Come potrebbero le persone sulla Terra comunicare con le persone su Marte o anche su Giove? Guarda altre immagini di esplorazione dello spazio. Albert Klein/Oxford Scientific/Getty Images Qui sulla Terra, ci siamo abituati a tirare fuori uno smartphone e poter parlare, inviare messaggi di testo o inviare e ricevere fotografie e video praticamente da qualsiasi punto della superficie del pianeta. Inoltre, dipendiamo sempre più dall'attingere al vasto, crescente quantità di informazioni su Internet per guidarci, se stiamo cercando di fare ricerca scientifica o di trovare il percorso più rapido per un appuntamento.
Ma il tipo di accesso istantaneo e larghezza di banda a cui siamo abituati non esiste ancora nello spazio. Le enormi distanze dello spazio, per uno, creare enormi tempi di ritardo per le comunicazioni elettroniche, e i segnali devono tornare dalla superficie di un altro pianeta alla Terra attraverso un guanto di radiazioni spaziali che ne degradano la chiarezza. Per renderlo ancora più difficile, i pianeti stessi sono in continuo movimento, e possono entrare in posizioni in cui la loro massa - o quella del sole - può bloccare un segnale.
Se immagini di essere un astronauta inviato per stabilire una colonia su Marte, la cui distanza dalla Terra varia tra 35 milioni e 140 milioni di miglia (56 e 226 milioni di chilometri), quegli ostacoli alla comunicazione potrebbero essere un problema scoraggiante [fonte:Space.com]. Se provi a parlare o a inviare un messaggio al controllo missione sulla Terra usando la tecnologia attuale, c'è un intervallo di tempo compreso tra tre e 21 minuti. Ciò potrebbe rendere la conversazione piuttosto difficile. E immagina di individuare qualcosa di veramente incredibile, e voglio mostrarglielo. Potresti riuscire a trasmettere faticosamente una foto fissa, ma dimentica lo streaming di un'immagine video in diretta dalla superficie marziana; La NASA ammette che non è possibile con il livello di gadget che abbiamo ora [fonte:NASA]. E anche con un recente aggiornamento, i rover robotici su Marte sono stati in grado di raggiungere solo una velocità di trasmissione dei dati di soli circa 256 kilobit al secondo [fonte:Bridges]. Sarebbe veloce sulla Terra, cioè metà degli anni '90 Terra, quando le persone stavano ancora utilizzando le connessioni dialup. L'esecuzione di app cloud o la lettura delle mappe ad alta risoluzione di Marte di Google per le indicazioni sarebbe praticamente fuori questione.
Le difficoltà sarebbero ingigantite da capogiro se ti avventurassi oltre Plutone, e ha osato provare a raggiungere un pianeta simile alla Terra in un vicino sistema solare. Ecco perché gli scienziati si sono scervellati per decenni, cercando di trovare modi per raggiungere e toccare qualcuno, come dicevano i vecchi annunci delle compagnie telefoniche, attraverso la spaventosa distesa del cosmo. Ecco 10 delle idee che hanno escogitato nel corso degli anni.
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L'autore di fantascienza Arthur C. Clarke nel 2003. Luis Enrique Ascui/Getty Images L'idea di costruire una rete satellitare che si estenda per quasi l'intera lunghezza di 6 miliardi di chilometri del sistema solare da Mercurio a Plutone suona un po' sbalorditiva. Ma, nel 1945, quando lo scienziato e scrittore di fantascienza britannico Arthur C. Clarke scrisse un articolo su una rivista immaginando una rete di comunicazione globale di satelliti orbitali, che probabilmente sembrava piuttosto bizzarro, pure. Tuttavia, oggi, abbiamo satelliti dappertutto, che consentono di effettuare una telefonata o inviare un SMS o una e-mail praticamente ovunque nel pianeta [fonte:USAF Air University]. E in effetti, i visionari sognavano una versione interplanetaria della rete di comunicazione globale di Clarke ancor prima che i primi satelliti per le telecomunicazioni della Terra venissero lanciati in orbita.
