Содержание
Муниципальное казенное учреждение Отдел образования муниципального района Аскинский район Республики Башкортостан
|
|
Галактический интернет
Дмитрий Мамонтов
«Популярная механика» №5, 2013
«Космос велик.
Он просто огромен. Вы даже не поверите, насколько он умопомрачительно громаден. Вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда в сравнении с космосом». Дуглас Адамс. Путеводитель по Галактике для путешествующих автостопом.
Представим себе далекое-далекое будущее. Первая земная межзвездная экспедиция прибывает в систему Альфа Центавра А. Корабли ложатся на парковочную орбиту вокруг обнаруженной местной планеты, а командир экспедиции торжественно объявляет о достижении цели и поднимает бокал коллекционного шампанского урожая 2158 года.
После этого экипаж, свободный от вахты, расходится по каютам, достает коммуникаторы, и начинается негласное соревнование — кто первым зарегистрируется в системе Альфа Центавра А в Facebook. И вот тут-то социально активных астронавтов и космонавтов будущего поджидает один неприятный сюрприз. Оказывается, что интернета в этой звездной системе нет!
И, как заявляет системный администратор экспедиции, не предвидится: «Передатчики, которыми оснащены корабли, недостаточно мощны для того, чтобы наладить постоянный канал с высокой пропускной способностью между Солнцем и Альфой Центавра А».
Так что быстрого интернета, мол, не ждите — максимум десятки килобит в секунду, как в каменном, то есть, простите, в XX веке.
Но тут слово берет один из инженеров-связистов, старый библиофил. Он приносит из своей каюты драгоценный старинный фолиант, написанный в самом начале XXI века, — «Полеты и коммуникации в глубоком космосе: использование Солнца в качестве гравитационной линзы» (Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens, 2009) — и говорит, что в этой книге есть решение возникшей проблемы.
Четыре года пути
Автора книги Клаудио Макконе интересует вопрос космических коммуникаций на больших расстояниях. Действительно больших, межзвездных, поскольку даже от ближайшей к Солнцу звездной системы — Альфы Центавра — свет идет до нас более четырех лет.
На таких расстояниях можно использовать различные способы коммуникаций. Скажем, послать «письмо в бутылке», то есть космический зонд с информацией. Вероятность его прибытия к цели высока, и объем информации достаточно велик (практически не ограничен), но вот только посылать такие зонды очень невыгодно как с экономической, так и с энергетической точки зрения, поэтому для создания постоянного канала связи он подходит плохо.
Другой способ — с помощью вполне традиционных средств связи, использующих электромагнитные волны. Основная проблема такой связи — расходимость: даже направленный пучок электромагнитных волн, будь то радио или свет, неизбежно расходится за счет дифракции.
На стороне приемника улавливается лишь малая часть энергии сигнала, посланного передатчиком в пространство. Бороться с этим можно, увеличивая мощность сигнала, но этот путь невыгоден энергетически, да и повышение чувствительности приемника (в том числе и установкой больших антенн) имеет свою цену, тем более что с увеличением расстояния между передатчиком и приемником ситуация ухудшается.
Радио с помехами
В своей статье 2011 года «Межзвездная радиосвязь, улучшенная использованием Солнца в качестве гравитационной линзы» (Interstellar radio links enhanced by exploiting the Sun as a Gravitational Lens) в журнале Acta Astronautica Клаудио Макконе приводит расчеты традиционного радиоканала между Солнечной системой и Альфой Центавра А.
Они неутешительны: при передаче сигнала мощностью 40 Вт с Земли с помощью гигантской 70-метровой антенны системы NASA DSN (Deep Space Network), имеющей усиление 84 дБ (то есть усиливающей мощность сигнала в основном направлении более чем в 100 млн раз), на частоте 32 ГГц (Ka-диапазон, именно такой использует зонд Cassini) и скорости передачи 32 кбит/с (такую имеет европейский космический зонд Rosetta) и приеме с помощью 12-метровой антенны (с усилением 69 дБ, то есть чуть меньше чем в 10 млн раз) космического зонда в системе Альфа Центавра А частота появления ошибочных битов (bit error rate) составляет 0,49. Это означает, что почти 50% пересылаемой информации теряется, что, с точки зрения Макконе, делает указанный коммуникационный канал практически бесполезным.
