Halo, Ziemia! Tu Teleskop Webba i kosmiczna komunikacja

Od kiedy tylko Teleskop Webba został wystrzelony z sukcesem w Kosmos, oczy świata skierowane zostały właśnie na niego. Czy zastanawialiście się, jak przebiega komunikacja na linii Kosmos-Ziemia? Jak działa Teleskop Webba albo co w przypadku awarii? 

Kosmiczne systemy komunikacji

Czy pamiętacie E.T? Tak, właśnie tego, nieco dziwnego, choć bardzo sympatycznego kosmitę, który przez przypadek znalazł się na Ziemi, ale bardzo chciał wrócić do domu? Aby porozumieć się z swoim statkiem kosmicznym i wezwać pomoc, z parasola, walkie-talkie, puszki od kawy, widelca i gramofonu zbudował coś na kształt amatorskiego telefonu satelitarnego. Aparat, mimo nietypowego wyglądu, na szczęście zadziałał, dzięki czemu E.T. udało się po wielu perypetiach uratować. W rzeczywistości nie musiał się aż tak trudzić. NASA od ponad 50 lat dysponuje znacznie efektywniejszym i bardziej niezawodnym systemem komunikacji. Kiedyś pomógł on w zdobyciu Księżyca, a dzisiaj m.in. dostarcza na Ziemię dane z teleskopu Webba.

Jak komunikować się z „kosmosem”?

Do eksploracji Kosmosu, oprócz oczywiście m.in odpowiedniej rakiety nośnej, potrzebny jest również niezawodny i wydajny system telekomunikacyjny. To dzięki niemu będzie można sterować pojazdem czy przesyłać na Ziemię zebrane dane. Jednak w praktyce budowa takiego systemu nie jest taka prosta. 

Po pierwsze, transmisja na duże odległości wymaga sporej mocy nadajnika oraz takiego doboru częstotliwości, aby zminimalizować tłumienie sygnału w atmosferze. Nie bez znaczenia są także zakłócenia ze strony innych źródeł promieniowania. Co ważne, w tak silny nadajnik i potężną antenę muszą być wyposażone nie tylko stacje naziemne, ale także pojazdy, które przecież mają zwykle niewielkie rozmiary i nie dysponują nadmiarem energii. 

Po drugie, system taki musi być absolutnie niezawodny. Wysłanie ekipy fachowców, która np. wymieniłaby przepalony bezpiecznik, zwykle nie wchodzi w grę. 

Wreszcie system musi także uwzględnić ruch obrotowy Ziemi, który powoduje, że kosmiczny pojazd, który znajduje się na niebie co jakiś czas znika pod horyzontem i staje się niewidoczny dla pojedynczej anteny. Dlatego, aby ujednolicić komunikację z coraz większą flotą sond i instrumentów kosmicznych, powstał system, Deep Space Network (DSN), nazywany czasem kosmicznym Internetem. 

Deep Space Network (DSN) – z czym to się je?

Jego zasadniczy, naziemny komponent składa się z trzech naziemnych ośrodków, które znajdują się w odległości ok 120 stopni długości geograficznej od siebie. W Kalifornii, w Australii i w Hiszpanii. Dzięki takiemu ich rozmieszczeniu dowolny punkt na niebie jest zawsze widoczny dla przynajmniej jednego nadajnika. Ponadto wraz z rotacją Ziemi sygnał łatwo może być „przeniesiony” do kolejnej stacji.

Każda z nich posiada zestaw nadajników, w skład której wchodzi jedna główna antena radiowa o średnicy 70 m i jedna lub kilka mniejszych, 34-metrowych. A teraz porównanie. Największy polski (i jednocześnie największy w Europie Środkowej) radioteleskop RT-4 „Kopernik” znajdujący się w podtoruńskich Piwnicach, ma średnicę 32 m. Anteny DSN mogą nadawać z dużą mocą, nawet powyżej 20 kW. Dzięki temu mogą komunikować się nie tylko z obiektami, które znajdują się blisko Ziemi, ale także m.in. sondami Voyager czy New Horizons, które obecnie przebywają na rubieżach Układu Słonecznego.

