På jorden låter en smartphone oss skicka texter, foton och video från nästan var som helst på några sekunder. Den nivån av omedelbar kommunikation med hög bandbredd är en hörnsten i modernt liv och forskning. I rymden gör emellertid de stora avstånden och den fientliga miljön sådan anslutning till en formidabel utmaning. Radiovågor färdas långsamt och försämras över miljontals kilometer, och planetrörelser kan till och med blockera signaler helt.
För en Mars-kolonist kan kommunikationsförseningar sträcka sig från 3 till 21 minuter, och roverns datahastighet toppar på ungefär 256 kbps – jämförbart med uppringningshastigheter i mitten av 1990-talet. Att streama livevideo eller köra molntjänster är helt enkelt inte möjligt med nuvarande teknik.
Dessa hinder har drivit forskare att ta fram en rad lösningar. Nedan är de tio mest lovande koncepten som kan förändra hur vi kommunicerar över solsystemet och utanför.
Föreställ dig en konstellation av reläsatelliter som sträcker sig från Merkurius till Pluto – en kedja på 3,7 miljarder mil (6 miljarder km) som speglar Arthur C. Clarkes tidiga vision om ett globalt satellitnätverk. Sedan 1945 kretsar nu satelliter nästan varje planetkropp, vilket möjliggör global jordkommunikation. En utvidgning av detta koncept skulle göra det möjligt för alla rymdskepp eller planetariska ytor att överföra data till någon annan punkt i systemet via en serie hopp.
GeorgeE.Mueller och JohnE.Taber föreslog först ett sådant nätverk 1959, och senare forskare föreställde sig ett system med tre satelliter som kretsar runt solen och ytterligare geosynkrona eller polära banor runt varje planet. Medan byggkostnaderna förblir höga, skulle infrastrukturen dramatiskt minska förseningar och öka tillförlitligheten.
Radiofrekvenser begränsas av bandbredd och strålspridning, medan laserljus – kortare våglängder och högre energitäthet – kan sända mer data i storleksordningar med mindre effekt. NASA:s Deep Space Optical Communications-projekt (DSOC) demonstrerar 10-till-100-faldiga förbättringar jämfört med nuvarande radiosystem, vilket potentiellt möjliggör live HD-video från Mars.
Även om laserkommunikation kräver exakt pekning och atmosfärisk dämpning, bekräftar initiala demonstrationer med låg hastighet och planerade tester i månbanan dess livskraft för framtida uppdrag.
Istället för att starta dedikerade reläer kan framtida uppdrag utrusta varje orbiter, lander och rover med standardiserade intersatellitradioapparater. Detta skapar ett dynamiskt, meshliknande nätverk som speglar vårt markbundna internet – vilket ger forskare tillgång till realtidsdata från vilken plattform som helst via ett enhetligt gränssnitt.
IEEE Spectrum betonade att ett sådant nätverk skulle låta forskare undersöka Mars geologi, Europas istäcke eller Venus molnmönster som om de var på ett skrivbord i hemmet.
Standard TCP/IP förutsätter kontinuerliga anslutningar med låg latens, vilket är orealistiskt över interplanetära avstånd. Disruption-Tolerant Networking (DTN) behåller datapaket tills en länk återupprättas, vilket förhindrar förlust under långa avbrott. NASA:s DTN-test 2008 överförde framgångsrikt bilder från en rymdfarkost 20 miljoner mi (32 Mkm) bort.
Konjunktioner mellan Jorden och Mars – när solen blockerar direkta radiovägar – kan pågå i veckor. Forskare föreslår att två kommunikationssatelliter ska placeras i en icke-Keplerisk omloppsbana runt Mars, upprätthållen av jonframdrivning, för att ge kontinuerlig täckning även under inriktning. Detta tillvägagångssätt håller signallatensen låg och mildrar den 780-dagars konjunktionscykeln.
Project Icarus föreställer sig ett generationsfartyg som regelbundet skjuter ut tomma bränslebehållare utrustade med radioreläer. Dessa "brödsmula"-noder bildar en hop-by-hop-kedja, vilket drastiskt minskar varje länks avstånd och den kraft som krävs för överföring. Konceptet, som föreslagits av ingenjören Pat Galea, skulle kunna göra datahastigheter på långa avstånd möjliga utan massiva antennuppsättningar på fartyget.
Att upptäcka svaga signaler från avlägsna sonder kräver en enorm uppsamlingsyta. Project Icarus rekommenderar flera jordbaserade arrayer – var och en sträcker sig över miles – för att fånga svaga sändningar och filtrera bort atmosfäriskt brus. Distribuerade platser säkerställer kontinuerlig täckning när jorden roterar och väderförhållandena varierar.
Gravitationslinser låter massiva kroppar böjas och fokusera ljus. En reläfarkost placerad cirka 51 miljarder mi (82 miljarder km) från solen, mitt emot det interstellära skeppet, skulle kunna förstora sina signaler via solens gravitation och återföra dem till jorden med hjälp av laserlänkar, vilket dramatiskt sänker sändareffektbehovet.
Genom att sända flera identiska kopior av en signal och sedan kombinera de överlevande fotonerna med en Guha-mottagare, kan uppdragskontroll rekonstruera meddelanden även när enskilda fotoner går förlorade. Denna teknik "söndrar" och sammanställer effektivt data, vilket möjliggör kommunikation över interplanetära avstånd som annars skulle göra signaler omöjliga att upptäcka.
Även med laserlänkar skapar ljushastighetsbegränsningar flera minuter långa förseningar inom solsystemet och fleråriga förseningar till Alpha Centauri. Hypotetisk snabbare-än-ljus (FTL) kommunikation med neutrinos eller andra exotiska partiklar har utforskats, men kräver ett genombrott som skulle bryta mot speciell relativitet. Medan nuvarande experiment (t.ex. 2011 års CERN-neutrinoanomali) har avslöjats, driver konceptet teoretisk forskning om ny fysik.
Avstånd, planetrörelser och rymdstrålning bidrar alla till hög latens och signalförsämring, vilket gör tillförlitlig tvåvägskommunikation svår.
Framtida lösningar inkluderar ett solsystemsatellitnät, laserbaserade datalänkar och störningstoleranta nätverk för att leverera snabbare och mer pålitlig anslutning.
Även om strömning av livevideo från Mars fortfarande är en dröm, för pågående framsteg inom laserkommunikation och inter-satellitnätverk oss närmare den verkligheten. Dagen när astronauter kan chatta med jorden som på ett soffbord närmar sig.
