mars, vars avstånd från jorden varierar mellan 35 och 140 miljoner mil (56 och 226 miljoner kilometer), dessa hinder för kommunikation kan vara ett skrämmande problem [källa:Space.com]. Om du försöker prata eller skicka en text till uppdragskontroll tillbaka på jorden med nuvarande teknik, det finns en fördröjningstid mellan tre och 21 minuter. Det kan göra konversationen ganska svår. Och tänk dig att du upptäcker något riktigt otroligt, och vill visa det för dem. Du kanske kan mödosamt överföra ett stillbild, men glöm inte att strömma en levande videobild från Mars -ytan; NASA medger att det inte är möjligt med den nivå av gadgetry som vi nu har [källa:NASA]. Och även med en ny uppgradering, robotrovers på Mars har bara kunnat uppnå en dataöverföringshastighet på endast cirka 256 kilobit per sekund [källa:Bridges]. Det skulle vara snabbt på jorden-det vill säga mitten av 1990-talet, när människor fortfarande använde uppringningsanslutningar. Att köra molnappar eller läsa Googles högupplösta kartor över Mars för vägbeskrivningar skulle vara ganska uteslutet.
Svårigheterna skulle bli häpnadsväckande förstorade om du vågade förbi Pluto, och vågade försöka nå en jordliknande planet i ett närliggande solsystem. Det är därför forskare har krossat sina hjärnor i årtionden, försöker hitta på sätt att nå ut och röra någon, som de gamla telefonbolagsannonserna brukade uttrycka det, över kosmos stora fasa. Här är 10 av de idéer som de har kommit med under åren.
InnehållTanken på att bygga ett satellitnät som sträcker sig nästan hela 3,7 miljarder mil (6 miljarder kilometer) längd av solsystemet från Merkurius till Pluto låter lite förvirrande. Men, 1945, när den brittiske forskaren och science fiction -författaren Arthur C. Clarke skrev en tidningsartikel som föreställde sig ett globalt kommunikationsnätverk av orbitalsatelliter, det verkade nog ganska besynnerligt, för. Ändå, i dag, vi har satelliter överallt, som gör det möjligt att ringa eller skicka ett sms eller e-post praktiskt taget var som helst på planeten [källa:USAF Air University]. Och faktiskt, visionärer drömde om en interplanetär version av Clarkes globala kommunikationsnät redan innan de första jordtelekomsatelliterna sköts i omloppsbana.
1959, rymdforskare George E. Mueller och John E. Taber höll en presentation på en elektronikkonvent i San Francisco, med titeln "Ett interplanetärt kommunikationssystem, "som beskrev hur man ställer in långdistanssändningar i rymden, via radiovågor [källa:Mueller och Taber]. Fyrtio år senare, två forskare, Stevan Davidovich och Joel Whittington, ritade upp ett genomarbetat system, där tre satelliter skulle placeras i en polar bana runt solen, och andra i antingen geosynkrona eller polära banor runt de olika planeterna.
Satelliterna skulle sedan länkas till ett nätverk som kunde hämta radiomeddelanden från bemannade rymdskepp eller robotprober, och sedan vidarebefordra dem upp eller ner på linjen från en eller annan planet tills de nådde jorden [källa:Davidovich och Whittington]. Än så länge, fastän, det har inte skett några åtgärder för att bygga ett sådant system, kanske på grund av kostnaden för att sätta flera satelliter i omloppsbana runt avlägsna himmelkroppar kommer sannolikt att vara enorm.
Som vi nämnde i inledningen, dataöverföringar i rymden har för närvarande fastnat i hastigheter som är mycket långsammare än det bredband som vi är vana vid att ha på jorden. Anledningen - utan att komma in i den fina matematiken - är att på grund av de relativa frekvenser där radiovågor fungerar, de är begränsade i hur mycket data de kan hantera. (Du kanske har märkt denna effekt om du har en trådlös internetrouter hemma eller på kontoret - det är bara inte lika snabbt eller pålitligt som en trådbunden anslutning.)
