Wie können wir eine Datenkommunikations-Relaiskette für die Erforschung des Weltraums bilden?

Die Leistung von Weltraumsonden ermöglicht eine HF-Kommunikationskapazität von wenigen kbps aus einem Bereich wie Pluto-Erde. Wenn wir in die Optik gehen, wird die Reichweite besser sein. Aber natürlich wollen wir Scouts (kleine Sonden) in weit entfernte Galaxien schicken. Dies würde möglicherweise eine Kette von Kommunikationsrelais (oder beispielsweise Repeatern) erfordern.

Wie können wir diese Repeater zu welchen Zeiten senden, damit sie immer wie ein Zug in Bewegung bleiben und wir die Kommunikation mit der Sonde aufrechterhalten?

(Irrelevant, aber die Repeater wären wahrscheinlich kleiner, aber sie sollten in der Lage sein, die gleichen Geschwindigkeiten wie die Sonde zu fahren, und sollten einen Strahl in Richtung der Sonde (oder des vorderen Repeaters) und einen anderen Strahl in Richtung des hinteren Repeaters haben.)

"Natürlich wollen wir Scouts (kleine Sonden) in weit entfernte Galaxien schicken." Gab es ernsthafte Vorschläge, so etwas auch nur annähernd zu tun? Ich bin nicht pingelig; Wenn es einen solchen Vorschlag gibt, wäre ich sehr daran interessiert, darüber zu lesen, also geben Sie bitte eine Art Zitat für diese Aussage an. Die einzigen Missionen, von denen ich je gehört habe, waren in unserem Sonnensystem; Die Voyager haben das Sonnensystem verlassen, sind aber noch weit, weit, weit entfernt vom nächsten Stern, ganz zu schweigen von anderen Galaxien. Eine intergalatische Mission wäre ein gigantisches Unterfangen, egal wie man es aufteilt.
@MichaelKjörling, ich bin nicht im Bereich Weltraum tätig, aber die Neugier der Menschheit ist unaufhaltsam, wenn es darum geht, darüber nachzudenken, was als nächstes kommt (erreichbar oder nicht). Ehrlich gesagt weiß ich nicht, ob es wirkliche Studien zum Springen in andere Galaxien gibt. Die Frage könnte gestellt werden, um sich auf Reisen von der Sonne zum nächsten Stern zu konzentrieren, aber ich denke, es ist zu spät, sie jetzt neu zu formulieren.

Antworten (2)

Wenn Sie eine Sonde zu einem anderen Stern mit der Art von Technologie schicken wollen, an die wir heute denken (wenn nicht sogar entwerfen und bauen) können, sprechen Sie von einer Mission, die Hunderte von Jahren dauert; Die nächsten Sterne sind mehr als 8000-mal weiter entfernt als Pluto.

Wir haben nicht die geringste Ahnung, wie man eine Sonde in die nächste Galaxie schickt, ganz zu schweigen von „weit entfernten Galaxien“.

Aber im allgemeinen Fall können Sie, glaube ich, durch einfaches Senden von Relais auf einem folgenden Kurs in festen Intervallen hinter der Hauptsonde das Problem des inversen quadratischen Gesetzes in ein ungefähr inverses lineares umwandeln - 100 Relais mit jeweils einer Sendeleistung x können a übertragen Signal 10 mal so weit wie eine einzelne Sonde der Leistung 100 x . Für eine interplanetare Mission, die in angemessener Zeit durchgeführt wird, ist das Delta-V, das durch die Schwerkraftunterstützung eines Jupiter-Vorbeiflugs bereitgestellt wird, eine relativ kleine Komponente. Vielleicht könnte die primäre Sonde mit einer schweren wissenschaftlichen Nutzlast Jupiter verwenden, um die Geschwindigkeit der leichteren Relais zu erreichen, die nach ihr gestartet würden.

Bei einer interstellaren Mission käme Solarenergie nicht in Frage (es sei denn, Sie berücksichtigen eine absurd große Anzahl von Relaisstationen mit wirklich geringer Leistung), sodass die Lebensdauer der Stromquellen der Relais eine große Einschränkung darstellen würde. RTGs sind die Stromversorgung der Wahl für unsere äußeren Systemsonden, und ihre Leistung lässt über einige Jahrzehnte nach.

