¿Cómo podemos formar una cadena de transmisión de comunicación de datos para la exploración del espacio profundo?

La potencia que tienen las sondas de espacio profundo permite una capacidad de comunicación RF de unos pocos kbps desde un rango como Plutón-Tierra. Si entramos en óptica, el alcance será mejor. Pero, por supuesto, queremos enviar exploradores (pequeñas sondas) a galaxias lejanas. Potencialmente, esto requeriría tener una cadena de relés de comunicación (o repetidores, digamos).

¿Cómo podemos enviar estos repetidores, y en qué períodos, para que siempre sigan moviéndose como un tren, y para que mantengamos la comunicación con la sonda?

(Irrelevante, pero los repetidores probablemente serían más pequeños, pero deberían poder viajar a la misma velocidad que la sonda, y deberían tener un haz hacia la sonda (o el repetidor delantero) y otro haz hacia el repetidor trasero)

"Por supuesto, queremos enviar exploradores (pequeñas sondas) a galaxias lejanas". ¿Ha habido alguna sugerencia seria para hacer algo ni remotamente parecido a eso? No estoy siendo quisquilloso; Si existe tal propuesta, estaría muy interesado en leer sobre ella, así que proporcione algún tipo de cita para esa declaración. Las únicas misiones de las que he oído hablar han sido dentro de nuestro sistema solar; los Voyagers han dejado el sistema solar, pero todavía están muy, muy, muy lejos incluso de la estrella más cercana, y mucho menos de otras galaxias. Una misión intergaláctica sería una empresa gigantesca sin importar cómo se mire.
@MichaelKjörling, no estoy en el campo del espacio, pero la curiosidad de la humanidad es imparable al pensar qué sigue (alcanzable o no). No sé si hay estudios reales sobre saltar a otras galaxias, para ser honesto. Se podría hacer la pregunta para centrarse en los viajes solares a la estrella más cercana, pero supongo que es demasiado tarde para reformularla ahora.

Respuestas (2)

Si desea enviar una sonda a otra estrella con el tipo de tecnología en la que podemos pensar (si no diseñar y construir) hoy, está hablando de una misión que durará cientos de años; las estrellas más cercanas están más de 8000 veces más lejos que Plutón.

No tenemos la menor idea de cómo enviar una sonda a la próxima galaxia, y mucho menos a "galaxias lejanas".

Pero en el caso general, simplemente enviando relés en un curso siguiente a intervalos fijos detrás de la sonda principal, creo que puede convertir el problema de la ley del cuadrado inverso en uno lineal aproximadamente inverso: 100 relés cada uno con potencia de transmisión x puede transmitir un señal 10 veces más lejos que una sola sonda de potencia 100 x . Para una misión interplanetaria realizada en un período de tiempo razonable, el delta-v proporcionado por la asistencia gravitatoria de un sobrevuelo de Júpiter es un componente relativamente pequeño; tal vez la sonda principal con una gran carga científica podría utilizar a Júpiter para igualar la velocidad de los relés más ligeros que se lanzarían tras ella.

En una misión interestelar, la energía solar estaría fuera de discusión (a menos que considere una cantidad absurdamente grande de estaciones repetidoras de muy baja potencia), por lo que la vida útil de las fuentes de energía de los relés sería una gran limitación. Los RTG son la fuente de alimentación preferida para nuestras sondas de sistema externo y su rendimiento se degrada en unas pocas décadas.