Однако Макконе нашел выход из этого тупика. Причем принципиально отличающийся от «игры мускулами». Ученый предлагает фокусировать отсылаемый к другим звездам радиосигнал.
.. с помощью Солнца.
Солнечная линза
То, что любое массивное тело в рамках общей теории относительности (ОТО) будет искривлять траекторию световых лучей, предположил еще Альберт Эйнштейн в 1915 году. Вскоре этот эффект был подтвержден экспериментально, а в 1936 году Эйнштейн опубликовал в журнале Science расчеты, согласно которым звезда может выступать в качестве гравитационной линзы, дающей кольцеобразное изображение.
Годом позднее американский астроном Фриц Цвикки пришел к заключению, что линзой может быть не только звезда, но и целая галактика. Этот вывод смогли подтвердить лишь в 1979 году, когда британские астрономы обнаружили объект, состоящий из двух находящихся на угловом расстоянии 6 угловых секунд абсолютно идентичных квазаров, и выяснили, что это на самом деле один квазар, «раздвоенный» с помощью эффекта гравитационного линзирования далекой галактикой, находящейся между квазаром и Землей.
Этот эффект гравитационного линзирования Клаудио Макконе и предлагает использовать для фокусировки посылаемого к далеким звездам радиосигнала.
Но, чтобы использовать Солнце в качестве фокусирующей линзы, нужно разместить источник сигнала в одном из фокусов. Ближайший фокус Солнца расположен далеко за пределами Солнечной системы, в 550 а.е. от звезды (1 а.е. — это радиус орбиты Земли, 150 млн километров).
Напомним, что космический зонд Voyager-1, отправленный в 1977-м, в этом году подошел к границе Солнечной системы и находится на расстоянии около 123,7 а.е. от звезды.
Миссия в фокус
По замыслу Макконе, зонд миссии FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), оснащенный радиопередатчиком и 12-метровой антенной, нужно расположить на «оптической оси» линзы (прямой, соединяющей приемник и передатчик) в любом месте дальше ближайшего фокуса — 550 а.е. от Солнца. Лучше дальше, поскольку в этом случае огибающий Солнце радиосигнал будет испытывать меньшее влияние помех от солнечной короны.
В канале передачи, который использует расположенную в точке фокуса передающую антенну, добавляется еще один компонент — Солнце как гравитационная линза.
Усиление этой линзы для того же Ka-диапазона составляет 70 дБ (10 млн раз). Это может кардинально изменить ситуацию, особенно если учесть, что гравитационной линзой является не только Солнце, но и любая другая звезда, в частности Альфа Центавра А. Правда, поскольку ее масса и диаметр отличаются от солнечных, ее ближайший фокус располагается в 750 а.е. от звезды.
Согласно расчетам Макконе, используя два космических аппарата FOCAL с 12-метровыми антеннами в соответствующих фокусах Солнца и Альфы Центавра А, можно добиться совершенного успеха: за счет усиления двух звезд свести практически к нулю частоту появления ошибочных битов при мощности 0,1 мВт (да-да, 0,1 милливатт!).
Широкая полоса
Вышеприведенные данные верны для канала связи со скоростью 32 кбит/с, однако такой канал по современным меркам более чем скромен. Макконе не останавливается на этом и в своей новой статье «Галактический интернет, возможный благодаря гравитационному линзированию звезд» (Galactic Internet made possible by star gravitational lensing, Acta Astronautica, 2013) приводит расчеты возможной скорости широкополосных каналов межзвездной связи.
Результаты впечатляют: скажем, при неограниченной полосе частот (и мощности менее 1 мВт) скорость передачи информации по радиомосту между Солнцем и Альфой Центавра А составляет 210 Гбит/с, а между Солнцем и Сириусом А — 100 Гбит/с. Возможна связь и на более далеких расстояниях: скажем, между Солнцем и солнцеподобной звездой в центре нашей Галактики скорость передачи данных составит хотя и небольшие, но приемлемые 5,4 кбит/с (правда, при мощности в 1 кВт). Это, разумеется, теоретические данные, на практике будет не так радужно, но все равно это практически достижимые величины.
