Belangrijkste punten

• Implementeer een satellietnetwerk voor het hele zonnestelsel en schakel over van radio- naar laserverbindingen om de datasnelheden te verhogen en de latentie te verminderen.
• Versterk signalen op afstand met de zwaartekracht van de zon en bouw ultragevoelige ontvangers die zelfs de hoeveelheid gegevens van één foton kunnen verzamelen.
• Ontdek speculatieve methoden die sneller dan het licht zijn. Hoewel ze nog steeds theoretisch zijn, verleggen ze de grenzen van wat ooit een directe interstellaire dialoog mogelijk zou kunnen maken.

Op aarde kunnen we met een smartphone binnen enkele seconden vanaf bijna elke locatie sms-berichten, foto's en video verzenden. Dat niveau van directe communicatie met hoge bandbreedte is een hoeksteen van het moderne leven en onderzoek. In de ruimte maken de enorme afstanden en de vijandige omgeving dergelijke connectiviteit echter tot een enorme uitdaging. Radiogolven reizen langzaam en worden over miljoenen kilometers afgebroken, en planetaire bewegingen kunnen zelfs signalen volledig blokkeren.

Voor een Mars-kolonist kunnen de communicatievertragingen oplopen van 3 tot 21 minuten, en de datasnelheid van de rover bedraagt ongeveer 256 kbps – vergelijkbaar met de inbelsnelheden halverwege de jaren negentig. Het streamen van live video of het uitvoeren van clouddiensten is eenvoudigweg niet haalbaar met de huidige technologie.

Deze obstakels hebben wetenschappers ertoe aangezet een reeks oplossingen te bedenken. Hieronder staan de tien meest veelbelovende concepten die de manier waarop we communiceren in het zonnestelsel en daarbuiten kunnen transformeren.

10. Een satellietnetwerk voor het gehele zonnestelsel

Stel je een constellatie van relaissatellieten voor die zich uitstrekken van Mercurius tot Pluto – een keten van 6 miljard kilometer die Arthur C. Clarke’s vroege visie op een mondiaal satellietnetwerk weerspiegelt. Sinds 1945 draaien satellieten nu rond bijna elk planetair lichaam, waardoor mondiale communicatie met de aarde mogelijk wordt. Door dit concept uit te breiden zou elk ruimtevaartuig of planetair oppervlak gegevens via een reeks sprongen naar een ander punt in het systeem kunnen verzenden.

George E. Mueller en John E. Taber stelden een dergelijk netwerk voor het eerst voor in 1959, en latere onderzoekers stelden zich een systeem voor met drie satellieten in een baan om de zon en extra geosynchrone of polaire banen rond elke planeet. Hoewel de bouwkosten hoog blijven, zou de infrastructuur de vertragingen dramatisch verminderen en de betrouwbaarheid vergroten.

9. Lasergebaseerde gegevenslinks

Radiofrequenties worden beperkt door bandbreedte en bundelspreiding, terwijl laserlicht – kortere golflengten en hogere energiedichtheid – ordes van grootte meer gegevens kan verzenden met minder vermogen. Het Deep Space Optical Communications (DSOC)-project van NASA laat tien tot honderdvoudige verbeteringen zien ten opzichte van de huidige radiosystemen, waardoor live HD-video van Mars mogelijk wordt gemaakt.

Hoewel lasercommunicatie nauwkeurig richten en atmosferische mitigatie vereist, bevestigen initiële demonstraties op lage snelheid en geplande tests in een baan om de maan de haalbaarheid ervan voor toekomstige missies.

8. Bestaande ruimtevaartuigen benutten als netwerkknooppunten

In plaats van speciale relais te lanceren, zouden toekomstige missies elke orbiter, lander en rover kunnen uitrusten met gestandaardiseerde intersatellietradio's. Hierdoor ontstaat een dynamisch, mesh-achtig netwerk dat een afspiegeling is van ons terrestrische internet, waardoor wetenschappers toegang hebben tot realtime gegevens vanaf elk platform via een uniforme interface.