Parece muy hipotético, pero ¿un solo fallo de una de estas sondas inutilizaría todo el sistema?
Suponiendo que las sondas estuvieran lo suficientemente cerca unas de otras y lo suficientemente potentes como para alcanzar altas velocidades de datos normalmente, y no pudieran maniobrar significativamente para cerrar las brechas entre ellas, una sola falla probablemente obligaría a los dos relés vecinos a cambiar a una velocidad de datos más baja. entre ellos, lo que embotellaría toda la tubería, como si solo hubiera tenido la mitad de estaciones de relevo para empezar. Podría estar diseñado para degradarse "con gracia", pero definitivamente se degradaría.
Buena y útil respuesta. Una de mis principales preocupaciones era la posibilidad de "enviar relevos en un curso siguiente a intervalos fijos detrás de la sonda principal". ¿Podemos realmente hacer eso? ¿Requeriría un lanzamiento periódico anual? ¿Permitirían los planetas asistencias de gravedad cada año? El sol también se está moviendo. Estos son los temas que estoy buscando.
La confiabilidad de las comunicaciones no es parte de la pregunta, pero es un argumento muy válido de que el sistema se degradaría en algún momento. Podría aumentar los costos o acelerar toda la cadena para reemplazar la función rota. (Cada uno detrás del roto toma el lugar del que está justo delante). Esto significa que cada repetidor debe tener un exceso de empuje para los momentos de necesidad. El poder es algo más confiable, supongo.
Para que un viaje interestelar sea remotamente práctico, necesita una tecnología de propulsión lo suficientemente ambiciosa como para que la asistencia de la gravedad planetaria sea una gota en el océano, por lo que supongo que lo ignoraría y enviaría cada relé en un intervalo casi fijo. sí.
Dentro del sistema solar, lo que podría ser práctico durante los próximos cien años es un montón de relés en órbitas solares circulares a lo largo de la eclíptica, por ejemplo, a 3, 6, 9, etc. UA del sol, con múltiples satélites espaciados aproximadamente 3AU de distancia a lo largo de cada órbita. De esa manera, no hay nada cerca de la eclíptica que esté a más de 3 UA de algún nodo de la red, y las sondas que van a cualquiera de los planetas pueden usarlo. (Tendría que programar visitas a Plutón y otros objetivos de alta inclinación para períodos en los que estuvieran cerca de la eclíptica).
La configuración exacta de la red cambiaría constantemente porque los períodos orbitales son todos diferentes, pero tendría la ventaja de que perder un nodo difícilmente lo degradaría; siempre se podía enrutar a su alrededor hasta que se colocara un reemplazo. La latencia a la velocidad de la luz aumentaría con el cambio de ruta, pero el rendimiento no se reduciría.
@RussellBorogove, los comentarios aquí merecen estar en la respuesta, son bastante útiles. especialmente que la asistencia por gravedad no sería necesaria para una misión interestelar.

Claudio Maccone ha estado presionando para explotar hábilmente la física de las ondas de radio y la propagación de la luz, es decir, las lentes gravitacionales .

La idea principal (atribuida a Von Eshleman de Stanford - 1979) es enviar una sonda (o varias) a la estrella más cercana Y enviar un gran radiotelescopio espacial en dirección opuesta al Sol, a una distancia de 550 a 740 UA. El Sol concentraría la transmisión desde la sonda, ganando así alrededor de 57,5 ​​dB en la longitud de onda de 21 cm; esta ganancia no puede obtenerse con antenas DSN en la Tierra. Ciertamente, económicamente es mejor enviar un radiotelescopio y una sonda que mil o cien sondas espaciadas en el tiempo (para el mismo orden de resultados científicos esperados).

Cómo funciona la lente

Dibujo de la misión FOCAL 1

Cómo organizar la red de comunicaciones interestelar

no a escala

Otros trucos y consejos técnicos para resolver el problema con chirridos (sin juego de palabras)

  • Subir PIRE . En lugar de un RTG con combustible en descomposición, instale un reactor nuclear con (digamos) refrigerante de sodio, manténgalo apagado hasta que sobrevuele el sistema planetario de la estrella objetivo, enciéndalo y transmita todo lo que quiera transmitir.

  • Haga que las comunicaciones sean asimétricas (un enlace descendente de láser y un enlace ascendente de microondas), consulte el artículo de Boone et al. (2002).

  • Otra línea de pensamiento exótica se basa en los neutrinos. Enviar un reactor ayudará un poco a generar algunos neutrinos, pero no tenemos forma de generar suficientes neutrinos para cubrir las terriblemente grandes distancias, y no hay forma de enfocarlos. Ciencia ficción en su máxima expresión, y la parte de "ciencia" no es realista en absoluto. Por supuesto, puede proporcionar propulsión de antimateria y comunicarse a través de un empuje modulado, pero tenga en cuenta que la antimateria es prohibitivamente costosa.