Чужая сеть
Но кое-какие важные детали Макконе опускает. Мы не говорим о технической возможности миссий, подобных FOCAL, ведь это дело далекого будущего. Но существуют и фундаментальные ограничения, главное из которых связано с конечностью скорости света. Радиосигнал от Солнца до Альфы Центавра А идет 4,37 года, и про запаздывание с открытием страницы в браузере можно даже и не говорить.
Более того, передатчик и приемник вращаются по своим орбитам вокруг звезд, которые тоже движутся друг относительно друга, а на синхронизацию часов на таком расстоянии есть ограничения в специальной теории относительности.
Поэтому сделать так, чтобы приемник оказался в фокусе гравитационной линзы точно в заранее неизвестный момент прихода сигнала, не получится.
Впрочем, и это ограничение вполне можно обойти. Достаточно построить вокруг каждой звезды на расстоянии больше минимального гравитационного фокуса сферу Дайсона, начиненную различным коммуникационным приемопередающим оборудованием. Тогда для каждого межзвездного радиомоста в любой момент времени на этой сфере обязательно найдется приемная или передающая ячейка.
«И не исключено, — рассуждает Макконе, — что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация уже построила галактический интернет, использующий подобные принципы». И тогда земная космическая миссия, посланная на расстояние 550 а.е и далее, вполне возможно, обнаружит там какой-нибудь межзвездный узел связи.
Как мы будем получать сигналы от межзвездных зондов, таких как Starshot?
Кредит: Прорыв Старшот
Через несколько десятилетий в рамках инициативы Breakthrough Starshot надеется отправить парусник в соседнюю систему Альфа Центавра.
Используя световой парус и массив лазеров направленной энергии, крошечный космический корабль можно разогнать до 20% скорости света (0,2 с). Это позволило бы Starshot совершить путешествие к Альфе Центавра и изучить любые экзопланеты там всего за 20 лет, тем самым осуществив мечту о межзвездных исследованиях в течение нашей жизни.
Естественно, этот план сопряжен с рядом инженерных и логистических задач, одна из которых связана с передачей данных обратно на Землю. В недавнем исследовании директор Starshot Systems доктор Кевин Л.Г. Паркин анализирует возможность использования лазера для передачи данных обратно на Землю. Этот метод, утверждал Паркин, является наиболее эффективным способом для человечества получить представление о том, что находится за пределами нашей Солнечной системы.
Автор исследования, доктор Кевин Паркин, занимал должность системного директора Breakthrough Starshot с 2016 года. До этого он был награжден медалью Королева Российской Федерации астронавтики и космонавтики за новаторскую работу в области микроволнового теплового двигателя.
. Он также основал в Сан-Франциско аэрокосмическую компанию Parkin Research, которая специализируется на разработке экономичных технологий.
Решая вопрос о нисходящем канале связи, доктор Паркин стремился рассчитать наилучший вариант интегрированного паруса и космического корабля (парусника). С этой целью он рассмотрел возможность установки на борту парусника Starshot диаметром 4,1 м (13,45 фута) лазерного передатчика с узким лучом, который начнет передачу на 30-метровый (~ 100 футов) телескоп на Земле, как только достигнет Альфа. Центавра.
Предоставлено: Universe Today
Этот массив будет иметь форму 100-ваттной оптической фазированной решетки (встроенной в сам парус), которая использует лазеры для преобразования энергии из межзвездной среды (ISM). Доктор Паркин предполагает, что массив будет передавать данные на длине волны 1,02 микрометра, которые затем будут приниматься телескопом на длине волны 1,25 микрометра, что помещает передачу в ближний инфракрасный/ближний ультрафиолетовый спектр.