IEEE Spectrum benadrukte dat een dergelijk netwerk onderzoekers in staat zou stellen de geologie van Mars, de ijsbedekking van Europa of de wolkenpatronen van Venus te onderzoeken alsof ze zich op een thuisbureaublad bevonden.

7. Een aan de ruimte aangepast internetprotocol

Standaard TCP/IP gaat uit van continue verbindingen met lage latentie, wat onrealistisch is over interplanetaire afstanden. Disruption-Tolerant Networking (DTN) bewaart datapakketten totdat er weer een verbinding tot stand is gebracht, waardoor verlies tijdens langdurige uitval wordt voorkomen. NASA's DTN-test uit 2008 heeft met succes beelden verzonden van een ruimtevaartuig op een afstand van 20 miljoen mijl (32 miljoen kilometer).

6. Planeetcentrische relaissatellieten in niet-Kepleriaanse banen

Conjuncties tussen de aarde en Mars – waarbij de zon directe radiopaden blokkeert – kunnen weken duren. Onderzoekers stellen voor om twee communicatiesatellieten in een niet-Kepleriaanse baan rond Mars te plaatsen, onderhouden door ionenaandrijving, om continue dekking te bieden, zelfs tijdens de uitlijning. Deze aanpak houdt de signaallatentie laag en verzacht de conjunctiecyclus van 780 dagen.

5. “Broodkruimel”-relaisketens voor interstellaire reizen

Project Icarus stelt zich een generatieschip voor dat periodiek lege brandstofflessen uitwerpt die zijn uitgerust met radiorelais. Deze ‘broodkruimel’-knooppunten vormen een hop-voor-hop-keten, waardoor de afstand van elke schakel en het benodigde vermogen voor transmissie drastisch worden verminderd. Het concept, voorgesteld door ingenieur Pat Galea, zou datasnelheden over lange afstanden haalbaar kunnen maken zonder enorme antenne-arrays op het schip.

4. Wereldwijde reeks gigantische antennes

Het detecteren van zwakke signalen van verre sondes vergt een enorm verzamelgebied. Project Icarus beveelt meerdere op de aarde gebaseerde arrays aan, elk met een bereik van kilometers, om zwakke transmissies op te vangen en atmosferische ruis weg te filteren. Verspreide locaties zorgen voor een continue dekking terwijl de aarde draait en de weersomstandigheden variëren.

3. Zwaartekrachtlens op zonne-energie

Zwaartekrachtlenzen zorgen ervoor dat massieve lichamen het licht kunnen buigen en focussen. Een relaisruimtevaartuig dat zich op ongeveer 82 miljard kilometer van de zon bevindt, tegenover het interstellaire schip, zou zijn signalen via de zwaartekracht van de zon kunnen vergroten en ze met behulp van laserverbindingen naar de aarde kunnen terugsturen, waardoor de behoefte aan zendvermogen dramatisch wordt verlaagd.

2. Ultragevoelige gestructureerde optische ontvangers

Door meerdere identieke kopieën van een signaal te verzenden en vervolgens de overgebleven fotonen opnieuw te combineren met een Guha-ontvanger, kan de missiecontrole berichten reconstrueren, zelfs als individuele fotonen verloren gaan. Deze techniek ‘vernietigt’ en verzamelt gegevens effectief, waardoor communicatie over interplanetaire afstanden mogelijk wordt gemaakt die signalen anders ondetecteerbaar zouden maken.

1. Neutrinofoon sneller dan licht (speculatief)

Zelfs met laserverbindingen zorgen lichtsnelheidslimieten voor vertragingen van meerdere minuten binnen het zonnestelsel en vertragingen van meerdere jaren voor Alpha Centauri. Hypothetische sneller-dan-licht (FTL)-communicatie met behulp van neutrino's of andere exotische deeltjes is onderzocht, maar vereist een doorbraak die de speciale relativiteitstheorie zou schenden. Hoewel de huidige experimenten (bijvoorbeeld de neutrino-anomalie van CERN uit 2011) zijn ontkracht, vormt het concept de drijvende kracht achter theoretisch onderzoek naar nieuwe natuurkunde.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de grootste uitdagingen in interplanetaire communicatie?

