10 melhores ideias para comunicação interplanetária

Aqui na Terra, nos acostumamos a pegar um smartphone e poder falar, enviar mensagens de texto ou enviar e receber fotos e vídeos de praticamente qualquer lugar da superfície do planeta. Além disso, estamos cada vez mais dependentes de acessar a vasta e crescente quantidade de informações na Internet para nos guiar, seja tentando fazer pesquisas científicas ou encontrar o caminho mais rápido para um compromisso.

Mas o tipo de acesso instantâneo e largura de banda a que estamos acostumados ainda não existe no espaço. As enormes distâncias do espaço, por exemplo, criam enormes atrasos para as comunicações eletrônicas, e os sinais precisam chegar da superfície de outro planeta de volta à Terra através de uma luva de radiação espacial que degrada sua clareza. Para tornar ainda mais difícil, os próprios planetas estão em movimento contínuo e podem chegar a posições em que sua massa – ou a do sol – pode bloquear um sinal .

Se você imaginar que é um astronauta que foi enviado para estabelecer uma colônia em Marte, cuja distância da Terra varia entre 56 e 226 milhões de quilômetros, esses obstáculos à comunicação podem ser um problema assustador [fonte : Space . com ]. Se você tentar falar ou enviar um texto para o controle da missão na Terra usando a tecnologia atual, haverá um tempo de atraso entre três e 21 minutos. Isso poderia tornar a conversa bastante difícil. E imagine que você vê algo realmente incrível e quer mostrar a eles. Você pode ser capaz de transmitir laboriosamente uma foto estática, mas esqueça de transmitir uma imagem de vídeo ao vivo da superfície marciana; A NASA admite que isso não é possível com o nível de engenhocas que temos agora [fonte: NASA]. E mesmo com uma atualização recente, os rovers robóticos em Marte só conseguiram atingir uma taxa de transmissão de dados de apenas cerca de 256 kilobits por segundo [fonte: Bridges ]. Isso seria rápido na Terra -- ou seja, na Terra de meados da década de 1990. , quando as pessoas ainda usavam conexões discadas. Executar aplicativos na nuvem ou ler os mapas de Marte de alta resolução do Google para obter direções estaria praticamente fora de questão.

As dificuldades seriam incrivelmente ampliadas se você se aventurasse além de Plutão e ousasse tentar alcançar um planeta parecido com a Terra em um sistema solar vizinho. É por isso que os cientistas vêm quebrando a cabeça há décadas, tentando encontrar maneiras de alcançar e tocar alguém, como os antigos anúncios da empresa de telefonia costumavam dizer, através da vastidão assustadora do cosmos. Aqui estão 10 das ideias que eles tiveram ao longo dos anos.

1. Criar uma Rede Interplanetária de Satélites de Comunicações
2. Mudando de sinais de rádio para lasers
3. Patching Probes e Rovers em uma Rede de Comunicações Interplanetárias
4. Uma Internet que funciona no espaço
5. Construindo Satélites e Estações de Retransmissão para Outros Planetas
6. Deixe um rastro de migalhas de revezamento
7. Configure uma matriz de antenas gigantes para receber mensagens
8. Use o sol como um impulsionador de sinal
9. Ouvidos eletrônicos super sensíveis para sinais extremamente fracos do espaço
10. Neutrinofones mais rápidos que a luz

A ideia de construir uma rede de satélites que se estenda por quase todo o comprimento de 3,7 bilhões de milhas (6 bilhões de quilômetros) do sistema solar, de Mercúrio a Plutão, parece um pouco incompreensível. Mas, em 1945, quando o cientista britânico e escritor de ficção científica Arthur C. Clarke escreveu um artigo de revista prevendo uma rede global de comunicações de satélites orbitais , isso provavelmente também parecia bastante estranho. No entanto, hoje temos satélites por toda parte, o que possibilita fazer uma ligação telefônica ou enviar uma mensagem de texto ou e-mail praticamente em qualquer lugar do planeta [fonte : USAF Air University ]. E, na verdade, os visionários sonhavam com uma versão interplanetária da rede global de comunicações de Clarke antes mesmo que os primeiros satélites de telecomunicações da Terra fossem lançados em órbita.