  • Considere también la cantidad de datos que desea transmitir. A distancias interestelares, su sonda viaja esencialmente en línea recta, y hay poca o ninguna oportunidad de desviar la trayectoria para apuntar con precisión a la otra estrella o cualquiera de sus planetas, si aparece alguna anomalía inesperada. Por lo tanto, el sobrevuelo del sistema de la otra estrella será bastante diferente al de New Horizons: enviará de regreso principalmente datos multiespectrales desde muy lejos: algunos puntos aquí, algunos puntos allá, análisis espectral de la atmósfera, resumen de transmisiones de radio interceptadas. :) Eso es más o menos. No hay imágenes satelitales de espías a todo color, ni transmisiones en vivo. Por lo tanto, la necesidad de comunicaciones de alta velocidad no es tan aguda como pensaba.

Referencias

  • Vuelo espacial profundo y comunicaciones: explotación del sol como lente gravitacional Claudio Maccone. Springer, 2009.
  • Von R. Eshleman. Lente gravitacional del sol: su potencial para observaciones y comunicaciones a distancias interestelares. Ciencia, 205 (1979). Págs. 1133-1135. DOI https://dx.doi.org/10.1126/science.205.4411.1133
  • Bradley G. Boone; Robert S. Bokulic; GB Andrews; Ralph L. McNutt, Jr. y Nicholas G. Dagalakis. Diseño conceptual del sistema de comunicaciones ópticas y de microondas para una sonda interestelar realista, Proc. SPIE 4821, Free-Space Laser Communication and Laser Imaging II, 225 (1 de diciembre de 2002) DOI https://dx.doi.org/10.1117/12.451807
Vale la pena mencionar que las estrellas más cercanas están a más de 265 000 AU de distancia; el primario de su telescopio de gravedad está, por lo tanto, unas 400 veces más cerca de la Tierra que una sonda Alpha Centauri. ¿La comunicación de alta velocidad a 600-700 UA es un problema dejado como ejercicio para el estudiante? ;)
@RussellBorogove: conoce la rutina: cuanto menor es la pérdida total, mayor es la tasa de bits. Aumente el EIRP también.
En pocas palabras, ¿cuál es el interés de enviar las ondas más allá del Sol y (mucho) más lejos que la Tierra?
@NicolasBarbulesco: el Sol actúa como una lente, enfocando las ondas de radio y mejorando la relación señal/ruido.
Deer Hunter (¡pobre ciervo!), ¡genial! Entiendo que esto reemplaza la dificultad de apuntar exactamente a la Tierra desde muy lejos.
@NicolasBarbulesco: desalineación de apuntado, gran distancia, antena pequeña en la sonda: todo conspira para empeorar el problema de las comunicaciones interestelares. Ver en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation
@DeerHunter, esta es una buena respuesta, enseña mucho. Sin embargo, la pregunta era "cómo enviar relés" y esto parece una buena solución para el lado del problema del sistema solar. Para completar, podría incluir la parte principal (como cómo los repetidores consecutivos viajarían / ​​se seguirían entre sí, etc.). y felizmente aceptaría su respuesta como la respuesta.
@GürkanÇetin: el punto es que no es necesario tener repetidores. Podemos explorar las estrellas más cercanas en nuestra burbuja local de la forma más económica desplegándonos y enviando las sondas directamente.
También es posible que desee enviar algunos relevos después de la nave espacial FOCAL, ya que continuará y seguirá y 550 AU ya es un desafío. Por cierto, observo que a Eshleman se le ocurrió la idea el mismo año en que se observó la primera lente de gravedad, el Twin-QSO.
@LocalFluff: de hecho, cualquier cosa a 100 AU y más es muy difícil de controlar de manera confiable. Casi todo lo que enviamos a las estrellas debe tener capacidades autónomas de reparación/control.
¿Cómo podemos formar una cadena de transmisión de comunicación de datos para la exploración del espacio profundo?
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