I kontrast, koncentrerad energi från ett laserljus, som har en kortare frekvens, kan hantera mycket mer data. Dessutom, eftersom lasrar inte sprider sig så mycket som radiosändningar, de kräver mindre ström för att överföra data [källa:Ruag.com]. Det är därför NASA arbetar med Deep Space Optical Communications Project, som skulle byta till att använda lasrar istället för radiosändare och mottagare. Det skulle öka mängden data som överförs med 10 till 100 gånger vad toppmoderna radioriggar kan göra, vilket skulle göra interplanetärt internet ungefär lika snabbt som en typisk bredbandsanslutning på jorden [källa:NASA]. Men att få laserkommunikation att fungera i rymden är ingen cakewalk. NASA har utfört småskaliga, demonstrationer med låg datahastighet av laserdataöverföring i rymden, och det arbetar med att utveckla ett system för laserkommunikation som så småningom kommer att testas på en satellit i månbana [källa:NASA]. Så småningom, laserdataöverföring kan göra det möjligt att skicka högupplöst, livevideo från Mars [källa:Klotz].
Tidigare, vi nämnde tanken på att bygga ett stort nätverk av dedikerade kommunikationssatelliter som sträckte sig över solsystemet, vilket skulle vara ett stort företag. Men det kan finnas en mindre billigare och mer inkrementellt sätt att sätta ihop ett sådant nätverk. Fram till denna tid, när vi har skickat rymdfarkoster och satelliter ut i rymden, de har vanligtvis kommunicerat direkt med jordbaserade stationer och använt programvara och utrustning som har utformats speciellt för just det uppdraget (och ofta kasseras efteråt).
Men tänk om forskare och ingenjörer utrustade varje fartyg eller föremål som skjuts ut i rymden - från rymdstationer, orbital teleskop, sonder i omloppsbana runt Mars eller andra planeter, och till och med robotrovers som utforskade främmande landskap - så att de alla kunde kommunicera med varandra och fungera som noder i ett spretigt interplanetärt nätverk? Om du letar efter en metafor på jorden, tänk dig hur din bärbara dator, läsplatta, smartphone, spelkonsol, webbkamera och hemunderhållningscenter kan alla länka till din trådlösa internetrouter och dela innehåll med varandra.
Förutom att vidarebefordra information, helst, ett sådant interplanetärt nätverk kan knytas till Internet på jorden, så att forskare kunde ansluta till orbital satelliter eller rovers och kolla vad de ser, på samma sätt som kan gå till NASA:s webbplats nu.
"Nätverket som NASA snart kommer att bygga kan mycket väl vara det över vilket forskare räknar ut häpnadsväckande detaljer om Mars -geologi, oceaniska förhållanden under isen på Jupiters frigidmåne Europa, eller det turbulenta molntäcket på Venus, "förklarade en artikel från 2005 i ingenjörspublikationen IEEE Spectrum." Det kan mycket väl vara så som en hemlängtande rymdutforskare skickar hem e-post "[källa:Jackson].
Vi nämnde redan tanken på att ansluta rymdfarkoster och sonder i ett stort nätverk över rymden, så att forskare kunde ansluta till dem på samma sätt som de gör med en webbplats på Internet. Men som vissa kritiker påpekar, detta tillvägagångssätt kanske inte är det bästa eftersom internetets grundläggande design inte skulle fungera särskilt bra i rymden. Internetprotokollet som vi använder på jorden bygger på att vi bryter upp allt vi överför - oavsett om vi pratar om text, röst eller strömmande video - till små bitar av data, som sedan sätts ihop igen i andra änden så att någon annan kan titta på eller lyssna på den. Det är ett ganska bra sätt att göra saker, så länge all information flyttas i hög hastighet med få förseningar eller förlorade datapaket, vilket inte är så svårt att göra på jorden.