Già nel 1959, gli scienziati spaziali George E. Mueller e John E. Taber hanno tenuto una presentazione a un convegno di elettronica a San Francisco, intitolato "Un sistema di comunicazione interplanetario, " che descriveva come impostare trasmissioni digitali a lunga distanza nello spazio, via onde radio [fonte:Mueller e Taber]. Quarant'anni dopo, due scienziati, Stevan Davidovich e Joel Whittington, delineato un elaborato sistema, in cui tre satelliti sarebbero posti in orbita polare attorno al sole, e altri in orbite geosincrone o polari attorno ai vari pianeti.
I satelliti sarebbero quindi collegati in una rete che potrebbe ricevere messaggi radio da astronavi con equipaggio o sonde robotiche, e poi inoltrarli su o giù per la linea da un pianeta o dall'altro fino a raggiungere la Terra [fonte:Davidovich e Whittington]. Finora, anche se, non c'è stata alcuna mossa per costruire un tale sistema, forse a causa del costo di mettere in orbita più satelliti attorno a corpi celesti distanti è probabile che sia enorme.
L'uso delle onde radio limita la velocità di trasmissione dei dati. Grove Pashley/La scelta del fotografo/Getty Images Come abbiamo accennato nell'introduzione, le trasmissioni di dati nello spazio attualmente sono bloccate a velocità notevolmente inferiori rispetto a Internet a banda larga che siamo abituati ad avere sulla Terra. Il motivo - senza entrare in tutta la matematica fantasiosa - è che a causa delle frequenze relative in cui operano le onde radio, sono limitati nella quantità di dati che possono gestire. (Potresti aver notato questo effetto se disponi di un router Internet wireless a casa o in ufficio:non è veloce o affidabile come una connessione cablata.)
In contrasto, l'energia concentrata di una luce laser, che ha una frequenza minore, può gestire molti più dati. Inoltre, perché i laser non si diffondono tanto quanto le trasmissioni radio, richiedono meno energia per trasmettere i dati [fonte:Ruag.com]. Ecco perché la NASA sta lavorando al Deep Space Optical Communications Project, che passerebbe all'utilizzo di laser invece di trasmettitori e ricevitori radio. Ciò aumenterebbe la quantità di dati trasmessi da 10 a 100 volte rispetto a quanto possono fare gli impianti radio all'avanguardia, che renderebbe Internet interplanetario più o meno veloce come una tipica connessione a banda larga sulla Terra [fonte:NASA]. Ma far funzionare la comunicazione laser nello spazio non è un gioco da ragazzi. La NASA ha eseguito su piccola scala, dimostrazioni a bassa velocità di trasmissione dati laser nello spazio, e sta lavorando allo sviluppo di un sistema per la comunicazione laser che alla fine sarà testato su un satellite in orbita lunare [fonte:NASA]. Infine, la trasmissione di dati laser potrebbe consentire di inviare ad alta definizione, video in diretta da Marte [fonte:Klotz].
Un'immagine composita mostra il rover Curiosity Mars della NASA con il suo braccio robotico esteso per la prima volta su Marte, 20 agosto 2012. Potrebbe esserci un momento in cui ogni oggetto spaziale comunicherà tra loro piuttosto che solo con le stazioni terrestri? NASA/JPL-Caltech/Getty Images In precedenza, abbiamo menzionato l'idea di costruire un'enorme rete di satelliti per comunicazioni dedicati che si estendesse attraverso il sistema solare, che sarebbe un'impresa enorme. Ma potrebbe esserci un più piccolo, modo meno costoso e più incrementale di mettere insieme una rete di questo tipo. Fino a questo momento, ogni volta che abbiamo inviato veicoli spaziali e satelliti nello spazio, di solito hanno comunicato direttamente con le stazioni terrestri e hanno utilizzato software e apparecchiature appositamente progettati per quella particolare missione (e spesso scartati in seguito).
Ma cosa accadrebbe se scienziati e ingegneri equipaggiassero ogni veicolo o oggetto che è stato lanciato nello spazio, dalle stazioni spaziali, telescopi orbitali, sonde in orbita attorno a Marte o ad altri pianeti, e persino rover robotici che esploravano paesaggi alieni, in modo che potessero comunicare tra loro e fungere da nodi di una vasta rete interplanetaria? Se stai cercando una metafora sulla Terra, immagina come il tuo computer portatile, tavoletta, smartphone, console di gioco, la webcam e il centro di intrattenimento domestico potrebbero collegarsi al router Internet wireless e condividere i contenuti tra loro.