Em 1959, os cientistas espaciais George E. Mueller e John E. Taber fizeram uma apresentação em uma convenção de eletrônica em San Francisco, intitulada "An Interplanetary Communication System", que descrevia como configurar transmissões digitais de longa distância no espaço, via rádio ondas [fonte: Mueller e Taber ]. Quarenta anos depois, dois cientistas, Stevan Davidovich e Joel Whittington, esboçaram um sistema elaborado, no qual três satélites seriam colocados em órbita polar em torno do Sol e outros em órbitas geossíncronas ou polares em torno dos vários planetas.

Os satélites seriam então ligados a uma rede que poderia captar mensagens de rádio de naves espaciais tripuladas ou sondas robóticas, e então retransmiti-las para cima ou para baixo na linha de um planeta ou outro até chegarem à Terra [fonte: Davidovich and Whittington ]. Até agora, porém, não houve nenhum movimento para construir tal sistema, talvez por causa do custo de colocar vários satélites em órbita em torno de corpos celestes distantes, provavelmente enorme.

Como mencionamos na introdução, as transmissões de dados no espaço atualmente estão travadas em taxas muito mais lentas do que a Internet de banda larga que estamos acostumados a ter na Terra. A razão - sem entrar em toda a matemática extravagante - é que, por causa das frequências relativas nas quais as ondas de rádio operam, elas são limitadas na quantidade de dados que podem manipular. (Você deve ter notado esse efeito se tiver um roteador de Internet sem fio em sua casa ou escritório - ele simplesmente não é tão rápido ou confiável quanto uma conexão com fio.)

Em contraste, a energia concentrada de uma luz laser, que tem uma frequência mais curta, pode lidar com muito mais dados. Além disso, como os lasers não se espalham tanto quanto as transmissões de rádio, eles exigem menos energia para transmitir dados [fonte: Ruag.com ]. É por isso que a NASA está trabalhando no Deep Space Optical Communications Project, que passaria a utilizar lasers em vez de transmissores e receptores de rádio. Isso aumentaria a quantidade de dados transmitidos em 10 a 100 vezes o que os equipamentos de rádio de última geração podem fazer, o que tornaria a Internet interplanetária aproximadamente tão rápida quanto uma conexão de banda larga típica na Terra [fonte: NASA]. Mas fazer com que a comunicação a laser funcione no espaço não é moleza. A NASA realizou demonstrações de transmissão de dados a laser em pequena escala e baixa taxa de dados no espaço e está trabalhando para desenvolver um sistema de comunicação a laser que eventualmente será testado em um satélite em órbita lunar [fonte: NASA ]. Eventualmente, a transmissão de dados a laser pode possibilitar o envio de vídeo ao vivo de alta definição de Marte [fonte: Klotz ].

Anteriormente, mencionamos a ideia de construir uma enorme rede de satélites de comunicação dedicados que se estendessem por todo o sistema solar, o que seria um grande empreendimento. Mas pode haver uma maneira menor, menos dispendiosa e mais incremental de montar essa rede. Até agora, sempre que enviamos espaçonaves e satélites ao espaço, eles geralmente se comunicam diretamente com estações terrestres e utilizam software e equipamentos especialmente projetados para essa missão específica (e muitas vezes descartados posteriormente).

Mas e se cientistas e engenheiros equipassem todas as naves ou objetos que foram lançados no espaço - de estações espaciais , telescópios orbitais, sondas em órbita ao redor de Marte ou outros planetas, e até rovers robóticos que exploraram paisagens alienígenas - para que todos pudessem se comunicar? uns com os outros e servem como nós de uma extensa rede interplanetária? Se você está procurando uma metáfora na Terra, imagine como seu laptop, tablet, smartphone , console de jogos, webcam e centro de entretenimento doméstico podem se conectar ao seu roteador de Internet sem fio e compartilhar conteúdo entre si.

Além de transmitir informações, idealmente, tal rede interplanetária pode se conectar à Internet na Terra, de modo que os cientistas possam se conectar com satélites ou rovers orbitais e verificar o que estão vendo, da mesma forma que pode ir para o site da NASA agora .