Этот тип нисходящей линии связи имеет много преимуществ по сравнению со связью, основанной на радиоволнах или микроволновых передачах. Как сказал д-р Паркин Universe Today по электронной почте:
: «По сравнению с микроволнами, лазеры имеют в тысячу раз более короткую длину волны и поэтому формируют гораздо более плотный луч от Альфы Центавра до Земли… Преимущество передачи 100 Вт по всей площади Парусное судно заключается в том, что земной приемник сжимается до 30-метрового телескопа, что, скорее всего, произойдет через десятилетие или два».
Доктор Паркин также добавил, что за это же время усовершенствования фильтров и детекторов позволят создать массивы телескопов метрового класса, которые могут работать вместе для приема сигналов от космического корабля. Однако такая система связи также имеет свои недостатки, один из которых напрямую связан с ее характером узкого луча. По сути, массив должен быть точно направлен на Землю, чтобы данные были получены.
Наблюдаемая Вселенная в логарифмическом масштабе.
Предоставлено: Пабло Карлос Будасси/Wikipedia Commons.
«Если парусник определяет относительное направление межзвездной среды, это указывает на Землю (или, по крайней мере, на то место, где находилась Земля, когда парусник стартовал)», — сказал доктор Паркин. «Оттуда он должен будет найти солнце. Затем, поскольку ширина луча составляет лишь десятую часть расстояния от солнца до Земли, парусник должен будет вычислить или найти относительное положение Земли и указать на нее».
Однако это можно преодолеть, отправив несколько космических кораблей, что соответствует общему замыслу Starshot. В течение многих лет Breakthrough Initiatives размышляла о том, как флот буксируемых световыми парусами «нанокораблей» весом всего несколько граммов может обеспечить межзвездные путешествия и исследования. Как объяснил доктор Паркин: «Экономика благоприятствует запуску легкого и частого, например, одного 4-граммового парусника в неделю (стоимость энергии составляет всего 6 миллионов долларов).
Это означает, что будет не один нисходящий канал, а много нисходящих каналов. Как видно с Земли различные парусники будут выстроены в ряд по небу, образуя своего рода конвейер парусников на разных этапах встречи с Альфой Центавра».
Дополнительным преимуществом отправки нескольких космических аппаратов с прямыми линиями связи, добавляет доктор Паркин, является возможность перекрестных связей между ними. В этом сценарии соединение с Землей станет собственным конвейером данных — конвейером внутри конвейера. Это уменьшит риск потери важных данных и позволит кораблям, уже прошедшим через систему Альфа Центавра, передавать информацию тем, которые все еще находятся в пути.
Рой космических кораблей с лазерным парусом покидает Солнечную систему. Кредит: Адриан Манн
Последней рекомендацией, сделанной доктором Паркином в документе, было включение распределенного алгоритма, который позволил бы космическим кораблям функционировать в тандеме и с определенной степенью автономности, каждый из которых отвечал бы за картографирование различных частей системы Альфа Центавра.
Доктор Паркин указывает, что это сократит «цикл решения-действия», который невероятно медлен на межзвездных расстояниях:
«Преимущества этого огромны — всю систему можно разведать и нанести на карту до того, как появятся первые данные». теоретически, первый парусный корабль может обнаружить далекую планету как точку света, которая перемещается между изображениями, и на этом основании ограничить ее орбиту, чтобы следующий парусный корабль мог маневрировать, чтобы пройти на более близком расстоянии, разрешая детали поверхности. может создавать карты, отслеживать особенности поверхности и открывать большинство планет и лун в системе с течением времени».
Чтобы разложить все по полочкам, доктор Паркин представляет себе флот парусных кораблей, которые автоматически исследуют далекие звездные системы. Первый, кто войдет в систему, будет отвечать за картографирование планет и лун, следующая волна будет характеризовать их орбиты, а те, кто последуют за ними, будут наблюдать за ними с близкого расстояния, составлять карты и отслеживать их поверхности.