När du väl kommer ut i rymden - där avstånden är enorma, himmelska föremål kommer ibland i vägen, och det finns mycket elektromagnetisk strålning överallt för att bråka med signalen - förseningar och avbrott i dataflödet är oundvikliga. Det är därför som vissa forskare arbetar med att utveckla en modifierad version av Internet, som använder en ny typ av protokoll som kallas disruption-tolerant networking (DTN). Till skillnad från protokollet som används på jorden, DTN antar inte att det kommer att finnas en kontinuerlig änd-till-slut-anslutning, och det hänger på datapaket som det inte kan skicka omedelbart, tills anslutningen återupprättas. För att förklara hur det fungerar, NASA använder en basketanalogi, där en spelare bara håller bollen tålmodigt tills en annan spelare är öppen under korgen, snarare än att få panik och slänga ett vilt skott eller kasta bort bollen. 2008, NASA körde sitt första test av DTN, använda den för att överföra dussintals bilder från en rymdfarkost som ligger cirka 32 miljoner mil från Jorden [källa:NASA].
En av de stora utmaningarna i att kommunicera med en Mars -bas är att Mars är i rörelse. Ibland, en bas kan vändas bort från jorden, och så ofta - ungefär var 780 jorddagar - har Mars och jorden solen direkt mellan dem. Den inriktningen, kallad samband , potentiellt kan försämra och till och med blockera kommunikation i veckor i taget, vilket skulle vara ganska ensamt, skrämmande utsikter om du var en astronaut eller en mars kolonist. Lyckligtvis, Europeiska och brittiska forskare kan ha hittat en lösning på detta skrämmande dilemma.
Satelliter kretsar normalt runt planeter i Keplerian -banor, uppkallad efter 1600 -talets astronom Johannes Kepler, som skrev de matematiskt ekvationer som beskriver hur satelliter rör sig. Men de europeiska och brittiska forskarna har föreslagit att sätta ett par kommunikationssatelliter runt Mars i något som kallas en icke-Keplerian bana, vilket i princip betyder att istället för att röra sig i en cirkulär eller elliptisk väg runt Mars, de skulle gå lite åt sidan, så att planeten inte skulle stå i centrum. För att stanna kvar i den positionen, dock, satelliterna skulle behöva motverka effekterna av gravitationen, som skulle dra dem mot Mars. För att hålla dem på plats, forskarna har föreslagit att utrusta dem med elektriska jondrivningsmotorer, drivs av solgenererad elektricitet och använder små mängder xenongas som drivmedel. Det skulle göra det möjligt för satelliterna att vidarebefordra radiosignaler kontinuerligt, även under perioder då Mars och jorden är i förbindelse [källa:Phys.org].
Interplanetär kommunikation, självklart, handlar inte nödvändigtvis bara om vårt eget solsystem. Eftersom astronomer upptäckte den första planeten som kretsade kring en stjärna som liknade solen 1995, forskare har upptäckt mängder av andra exoplaneter, som världar utanför vårt solsystem kallas [källa:NASA]. I oktober 2012, de upptäckte till och med en planet ungefär lika stor som jorden som kretsar kring stjärnan Alpha Centrauri B, som är i det närmaste grannsystemet av stjärnor, cirka 2,78 biljoner miles (3,78 biljoner kilometer) bort [källa:Betts].
Det är ett otroligt stort avstånd, För att vara säker. Men även så, vissa rymdforskare tänker sig att de en dag kommer att lansera ett gigantiskt rymdskepp som i huvudsak skulle vara en rörlig, fristående miniatyrversion av jorden, kapabel att upprätthålla successiva generationer av astronauter som skulle våga sig över interstellära rymden i ett försök att nå andra beboeliga planeter och möjligen till och med komma i kontakt med utomjordiska civilisationer.
Projekt Icarus, en ny ansträngning från rymdforskare och framtidsforskare att komma med en plan för ett sådant uppdrag, funderade över problemet med hur ett sådant fartyg skulle fortsätta att kommunicera med jorden när det kom längre och längre in i det okända. De kom på en spännande lösning:Längs vägen, det massiva fartyget skulle med jämna mellanrum bryta ut tomma bränslekapslar utrustade med signalreläutrustning, bilda en kedja som skulle överföra meddelanden från rymdfarkosten till jorden. "Tanken är att med en kedja av reläer mellan Ikaros och jorden, varje "hopp" på signalen är ett mycket kortare avstånd än hela avståndet på flera ljusår, "Pat Galea, en brittisk ingenjör som deltog i designprojektet, skrev 2012. "Så vi kunde, potentiellt, minska sändarens effektbehov, eller antennstorleken på Icarus, eller alternativt, öka datahastigheten som kan skickas via länken "[källa:Galea].