Afstand, planetaire beweging en ruimtestraling dragen allemaal bij aan hoge latentie en signaalverslechtering, waardoor betrouwbare tweerichtingscommunicatie moeilijk wordt.

Hoe zou interplanetaire communicatie zich in de toekomst kunnen ontwikkelen?

Toekomstige oplossingen zijn onder meer een satellietnetwerk voor zonne-energie, lasergebaseerde datalinks en verstoringstolerante netwerken om snellere, betrouwbaardere connectiviteit te leveren.

Meer informatie

Notitie van de auteur

Hoewel het streamen van live video vanaf Mars nog steeds een droom is, brengen de voortdurende ontwikkelingen op het gebied van lasercommunicatie en intersatellietnetwerken ons dichter bij die realiteit. De dag waarop astronauten met de aarde kunnen praten alsof ze op een salontafel zitten, komt dichterbij.

Bronnen

• Betts, Bruce. "Eerste planeet ontdekt in het Alpha Centauri-systeem." Planetary.org, 2012.
• Bruggen, Andrew. "Mars Rovers krijgen een bandbreedteboost." Associated Press, 2012.
• Boyle, Rebecca. "Jammer:sneller dan lichte neutrino's waren dat niet, en het was de schuld van de kabelman." Popsci.com, 2012.
• Departement Astronomie van Cornell University. "Wat is de grootte van het zonnestelsel?" 2002.
• Davidovich, Stevan M. &Whittington, Joel. "Concept voor continue interplanetaire communicatie." 1999.
• Departement Natuurkunde, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "Vragen en antwoorden:fotonen van mobiele telefoons." 2012.
• Galea, Pat. "Project Icarus:het interstellaire communicatieprobleem." Discovery Nieuws, 2012.
• Guha, Saikat. "Gestructureerde optische ontvangers om superadditieve capaciteit en de Holevo-limiet te bereiken." Fysieke beoordelingsbrieven, 2011.
• Jackson, Joab. "Het interplanetaire internet." IEEE Spectrum, 2005.
• Klotz, Irene. "NASA gaat Ultimate Space Wi-Fi testen." Discovery Nieuws, 2011.
• McClain, Joseph. "De neutrinofoon:het is niets voor jou. (Maar het is cool.)" 2012.
• Moskowitz, Clara. ‘Einsteins wiskunde suggereert dat reizen sneller dan licht is, zeggen wetenschappers.’ WordsSideKick.com, 2012.
• Mueller, George E. &Taber, John E. "Een interplanetair communicatiesysteem." 1959.
• NASA. "Deep Space Optische Communicatie (DSOC)." 2011.
• NASA. "Geschiedenis van exoplaneten – van intuïtie tot ontdekking."
• NASA. "Demonstratie lasercommunicatierelais."
• NASA. "Mars-programmaplanningsgroep." 2012.
• NASA. "NASA test met succes het eerste deep space-internet." 2008.
• Obousy, R.K. et al. "Project Icarus:voortgangsrapport over technische ontwikkelingen en ontwerpoverwegingen." 2012.
• Phys.org. "Nieuw concept kan de communicatie tussen aarde en Mars verbeteren." 2009.
• Rambo, Tim. "Het implementeren van een bijna optimale optische ontvanger voor interplanetaire communicatie." 2012.
• Ruag.com. "Optische communicatie."
• Spaceacademy.net.au. "Communicatievertraging."
• VS Luchtmacht Luchtuniversiteit. "Hoofdstuk 11 – Amerikaanse satellietcommunicatiesystemen."
• Space.com. "Wat is de afstand tussen de aarde en Mars?"