"A rede que a NASA construirá em breve pode muito bem ser aquela sobre a qual os cientistas elaboram detalhes surpreendentes da geologia marciana, condições oceânicas sob o gelo da lua frígida de Júpiter, Europa, ou a turbulenta cobertura de nuvens de Vênus", um artigo de 2005 no jornal publicação de engenharia IEEE Spectrum explicada. "Pode ser a forma como um explorador espacial com saudades de casa envia e-mails para casa" [fonte: Jackson ].

Já mencionamos a ideia de conectar naves espaciais e sondas em uma vasta rede através do espaço, para que os cientistas pudessem se conectar a elas da mesma forma que fazem a um site na Internet. Mas, como alguns críticos apontam, essa abordagem pode não ser a melhor porque o design básico da Internet não funcionaria muito bem no espaço. O protocolo de Internet que usamos na Terra baseia-se em dividir tudo o que transmitimos - seja texto, voz ou streaming de vídeo - em pequenos pedaços de dados, que são reagrupados na outra extremidade para que outra pessoa possa ver ou ouça-o. Essa é uma boa maneira de fazer as coisas, desde que toda essa informação se mova em alta velocidade com poucos atrasos ou perda de pacotes de dados, o que não é tão difícil de fazer na Terra.

Uma vez que você chega ao espaço - onde as distâncias são enormes, objetos celestes às vezes atrapalham, e há muita radiação eletromagnética em todo o lugar para atrapalhar o sinal - atrasos e interrupções no fluxo de dados são inevitáveis. É por isso que alguns cientistas estão trabalhando para desenvolver uma versão modificada da Internet, que usa um novo tipo de protocolo chamado de rede tolerante a interrupções (DTN). Ao contrário do protocolo usado na Terra, o DTN não assume que uma conexão contínua de ponta a ponta existirá e se prende a pacotes de dados que não pode enviar imediatamente, até que a conexão seja restabelecida. Para explicar como isso funciona, a NASA usa uma bola de basqueteanalogia, na qual um jogador apenas segura a bola pacientemente até que outro jogador esteja aberto sob a cesta, em vez de entrar em pânico e lançar um arremesso selvagem ou jogar a bola fora. Em 2008, a NASA realizou seu primeiro teste de DTN, usando-o para transmitir dezenas de imagens de uma espaçonave localizada a cerca de 32,187 milhões de quilômetros da Terra [fonte: NASA ].

Um dos grandes desafios na comunicação com uma base de Marte é que Marte está em movimento. Às vezes, uma base pode ser afastada da Terra e, de vez em quando - aproximadamente uma vez a cada 780 dias terrestres - Marte e a Terra têm o sol diretamente entre eles. Esse alinhamento, chamado de conjunção , potencialmente poderia degradar e até bloquear a comunicação por semanas a fio, o que seria uma perspectiva bastante solitária e assustadora se você fosse um astronauta ou um colono marciano. Felizmente, pesquisadores europeus e britânicos podem ter encontrado uma solução para esse dilema assustador.

Satélites normalmente orbitam planetas em órbitas Keplerianas, em homenagem ao astrônomo do século XVII Johannes Kepler, que escreveu as equações matematicamente que descrevem como os satélites se movem. Mas os pesquisadores europeus e britânicos propuseram colocar um par de satélites de comunicação ao redor de Marte em algo chamado órbita não-kepleriana, o que basicamente significa que, em vez de se mover em um caminho circular ou elíptico ao redor de Marte, eles estariam de lado um pouco, para que o planeta não ficasse no centro. Para permanecer nessa posição, no entanto, os satélites teriam que neutralizar os efeitos da gravidade, que os puxariam para Marte. Para mantê-los no lugar, os cientistas propuseram equipá-los com motores de propulsão de íons elétricos, alimentados por eletricidade gerada por energia solar e usando pequenas quantidades de gás xenônio como propulsor.Phys.org ].

A comunicação interplanetária, é claro, não é necessariamente apenas sobre nosso próprio sistema solar. Desde que os astrônomos descobriram o primeiro planeta orbitando uma estrela semelhante ao Sol em 1995, os cientistas descobriram vários outros exoplanetas , como são chamados os mundos fora do nosso sistema solar [fonte: NASA ]. Em outubro de 2012, eles descobriram um planeta aproximadamente do tamanho da Terra orbitando a estrela Alpha Centrauri B, que está no sistema de estrelas mais próximo , a cerca de 3,78 trilhões de quilômetros de distância [fonte: Betts ].