Oltre a trasmettere informazioni, idealmente, una tale rete interplanetaria potrebbe collegarsi a Internet sulla Terra, in modo che gli scienziati possano connettersi con satelliti orbitali o rover e controllare cosa stanno vedendo, nello stesso modo che potrebbe andare al sito Web della NASA ora.
"La rete che la NASA costruirà presto potrebbe benissimo essere quella su cui gli scienziati elaboreranno dettagli sorprendenti della geologia marziana, condizioni oceaniche sotto il ghiaccio della gelida luna Europa di Giove, o la turbolenta nube di Venere, "Un articolo del 2005 nella pubblicazione di ingegneria IEEE Spectrum ha spiegato. "Potrebbe essere il modo in cui un esploratore spaziale nostalgico invia e-mail a casa" [fonte:Jackson].
Il design di base di Internet non è favorevole allo spazio:ecco perché gli scienziati stanno creando una versione modificata che utilizza un nuovo tipo di protocollo. Maciej Frolow/The Image Bank/Getty Images Abbiamo già menzionato l'idea di collegare veicoli spaziali e sonde in una vasta rete attraverso lo spazio, in modo che gli scienziati possano collegarsi a loro come fanno a un sito Web su Internet. Ma come sottolineano alcuni critici, questo approccio potrebbe non essere il migliore perché il design di base di Internet non funzionerebbe molto bene nello spazio. Il protocollo Internet che usiamo sulla Terra si basa sulla frammentazione di tutto ciò che trasmettiamo, che si tratti di testo, voce o video in streaming -- in piccoli pezzi di dati, che viene poi rimontato all'altra estremità in modo che qualcun altro possa guardarlo o ascoltarlo. È un bel modo di fare le cose, fintanto che tutte queste informazioni si muovono ad alta velocità con pochi ritardi o pacchetti di dati persi, che non è così difficile da fare sulla Terra.
Una volta nello spazio, dove le distanze sono enormi, gli oggetti celesti a volte si intromettono, e c'è un sacco di radiazioni elettromagnetiche dappertutto per confondere il segnale:ritardi e interruzioni del flusso di dati sono inevitabili. Ecco perché alcuni scienziati stanno lavorando per sviluppare una versione modificata di Internet, che utilizza un nuovo tipo di protocollo chiamato rete tollerante alle interruzioni (DTN). A differenza del protocollo utilizzato sulla Terra, DTN non presuppone l'esistenza di una connessione end-to-end continua, e si blocca su pacchetti di dati che non può inviare immediatamente, fino al ripristino della connessione. Per spiegare come funziona, La NASA usa un'analogia con il basket, in cui un giocatore tiene pazientemente la palla finché un altro giocatore non è aperto sotto il canestro, piuttosto che farsi prendere dal panico e lanciare un tiro pazzesco o gettare via la palla. Nel 2008, La NASA ha eseguito il suo primo test di DTN, usandolo per trasmettere dozzine di immagini da un veicolo spaziale situato a circa 20 milioni di miglia (32,187 milioni di chilometri) dalla Terra [fonte:NASA].
Satellite fluttuante nello spazio, con la luna in primo piano e la terra sullo sfondo. Immagini a grandezza naturale/Getty Una delle grandi sfide nel comunicare con una base su Marte è che Marte è in movimento. Qualche volta, una base potrebbe essere allontanata dalla Terra, e ogni tanto - circa una volta ogni 780 giorni terrestri - Marte e la Terra hanno il sole direttamente tra di loro. Quell'allineamento, chiamato congiunzione , potenzialmente potrebbe degradare e persino bloccare la comunicazione per settimane alla volta, che sarebbe un bel solitario, prospettiva spaventosa se fossi un astronauta o un colono marziano. Fortunatamente, I ricercatori europei e britannici potrebbero aver trovato una soluzione a questo scoraggiante dilemma.