Forskarna och futuristerna som arbetar med Project Icarus - ett spekulativt försök att designa ett rymdskepp som kan nå det närmaste angränsande stjärnsystemet, cirka 3,78 biljoner kilometer bort - ägnade mycket tid åt att tänka på hur ett sådant fartyg kan hålla kontakten med jorden när det färdades över det enorma interstellära rymden. I föregående objekt på den här listan, vi nämnde begreppet ett brödsmulliknande spår av kommunikationslänkar som rymdskeppet skulle lämna i dess spår. Men tillbaka på jorden, de som övervakar uppdraget skulle fortfarande möta utmaningen att försöka ta upp signaler från rymdskeppet och filtrera bort det omgivande elektromagnetiska bruset i rymden - en uppgift som ännu svårare är av jordens atmosfär, vilket skulle försvaga signalerna.
För att maximera möjligheten att göra det, Projekt Icarus planerare har föreslagit att bygga flera mottagningsstationer för solsystemet, vilket skulle vara enorma matriser med antenner som sträcker sig många mil på olika platser på jorden. Antennerna i en sådan matris skulle fungera i synergi för att upptäcka och fånga de svaga signalerna som innehåller rymdskeppsmeddelanden. (Tänk på denna analogi:Om en basebollspelare träffar en hemmakörning på läktaren på en basebollstadion, det är mer troligt att bollen kommer att fångas av en fläkt om läktarna är fulla av människor.) Eftersom jorden roterar, antennerna i en viss SSRS skulle bara peka på det avlägsna rymdskeppet för en liten bråkdel av varje dag, och vädret på den platsen på jorden kan hindra mottagandet. Av den anledningen, det kan vara klokt att bygga flera antenner på olika platser på jorden, för att säkerställa att vi kan stanna kvar i nästan kontinuerlig kommunikation [källa:Galea].
Här är ännu en idé som kläckts av Project Icarus -forskarna. Enligt Einsteins relativitetsteorier, extremt massiva föremåls gravitationskrafter kan faktiskt avleda ljus som passerar nära dem och koncentrera det, som ett handhållet förstoringsglas gör. Det gav tankesmedjan Project Icarus tanken på att använda den effekten för att fokusera och öka sändningar från ett avlägset rymdfarkoster. Hur de skulle göra det, visserligen, är lite svårt för en icke-fysiker att förstå:En rymdfarkost som kan ta emot kommunikationsöverföringar skulle placeras i interstellärt utrymme mitt emot den riktning som rymdskeppet går, cirka 82 miljarder kilometer från solen. Det är verkligen, riktigt långt - ungefär 18 gånger avståndet mellan Pluto och solen, i själva verket - men låt oss anta att en jordcivilisation som kan skicka ett rymdskepp biljoner miles från jorden kan göra det. Kommunikationsbåten skulle sedan använda solen som en lins för att förstora signalerna som den får från det avlägsna rymdskeppet, och sedan skulle överföra dem tillbaka till jorden genom ett annat system, såsom ett nätverk av satelliter med laserlänkar.
"Den potentiella vinsten av att göra detta är enorm, "ingenjör Pat Galea förklarade för Discovery News 2012." Sändarens effekt på Icarus kan sänkas till mycket lägre nivåer utan att påverka den tillgängliga datahastigheten, eller om strömmen hålls densamma, vi kan få mycket mer data än en direktlänk skulle ge. "Genialt som det kan tyckas, dock, systemet har också några komplikationer i Jupiter-storlek. Det skulle vara nödvändigt, till exempel, att behålla mottagarens rymdfarkoster, den som får signalerna från rymdskeppet, ganska nära perfekt anpassad hela tiden, och att hålla det så kan visa sig mycket, mycket svårt [källa:Galea, Obousy et al].