Essa é uma distância assustadoramente enorme, com certeza. Mas mesmo assim, alguns cientistas espaciais imaginam um dia o lançamento de uma nave estelar gigante que seria essencialmente uma versão em miniatura da Terra em movimento e independente, capaz de sustentar sucessivas gerações de astronautas que se aventurariam pelo espaço interestelar em um esforço para alcançar outros planetas habitáveis ​​e possivelmente até fazer contato com civilizações extraterrestres.

O Projeto Icarus, um esforço recente de cientistas espaciais e futuristas para criar um plano para tal missão, ponderou o problema de como tal nave continuaria a se comunicar com a Terra à medida que avançasse cada vez mais no desconhecido. Eles chegaram a uma solução intrigante: ao longo do caminho, a enorme nave descartaria periodicamente latas de combustível vazias equipadas com equipamentos de retransmissão de sinal, formando uma cadeia que passaria mensagens da espaçonave para a Terra. "A ideia é que, com uma cadeia de relés entre Ícaro e a Terra, cada 'salto' do sinal seja uma distância muito menor do que a distância total de vários anos-luz", disse Pat Galea, engenheiro britânico que participou do projeto de design. escreveu em 2012. "Para que possamos, potencialmente, reduzir o requisito de energia do transmissor, ou o tamanho da antena no Icarus,Galea ].

The scientists and futurists working on Project Icarus -- a speculative attempt to design a starship capable of reaching the nearest neighboring star system, about 2.35 trillion miles (3.78 trillion kilometers) away -- spent a lot of time thinking about how such a ship might stay in contact with the Earth as it journeyed across the enormity of interstellar space. In the previous item on this list, we mentioned the concept of a bread-crumb-like trail of communications links that the starship would leave in its wake. But back on Earth, those monitoring the mission would still face the challenge of trying to pick up signals from the starship and filter out the ambient electromagnetic noise of space -- a task made even more difficult by the Earth's atmosphere, which would weaken the signals.

To maximize the ability to do that, Project Icarus' planners have suggested building several solar system receiving stations, which would be enormous arrays of antennas stretching for many miles in different locations on Earth. The antennas in such an array would work in synergy to spot and capture the faint signals containing starship messages. (Think of this analogy: If a baseball player hits a home run into the stands at a baseball stadium , it's more likely that the ball will be caught by a fan if the stands are full of people.) Because the Earth rotates, the antennas in a particular SSRS would only be pointing at the distant starship for a small fraction of each day, and the weather in that location on Earth could hinder the reception. For that reason, it might be wise to build multiple arrays of antennas in different locations on Earth, to ensure that we can stay in near-continuous communication [source: Galea].

Here's yet another idea hatched by the Project Icarus researchers. According to Einstein's relativity theories , extremely massive objects' gravitational forces can actually deflect light that's passing near them and concentrate it, the way a hand-held magnifying glass does. That gave the Project Icarus think tank the idea of using that effect to focus and boost transmissions from a distant spacecraft. The way they would do it, admittedly, is a little tough for a non-physicist to fathom: A spacecraft capable of receiving communications transmissions would be positioned in interstellar space opposite the direction that the starship is going, about 51 billion miles (82 billion kilometers) away from the sun . That's really, really far -- about 18 times the distance between Pluto and the sun, in fact -- but let's assume that an Earth civilization capable of sending a starship trillions of miles from Earth can do that. The communications craft would then use the sun as a lens to magnify the signals it gets from the distant starship, and then would transmit them back to Earth though some other system, such as a network of satellites with laser links.

"The potential gain from doing this is immense," engineer Pat Galea explained to Discovery News in 2012. "The transmitter power on Icarus could be ramped down to much lower levels without impacting the available data rate, or if the power is kept the same, we could be receiving much more data than a direct link would provide." Ingenious as it might seem, however, the scheme also has some Jupiter-sized complications. It'd be necessary, for example, to keep the receiver spacecraft, the one getting the signals from the starship, pretty close to perfectly aligned at all times, and keeping it that way could prove very, very difficult [source: Galea, Obousy et al].