I satelliti normalmente orbitano attorno ai pianeti in orbite kepleriane, prende il nome dall'astronomo del XVII secolo Johannes Kepler, che ha scritto le equazioni matematiche che descrivono come si muovono i satelliti. Ma i ricercatori europei e britannici hanno proposto di mettere un paio di satelliti per comunicazioni attorno a Marte in qualcosa chiamato un'orbita non kepleriana, il che significa sostanzialmente che invece di muoversi in un percorso circolare o ellittico attorno a Marte, sarebbero un po' di lato, in modo che il pianeta non fosse al centro. Per restare in quella posizione, però, i satelliti dovrebbero contrastare gli effetti della gravità, che li attirerebbe verso Marte. Per tenerli a posto, gli scienziati hanno proposto di dotarli di motori elettrici a propulsione ionica, alimentato da elettricità generata dal sole e utilizzando piccole quantità di gas xeno come propellente. Ciò consentirebbe ai satelliti di trasmettere continuamente segnali radio, anche durante i periodi in cui Marte e la Terra sono in congiunzione [fonte:Phys.org].
E se ci fosse una catena di portali tra l'astronave e la Terra? Taxi/immagini Getty Comunicazione interplanetaria, Certo, non riguarda necessariamente solo il nostro sistema solare. Da quando gli astronomi hanno scoperto il primo pianeta in orbita attorno a una stella simile al sole nel 1995, gli scienziati hanno scoperto decine di altri esopianeti, come vengono chiamati i mondi al di fuori del nostro sistema solare [fonte:NASA]. Nell'ottobre 2012 hanno persino scoperto un pianeta delle dimensioni circa della Terra in orbita attorno alla stella Alpha Centrauri B, che è nel sistema di stelle più vicino, a circa 2,35 trilioni di miglia (3,78 trilioni di chilometri) di distanza [fonte:Betts].
È una distanza spaventosamente enorme, per essere sicuro. Ma anche così, alcuni scienziati spaziali immaginano un giorno di lanciare un'astronave gigante che essenzialmente sarebbe un movimento, versione in miniatura autonoma della Terra, in grado di sostenere generazioni successive di astronauti che si avventurerebbero nello spazio interstellare nel tentativo di raggiungere altri pianeti abitabili e possibilmente anche entrare in contatto con civiltà extraterrestri.
Progetto Icaro, un recente sforzo di scienziati spaziali e futuristi per elaborare un progetto per una tale missione, ponderò il problema di come una nave del genere avrebbe continuato a comunicare con la Terra man mano che si spingeva sempre più verso l'ignoto. Hanno trovato una soluzione intrigante:lungo la strada, l'enorme nave scaricava periodicamente taniche di carburante vuote dotate di apparecchiature di trasmissione del segnale, formando una catena che ritrasmettesse i messaggi dall'astronave alla Terra. "L'idea è che con una catena di relè tra Icaro e la Terra, ogni "salto" del segnale è una distanza molto più breve dell'intera distanza di diversi anni luce, "Pat Galea, un ingegnere britannico che ha partecipato al progetto di design, ha scritto nel 2012. "Così potremmo, potenzialmente, ridurre il fabbisogno di potenza del trasmettitore, o la dimensione dell'antenna su Icarus, o in alternativa, aumentare la velocità dei dati che possono essere inviati tramite il collegamento" [fonte:Galea].
Gli scienziati hanno suggerito di costruire diverse stazioni di ricezione del sistema solare, che sarebbero enormi schiere di antenne che si estendono per molte miglia in diverse posizioni sulla Terra. Cultura/Walter Zerla/Getty Images Gli scienziati e i futuristi che lavorano al Progetto Icarus, un tentativo speculativo di progettare un'astronave in grado di raggiungere il sistema stellare più vicino, a circa 2,35 trilioni di miglia (3,78 trilioni di chilometri) di distanza - ho trascorso molto tempo a pensare a come una nave del genere potesse rimanere in contatto con la Terra mentre viaggiava attraverso l'enormità dello spazio interstellare. Nella voce precedente di questo elenco, abbiamo menzionato il concetto di una scia di collegamenti di comunicazione simili a briciole di pane che l'astronave avrebbe lasciato dietro di sé. Ma tornando sulla Terra, coloro che monitorano la missione dovrebbero ancora affrontare la sfida di cercare di raccogliere segnali dall'astronave e filtrare il rumore elettromagnetico ambientale dello spazio, un compito reso ancora più difficile dall'atmosfera terrestre, che indebolirebbe i segnali.