När sändningar från ett avlägset rymdfarkoster når jorden, de har blivit försämrade, till den punkt där en signal faktiskt kan innehålla mindre än ett foton värt energi [källa:Rambo]. Och det är verkligen, riktigt svag. Kom ihåg att fotoner, de små masslösa partiklarna som är den minsta energienheten, är otroligt små; en typisk mobiltelefon avger 10 till 24:e maktvärdet för fotoner varannan [källa:University of Illinois]. Att plocka fram den där förvirrande svaga signalen från rymdens oåterkalleliga kakofoni och förstå det kan vara lika svårt som, säga, hitta ett meddelande som flyter i en flaska någonstans i jordens hav. Men forskare har kommit på en spännande lösning, enligt NASA:s webbplats för rymdteknologi, som garanterar den typen av problemlösning.
Istället för att skicka ut en enda signal eller energipuls, ett rymdskepp som försöker kommunicera med jorden skulle skicka ut många kopior av den signalen, allt på en gång. När de försvagade signalerna kom till jorden, uppdragskontroll skulle använda en enhet som kallas en strukturerad optisk mottagare, eller Guha -mottagare (efter forskaren, Saikat Guha, som uppfann konceptet), att väsentligen sätta ihop den överlevande lilla, svaga bitar av alla dessa dubbletter, och sätt ihop dem för att rekonstruera budskapet [källor:Rambo, Guha]. Föreställ dig det så här:Ta ett meddelande som skrivs på ett papper, och sedan skriva ut tusen exemplar av det, och kör dem alla genom en strimlare och blanda sedan ihop de små bitarna som blir resultatet. Även om du kastar de flesta av de små bitarna i papperskorgen de som finns kvar kan mycket väl ge dig tillräckligt med information för att rekonstruera meddelandet på papperet.
Oavsett hur många otroligt komplicerade prylar vi utvecklar för att sammanfoga svaga kommunikationssignaler som kämpar för att nå oss från rymden, vi står fortfarande inför en annan, ännu mer utmanande problem. Inuti vårt solsystem, avstånden är så stora så lätt, omedelbar fram och tillbaka-kommunikation av det slag som vi är vana vid på jorden-en videosamtal i Skype-stil, till exempel - är inte riktigt genomförbart, åtminstone med nuvarande teknik. Och om vi ska resa till planeter utanför vårt solsystem, det skulle bli ganska omöjligt. Om ett rymdskepp nådde vår närmaste interstellära granne, Alpha Centauri -stjärnsystemet biljoner mil bort, det skulle ta 4,2 år för varje sida av en röst, video- eller textöverföring för att korsa det där fantastiskt stora avståndet. Därför har visionärer länge varit intresserade av tanken på att överföra meddelanden via strålar av subatomära partiklar som skulle färdas snabbare än ljus.
Wow - det låter som en enkel fix, inte sant? Men gissa igen. För att systemet ska fungera, vi skulle tydligen behöva blåsa ett stort hål i Einsteins teori om särskild relativitet, som hindrar allt från att röra sig snabbare än ljushastighet. Å andra sidan, det kanske inte gör det. Under 2012, två matematiker publicerade en uppsats i en brittisk vetenskaplig tidskrift, hävdar att det finns ett sätt att krossa Einsteins beräkningar och visa att snabbare hastigheter än ljus verkligen är möjliga [källa:Moskowitz]. Men om dessa meningsägare visar sig ha rätt, vi måste fortfarande hitta ett bevis på att partiklar kan röra sig snabbare än ljushastigheten, och än så länge har vi inte gjort det.
Det fanns ett mycket publicerat experiment från 2011, där forskare vid CERN -partikelacceleratorn i Europa förmodligen klockade partiklar som kallades neutrinoer som rör sig en extremt liten bit snabbare än Einsteins hastighetsbegränsning. Men som det visade sig, ett fel i den fiberoptiska kabeln i forskarnas utrustning orsakade tydligen en falsk avläsning (den var inte helt inkopplad) [källa:Boyle]. Det gav kibosh utsikterna till en kosmisk neutrinofon, åtminstone tills vidare.