В этом отношении представленная здесь концепция решает одну из самых больших проблем межзвездных исследований, а именно сложность связи с зондами на таких больших расстояниях. Профессор Авраам Леб — профессор наук Фрэнка Б. Бэрда-младшего в Гарвардском университете и председатель Консультативного комитета Breakthrough Starshot — сообщил Universe Today по электронной почте:
«Линия связи, о которой говорится в документе Кевина, является одной из самых больших проблем для программы Starshot. Огромное расстояние до ближайшей звезды, 4,24 световых года, и низкая мощность передачи предполагают слабый сигнал и, следовательно, большой приемник. на Земле. Нет возможности посылать команды космическому кораблю в режиме реального времени, потому что кратчайший путь световых сигналов в обе стороны занял бы 8,48 года».
Наконец, д-р Паркин обратился к животрепещущему вопросу о том, что должно произойти, прежде чем проект такого рода может быть реализован. В то время как в документе представлено несколько творческих решений проблемы коммуникаций, одна из наиболее распространенных проблем, преследующих Starshot, заключается в том, что для того, чтобы вывести ее на уровень рентабельности, необходимы будущие достижения и инновации.
«Чтобы реализовать все возможности парусника, как описано здесь, может потребоваться 100 лет, или это может быть побочным продуктом коммерческих исследований в ближайшие несколько десятилетий», — сказал он. «Микроволновые фазированные решетки используются уже 50 лет, но оптических фазированных решеток еще нет, и потребуется много работы, чтобы интегрировать их в керамический парус. Генерация энергии из межзвездной среды, возможно, уникальна для Starshot и требует исследований. но выигрыш в том, что мощность, доступная для нисходящей линии связи, на порядки больше, чем это возможно в противном случае».
С другой стороны, любые и все концепции межзвездного или дальнего космоса сопряжены со своими проблемами, некоторые из которых особенно устрашающие. И, как и многие другие технические препятствия, с которыми сталкивается команда Starshot, эти проблемы вдохновляют на творческие и инновационные решения. А пока все, что мы можем сделать, это ждать и надеяться, что прогресс произойдет и создадутся новые возможности.
Предыдущие исследования доктора Паркина включают исследование 2018 года «Прорывная модель системы Starshot», опубликованное в Acta Astronautica . В этой статье подробно описывается миссия и концепция Starshot, а также то, как это принесет пользу человеческим исследованиям не только в межзвездной области, но и в пределах Солнечной системы.
Дополнительная информация:
Нисходящая ссылка для связи со Starshot: arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2005/2005.08940.pdf
Источник
Вселенная сегодня
Цитата :
Как мы будем получать сигналы от межзвездных зондов, таких как Starshot? (2020, 27 мая)
получено 13 ноября 2022 г.
с https://phys.org/news/2020-05-interstellar-probes-starshot.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
В 2045 году: Альфа Центавра | Хакадей
- автор:
Аль Уильямс
Мы говорили о проекте Breakthrough Starshot, целью которого является отправка зонда с солнечным парусом к Альфе Центавра в течение 20 лет. Немного базовой математики и знание того, что Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года, означает, что вам нужно будет путешествовать со скоростью более 20% скорости света, чтобы совершить путешествие за это время. В некоторых новых документах предложены способы решения некоторых инженерных проблем.
Основная идея проста. Очень маленький зонд прикреплен к очень большому парусу.
Но называть его солнечным парусом немного неправильно. Движущей силой паруса будет мощный лазер, который обеспечивает более надежное питание двигательной установки крошечного зонда. Проблемы? Во-первых, тонкий парус мог порваться под постоянным давлением. Ответ, согласно одной из статей, заключается в том, чтобы придать парусу форму парашюта, чтобы он мог вздыматься под давлением.
Другая проблема — не сжечь парус. Космос — сложная среда для сброса отработанного тепла, поскольку излучение — единственный способ передать его. В другой статье предполагается, что наноразмерные узоры на парусе позволят ему отдавать отработанное тепло в межзвездную среду.
Предлагаемый парус шириной 3 метра изготовлен из ультратонких листов оксида алюминия и дисульфида молибдена. Парус будет нести зонд размером с обычный микрочип. Мы видели их планы раньше, но новые документы — это признак того, что инженеры продвигаются вперед.
Мы полагаем, что проблем, которые нужно решить, будет больше.