Per massimizzare la capacità di farlo, I pianificatori del progetto Icarus hanno suggerito di costruire diverse stazioni di ricezione del sistema solare, che sarebbero enormi schiere di antenne che si estendono per molte miglia in diverse posizioni sulla Terra. Le antenne di una tale schiera funzionerebbero in sinergia per individuare e catturare i deboli segnali contenenti i messaggi delle navi stellari. (Pensa a questa analogia:se un giocatore di baseball colpisce un fuoricampo in tribuna in uno stadio di baseball, è più probabile che la palla venga presa da un tifoso se gli spalti sono pieni di gente.) Poiché la Terra ruota, le antenne in un particolare SSRS punterebbero verso la lontana astronave solo per una piccola frazione di ogni giorno, e il tempo in quella posizione sulla Terra potrebbe ostacolare la ricezione. Per tale motivo, potrebbe essere saggio costruire più schiere di antenne in luoghi diversi sulla Terra, per garantire che possiamo rimanere in una comunicazione quasi continua [fonte:Galea].
E se l'astronave per le comunicazioni usasse il sole come una lente per ingrandire i segnali dall'astronave e trasmetterli alla Terra? Rob Atkins/The Image Bank/Getty Images Ecco un'altra idea nata dai ricercatori del Progetto Icarus. Secondo le teorie della relatività di Einstein, le forze gravitazionali di oggetti estremamente massicci possono effettivamente deviare la luce che passa vicino a loro e concentrarla, come fa una lente d'ingrandimento manuale. Ciò ha dato al think tank del Progetto Icarus l'idea di utilizzare quell'effetto per focalizzare e potenziare le trasmissioni da un'astronave lontana. Il modo in cui lo farebbero, certo, è un po' difficile da capire per un non fisico:un veicolo spaziale in grado di ricevere trasmissioni di comunicazioni sarebbe posizionato nello spazio interstellare opposto alla direzione in cui sta andando l'astronave, a circa 51 miliardi di miglia (82 miliardi di chilometri) dal sole. Questo è davvero, molto lontano - circa 18 volte la distanza tra Plutone e il sole, infatti -- ma supponiamo che una civiltà terrestre in grado di inviare un'astronave a migliaia di miliardi di miglia dalla Terra possa farlo. L'astronave per le comunicazioni utilizzerebbe quindi il sole come una lente per ingrandire i segnali che riceve dalla lontana astronave, e poi li ritrasmetterebbe sulla Terra attraverso un altro sistema, come una rete di satelliti con collegamenti laser.
"Il potenziale guadagno derivante da questa operazione è immenso, " L'ingegnere Pat Galea ha spiegato a Discovery News nel 2012. "La potenza del trasmettitore su Icarus potrebbe essere ridotta a livelli molto più bassi senza influire sulla velocità dei dati disponibile, o se il potere è mantenuto lo stesso, potremmo ricevere molti più dati di quelli forniti da un collegamento diretto." Per quanto ingegnoso possa sembrare, però, lo schema ha anche alcune complicazioni delle dimensioni di Giove. sarebbe necessario, Per esempio, per mantenere la navicella ricevente, quello che riceve i segnali dall'astronave, abbastanza vicino a perfettamente allineato in ogni momento, e mantenerlo così potrebbe rivelarsi molto, molto difficile [fonte:Galea, Obousy et al].
L'antenna della Goldstone Deep Space Station (Calif.) fa parte del Deep Space Network (DSN), una rete internazionale di grandi antenne e strutture di comunicazione che supportano le missioni spaziali interplanetarie. Harald Sund/The Image Bank/Getty Images Quando le trasmissioni di un'astronave lontana raggiungono la Terra, si sono degradati, al punto in cui un segnale può effettivamente contenere meno di un fotone di energia [fonte:Rambo]. E questo è davvero, veramente debole. Ricorda che i fotoni, le minuscole particelle senza massa che sono la più piccola unità di energia, sono incredibilmente piccoli; un tipico telefono cellulare emette da 10 alla 24a potenza di fotoni ogni secondo [fonte:Università dell'Illinois]. Individuare quel segnale incredibilmente debole dall'irrefrenabile cacofonia dello spazio e dargli un senso potrebbe essere difficile quanto, dire, trovare un messaggio che galleggia in una bottiglia da qualche parte negli oceani della Terra. Ma i ricercatori hanno trovato una soluzione intrigante, secondo il sito Web del programma di tecnologia spaziale della NASA, che sottoscrive quel tipo di problem solving.