By the time transmissions from a distant spacecraft reach Earth, they've become degraded, to the point where a signal may actually contain less than a photon worth of energy [source: Rambo]. And that's really, really weak. Remember that photons, the tiny massless particles that are the smallest unit of energy, are incredibly tiny; a typical cell phone emits 10 to the 24th power worth of photons every second [source: University of Illinois]. Picking out that mind-bogglingly faint signal from the irrepressible cacophony of space and making sense of it might be as difficult as, say, finding a message floating in a bottle somewhere in the Earth's oceans. But researchers have come up with an intriguing solution, according to the NASA 's Space Technology Program Web site, which underwrites that sort of problem solving.

Instead of sending out a single signal or pulse of energy, a spaceship trying to communicate with Earth would send out many copies of that signal, all at once. When the weakened signals got to Earth, mission control would use a device called a structured optical receiver, or Guha receiver (after the scientist, Saikat Guha, who invented the concept), to essentially reassemble the surviving tiny, weak bits and pieces of all those duplicate signals, and put them together to reconstruct the message [sources: Rambo, Guha]. Imagine it this way: Take a message typed on a piece of paper, and then print a thousand copies of it, and run them all through a shredder and then mix up the tiny pieces that result. Even if you throw most of those little pieces into the trash, the ones that remain might well give you enough information to reconstruct the message on the paper.

No matter how many mind-bogglingly complicated gadgets we develop to piece together faint communications signals struggling to reach us from deep space, we still face another, even more challenging problem. Inside our solar system, the distances are so great that easy, instantaneous back-and-forth communication of the sort that we're accustomed to on Earth -- a Skype -style video conversation, for example -- isn't really feasible, at least with present technology. And if we're going to travel to planets outside our solar system , it would become pretty much impossible. If a starship reached our nearest interstellar neighbor, the Alpha Centauri star system trillions of miles away, it would take 4.2 years for each side of a voice, video or text transmission to cross that mind-blowingly large distance. That's why visionaries long have been intrigued with the idea of transmitting messages via beams of subatomic particle that would travel faster than light.

Uau - isso parece uma solução fácil, não é? Mas adivinhe novamente. Para que esse esquema funcione, aparentemente teríamos que abrir um grande buraco na teoria da relatividade especial de Einstein , que proíbe qualquer coisa de se mover mais rápido que a velocidade da luz . Por outro lado, talvez não. Em 2012, dois matemáticos publicaram um artigo em uma revista científica britânica, alegando que há uma maneira de processar os cálculos de Einstein e mostrar que velocidades mais rápidas que a luz são realmente possíveis [fonte: Moskowitz ]. Mas se esses dissidentes estiverem certos, ainda teremos que encontrar alguma prova de que as partículas podem se mover mais rápido que a velocidade da luz, e até agora não conseguimos.

Houve um experimento altamente divulgado em 2011, no qual pesquisadores do acelerador de partículas CERN na Europa supostamente cronometraram partículas chamadas neutrinos movendo-se um pouquinho mais rápido que o limite de velocidade de Einstein. Mas, como se viu, uma falha no cabo de fibra ótica no equipamento dos pesquisadores aparentemente causou uma leitura falsa (não estava completamente conectado) [fonte: Boyle ]. Isso acabou com as perspectivas de um neutrinofone cósmico, pelo menos por enquanto.

Nota do autor: 10 melhores ideias para comunicação interplanetária

A noção de, digamos, enviar vídeo ao vivo de Marte para a Terra pode não parecer tão distante para um membro da geração do milênio, que cresceu em uma época em que conversava pelo celular com alguém do outro lado do planeta. planeta não é grande coisa. Mas continua sendo bastante incompreensível para mim, talvez porque eu tenha idade suficiente para lembrar como era difícil e caro fazer uma ligação analógica de longa distância antiquada da Costa Leste para a Califórnia. Fiquei um pouco chocado alguns anos atrás, quando entrei em contato com uma fonte para um artigo por e-mail e recebi uma ligação dele - via Skype - do Afeganistão, para onde ele havia viajado para um projeto de negócios. Desde então, me acostumei um pouco mais com nossa conectividade cada vez maior; o outro dia, Na verdade, passei meia hora trocando uma série de e-mails com um velho colega que agora mora na França, apenas para ser interrompido por uma mensagem instantânea de outro amigo no norte da Inglaterra. Então, estou ansioso pelo dia inevitável em que estarei trocando piadas e reclamando do tempo com alguém que está em órbita acima de mim.

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