Teleskop Jamesa Webba – możliwości

Na początku tego roku do grona użytkowników DSN dołączył kosmiczny teleskop Webba (JWST). Codziennie zbiera on olbrzymią ilość danych, ok 57 gigabajtów, która musi zostać w krótkim czasie przekazana na Ziemię: zwykle teleskop ma w tym celu do dyspozycji dwa czterogodzinne okna
transmisyjne dziennie. Dla porównania, teleskop Hubble’a każdego dnia przesyła jedynie 1-2 GB.

W tym celu Webb wykorzystuje najbardziej efektywne pasmo Ka, o częstotliwości ok 25.9 GHz. Zapewnia ono transmisję z prędkością do 28 Mbps. To naprawdę sporo, szczególnie biorąc pod uwagę, że używany do przesyłania telemetrii kanał S przy częstotliwości 2.27 GHz ma przepustowość „w kierunku Ziemi” sięgającą zaledwie 40 kbps, a w „kierunku” teleskopu – 16 kbps.

Teleskop Webba – a co, jeśli awaria?

Jednak Teleskop Jamesa Webba nie utrzymuje stałej łączności z Ziemią. Część czasu pracy DSN jest przeznaczona do komunikacji z innymi sondami. Dlatego zebrane informacje teleskop najpierw buforuje w pamięci wewnętrznej. Ta pamięć to dysk SSD o pojemności 68 GB, z których 3% jest przeznaczone na telemetrię i dane sterujące. 

Choć z czasem spodziewany jest spadek dostępnej przestrzeni dyskowej (m.in. w wyniku promieniowania i zwyczajnego zużycia) do 60 GB, nadal wystarczy to do zapamiętania danych z całego dnia pracy. Właśnie tyle czasu mają inżynierowie na rozwiązanie ewentualnych problemów komunikacyjnych. Awarie pojedynczych anten naziemnych zdarzają się, jednak na tyle rzadko, że nie zagraża to stabilności misji. Ponadto, każdy ośrodek DSN posiada również mniejsze anteny, które mogą przynajmniej częściowo i z ograniczeniami przejąć zadania czasz 70-metrowych.

Sieć Deep Space Network – namiastka możliwości

Przez lata sieć Deep Space Network stała się systemem na tyle dojrzałym, że stanowi obecnie stabilną podstawę dla wszystkich amerykańskich misji kosmicznych. Obsługuje on m.in. łaziki marsjańskie, dla których komunikacja z Ziemią jest dodatkowo utrudniona przez fakt rotacji samej planety. Dlatego w tym przypadku łączą się one najpierw z orbiterami wokółmarsjańskimi, które pełnią role kosmicznych routerów, a dopiero one, za pomocą większych anten, przesyłają sygnał w kierunku Ziemi. 

Kilkanaście lat temu rozważano także użycie w tym celu promieni lasera. Jednak misja Mars Telecommunication Orbiter, która miała być prototypem tej technologii, została ostatecznie anulowana. System nadal jednak polega na sprawdzonych już rozwiązaniach wykorzystujących fale radiowe. Podobne systemy mają też inne agencje kosmiczne. ESA, której członkiem jest także Polska, a Tomasz Rożek został jej doradcą (przeczytasz o tym TUTAJ) posiada system o nazwie ESTRACK, która aktualnie posiada siedem stacji, położonych w Europie (4), Ameryce Południowej (2) i Australii (1). Wszystkie systemy współpracują ze sobą, zapewniając usługi łączności ze zdalnymi pojazdami.

DSN jako system łączności na razie oferuję namiastkę możliwości, którymi dysponujemy na Ziemi. Ale przecież historia Internetu też rozpoczęła się od zaledwie kilku ośrodków połączonych bardzo powolnymi łączami. Choć zatem określenie „internet międzyplanetarny” może wydawać się przesadzone, niewątpliwie warto przyglądać się jego dalszemu rozwojowi.

Autor

Bartosz Walter

Jestem informatykiem specjalizującym się w procesach ewolucji i starzenia się programów komputerowych, ale interesuje mnie również szeroko rozumiana technologia, inżynieria i astronomia. Słowem - pasjonuje mnie cały świat i jego tajemnice. Uwielbiam też opowiadać o moich pasjach.

Więcej od tego autora