Invece di inviare un singolo segnale o impulso di energia, un'astronave che cercasse di comunicare con la Terra invierebbe molte copie di quel segnale, tutto in una volta. Quando i segnali indeboliti arrivarono sulla Terra, il controllo della missione utilizzerebbe un dispositivo chiamato ricevitore ottico strutturato, o ricevitore Guha (dopo lo scienziato, Saikat Guha, chi ha inventato il concetto), per rimontare essenzialmente il minuscolo sopravvissuto, frammenti deboli di tutti quei segnali duplicati, e metterli insieme per ricostruire il messaggio [fonti:Rambo, Guha]. Immaginalo in questo modo:prendi un messaggio digitato su un pezzo di carta, e poi stamparne mille copie, e passarli tutti attraverso un trituratore e poi mescolare i piccoli pezzi che risultano. Anche se butti la maggior parte di quei piccoli pezzi nella spazzatura, quelli che rimangono potrebbero darti abbastanza informazioni per ricostruire il messaggio sulla carta.
Un modello del tunnel Large Hadron Collider (LHC) visto nel centro visitatori del CERN (Organizzazione europea per la ricerca nucleare) a Ginevra-Meyrin, Svizzera. LHC è l'acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. Johannes Simon/Getty Images Non importa quanti gadget incredibilmente complicati sviluppiamo per mettere insieme deboli segnali di comunicazione che lottano per raggiungerci dallo spazio profondo, affrontiamo ancora un altro, problema ancora più impegnativo. All'interno del nostro sistema solare, le distanze sono così grandi che facili, comunicazione istantanea avanti e indietro del tipo a cui siamo abituati sulla Terra:una conversazione video in stile Skype, per esempio -- non è realmente fattibile, almeno con la tecnologia attuale. E se viaggeremo su pianeti al di fuori del nostro sistema solare, diventerebbe praticamente impossibile. Se un'astronave raggiungesse il nostro vicino interstellare più prossimo, il sistema stellare di Alpha Centauri a trilioni di miglia di distanza, ci vorrebbero 4,2 anni per ogni lato di una voce, trasmissione video o di testo per attraversare quella distanza incredibilmente grande. Ecco perché i visionari sono stati a lungo incuriositi dall'idea di trasmettere messaggi tramite fasci di particelle subatomiche che viaggerebbero più velocemente della luce.
Wow, sembra una soluzione facile, non è vero? Ma indovina ancora. Perché questo schema funzioni, apparentemente dovremmo fare un grande buco nella teoria della relatività speciale di Einstein, che proibisce a qualsiasi cosa di muoversi più velocemente della velocità della luce. D'altra parte, forse no. Nel 2012, due matematici hanno pubblicato un articolo su una rivista scientifica britannica, affermando che c'è un modo per sgranocchiare i calcoli di Einstein e mostrare che le velocità più veloci della luce sono davvero possibili [fonte:Moskowitz]. Ma se quei dissidenti si rivelano aver ragione, dovremmo ancora trovare qualche prova che le particelle possono muoversi più velocemente della velocità della luce, e finora non l'abbiamo fatto.
C'è stato un esperimento del 2011 molto pubblicizzato, in cui i ricercatori dell'acceleratore di particelle del CERN in Europa presumibilmente hanno cronometrato le particelle chiamate neutrini che si muovono molto più velocemente del limite di velocità di Einstein. Ma come si è scoperto, un problema tecnico nel cavo in fibra ottica nell'attrezzatura dei ricercatori apparentemente ha causato una lettura errata (non è stato collegato completamente) [fonte:Boyle]. Che ha messo il kibosh sulle prospettive di un neutrinofono cosmico, almeno per il momento.
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