VetenskapAstronomibegreppFloating PlanetScienceAstronomyHow Nomad Planets WorkScienceRumutforskningHur Planet Hunting fungerarScienceSolsystemet Varför anses Pluto inte längre vara en planet? ScienceFuture SpaceHur kommer vi att kolonisera andra planeter? ScienceGeophysicsHur mycket väger planet Earth? ScienceSolsystemet Varför tog det så lång tid att "upptäcka"? Vetenskap Solsystemet Vad är planeterna i solsystemet? Vetenskap Solsystemet Regnar det på andra planeter? Vetenskap Solsystemet Jupiter:Yokozuna av gasjättar, Banisher of PlanetsScienceThe Solar SystemHur kan planeter bildas? ScienceStarsWhite Dwarfs Can Shred Planets to PiecesScienceThe Solar SystemVem namngav Planet Earth? ScienceSpace Exploration Behöver en planet kontinenter för att stödja livet? ScienceSolsystemets planet nio egentligen ett ursprungligt svart hål? ScienceSpace ExplorationHow många planeter i universum kan stödja livet? ScienceStars Kan en planet existera utan en värdstjärna? Vetenskap Solsystemet Varför är planeter nästan sfäriska? Vetenskap Solsystemet NASA tillkännager nytt solsystem packat med sju planeterScienceSolsystemetPluto:Är det trots allt en planet? ScienceSolsystemet Haumea, en dvärgplanet i Kuiperbältet, Har sin egen RingScienceSpace ExplorationNy NASA -satellit jagar efter avlägsna planeterScienceSolsystemetAntik utplånning av dvärgplaneter kan ha skapat Saturnus ringarScienceSolsystemet är jorden den enda planeten med tektoniska plattor? ScienceStars Hur upptäcker astronomer att en stjärna har en planet som kretsar det? ScienceSpace Exploration vatten på exoplaneter? Vetenskap Solsystemet Sanningen bakom Rogue Planet NibiruScienceSolsystemetUranus:Planeten på en mycket lutad axelScienceSolsystemetPlaneter:När månarna blir planeterScienceAstronomi VillkorPlanetariumScienceRymdutforskning10 Anmärkningsvärda planetar SystemScienceStars Så här kommer vi att upptäcka liv på avlägsna exoplaneterScienceSpace ExplorationNASAs Kepler Mission lägger till 100 främmande världar till Exoplanet TallyScienceSpace ExplorationKan amatörastro nomers upptäcker exoplaneter? Vetenskap Framtidsutrymme10 Bästa idéer för interplanetär kommunikationVetenskap Utforskning av rymden LISA:Upptäcka exoplaneter med gravitationsvågorScienceSolsystemetHur NASA planetskydd fungerarVetenskapAstronomivillkorPlanetesimal hypotes Underhållning Minnesvärda filmer I "Star Wars" blir hela stjärnorna och planeterna förstörda - är det möjligt?Föreställningen om, säga, skickar live, strömmande video från Mars till jorden kan inte tyckas så långt bort för en medlem av millennialgenerationen, som växte upp i en ålder när det är en stor sak att ha ett telefonsamtal med någon på andra sidan planeten. Men det förblir ganska förvirrande för mig, kanske för att jag är tillräckligt gammal för att komma ihåg hur svårt och dyrt det en gång var bara att ringa ett gammaldags analogt fjärrsamtal från östkusten till Kalifornien. Jag fick en liten chock för några år sedan, när jag kontaktade en källa för en artikel via e-post, och fick ett samtal tillbaka från honom - via Skype - från Afghanistan, dit han hade rest för ett affärsprojekt. Sedan dess, Jag har blivit lite mer van vid vår ständigt ökande anslutning; häromdagen, Jag tillbringade faktiskt en halvtimme med att utbyta en ström av fram och tillbaka e-post med en gammal kollega som nu bor i Frankrike, bara för att avbrytas av ett omedelbart meddelande från en annan vän i norra England. Så jag ser fram emot den oundvikliga dagen då jag ska utbyta kvickheter och klaga på vädret med någon som är i en bana ovanför mig.