Es scheint sehr hypothetisch, aber würde ein einziger Ausfall einer dieser Sonden das gesamte System unbrauchbar machen?
Unter der Annahme, dass die Sonden nahe genug beieinander und leistungsfähig genug sind, um normalerweise hohe Datenraten zu erreichen, und nicht in der Lage sind, signifikant zu manövrieren, um die Lücken zwischen ihnen zu schließen, würde ein einziger Knockout höchstwahrscheinlich die beiden benachbarten Relais dazu zwingen, auf eine niedrigere Datenrate umzuschalten zwischen ihnen, was die gesamte Pipeline verstopfen würde, als ob Sie zu Beginn nur halb so viele Relaisstationen hätten. Es könnte so gestaltet werden, dass es "anmutig" abgebaut wird, aber es würde definitiv abgebaut werden.
Gute und nützliche Antwort. Eines meiner Hauptanliegen war die Möglichkeit, "Staffeln auf einem folgenden Kurs in festen Abständen hinter die Hauptsonde zu schicken". Können wir das wirklich? Würde es einen jährlichen regelmäßigen Start erfordern? Würden Planeten jedes Jahr Gravitationsunterstützung zulassen? Die Sonne bewegt sich auch. Das sind die Themen, nach denen ich suche.
Die Kommunikationszuverlässigkeit ist nicht Teil der Frage, aber es ist ein sehr gültiges Argument, dass das System irgendwann nachlassen würde. Sie könnten die Kosten erhöhen und/oder die gesamte Kette beschleunigen, um die defekte Funktion zu ersetzen. (Jeder hinter dem kaputten nimmt den Platz des unmittelbar vorn ein). Das bedeutet, dass jeder Repeater für Zeiten des Bedarfs überschüssigen Schub haben sollte. Power ist etwas zuverlässiger, denke ich.
Damit eine interstellare Reise auch nur annähernd praktikabel ist, benötigen Sie eine Antriebstechnologie, die ehrgeizig genug ist, dass die Unterstützung der planetaren Schwerkraft ein Tropfen auf den heißen Stein ist. Ich würde also davon ausgehen, dass Sie sie ignorieren und jedes Relais in einem nahezu festen Intervall senden würden. ja.
Was innerhalb des Sonnensystems in den nächsten hundert Jahren oder so praktisch sein könnte, ist eine ganze Reihe von Relais in kreisförmigen Sonnenumlaufbahnen entlang der Ekliptik, zum Beispiel bei 3, 6, 9 usw. AE von der Sonne entfernt, mit mehreren Satelliten im Abstand ungefähr 3AE auseinander entlang jeder Umlaufbahn. Auf diese Weise gibt es nirgendwo in der Nähe der Ekliptik, die mehr als 3 AE von einem Knoten im Netzwerk entfernt ist, und Sonden, die zu einem der Planeten gehen, können sie verwenden. (Sie müssten Besuche bei Pluto und anderen stark geneigten Zielen für Zeiten einplanen, in denen sie sich in der Nähe der Ekliptik befanden.)
Die genaue Konfiguration des Netzwerks würde sich ständig ändern, weil die Umlaufzeiten alle unterschiedlich sind, aber es hätte den Vorteil, dass der Verlust eines Knotens es kaum beeinträchtigen würde; Sie könnten es immer umgehen, bis ein Ersatz in Position gebracht wurde. Die Lichtgeschwindigkeitslatenz würde sich mit der Umleitung erhöhen, aber der Durchsatz würde nicht verringert.
@RussellBorogove, die Kommentare hier verdienen es, in der Antwort zu sein, sie sind sehr hilfreich. insbesondere, dass für eine interstellare Mission keine Schwerkraftunterstützung erforderlich wäre.

Claudio Maccone hat darauf gedrängt, die Physik der Radiowellen- und Lichtausbreitung, nämlich Gravitationslinsen , geschickt auszunutzen .

Die Hauptidee (zugeschrieben von Eshleman aus Stanford - 1979) besteht darin, eine Sonde (oder mehrere) zum nächsten Stern zu schicken UND ein großes Weltraum-Radioteleskop in eine entgegengesetzte Richtung relativ zur Sonne zu schicken, 550 bis 740 AE entfernt. Die Sonne würde die Übertragung von der Sonde fokussieren und so bei der Wellenlänge von 21 cm etwa 57,5 ​​dB gewinnen – diese Verstärkung kann von DSN-Schüsseln auf der Erde nicht erreicht werden. Sicherlich ist es aus wirtschaftlicher Sicht besser, ein Radioteleskop und eine Sonde statt tausend oder hundert zeitlich beabstandeter Sonden zu schicken (für die gleiche Reihenfolge erwarteter wissenschaftlicher Ergebnisse).

So funktioniert Lensing

FOCAL-Missionszeichnung 1

Wie man das interstellare Kommunikationsnetzwerk organisiert

Nicht maßstabsgetreu

Andere technische Tricks und Tipps, um das Problem zu zwitschern (kein Wortspiel beabsichtigt).

  • EIRP erhöhen . Installieren Sie anstelle eines RTG mit zerfallendem Brennstoff einen Kernreaktor mit (sagen wir) Natriumkühlmittel, lassen Sie ihn bis zum Vorbeiflug am Planetensystem des Zielsterns ausgeschaltet, schalten Sie ihn ein und übertragen Sie alles, was Sie übertragen möchten.

  • Machen Sie die Kommunikation asymmetrisch (ein Laser-Downlink und ein Mikrowellen-Uplink), siehe die Veröffentlichung von Boone et al. (2002).

  • Ein anderer exotischer Gedankengang stützt sich auf Neutrinos. Das Senden eines Reaktors wird irgendwie dabei helfen, einige Neutrinos zu erzeugen, aber wir haben keine Möglichkeit, genug Neutrinos zu erzeugen, um die schrecklich großen Entfernungen zu überbrücken, und keine Möglichkeit, sie zu fokussieren. Sci-Fi vom Feinsten, und der "Sci"-Teil ist überhaupt nicht realistisch. Natürlich können Sie Antimaterieantrieb bereitstellen und über modulierten Schub kommunizieren - aber denken Sie bitte daran, dass Antimaterie unerschwinglich teuer ist.

  • Bitte beachten Sie auch die Datenmenge, die Sie übermitteln möchten. In interstellaren Entfernungen bewegt sich Ihre Sonde im Wesentlichen in einer geraden Linie, und es gibt kaum oder gar keine Möglichkeit, die Flugbahn abzulenken, um genau auf den anderen Stern oder einen seiner Planeten zu zielen, falls eine unerwartete Anomalie auftaucht. Daher wird der Vorbeiflug des Systems des anderen Sterns ganz anders sein als der von New Horizons - Sie werden hauptsächlich multispektrale Daten von weit her zurücksenden - ein paar Punkte hier, ein paar Punkte dort, Spektralanalyse der Atmosphäre, Zusammenfassung der abgefangenen Funkübertragungen :) Das war es mehr oder weniger. Keine vollfarbigen Spionage-Satellitenbilder, keine Live-Feeds. Daher ist der Bedarf an Hochgeschwindigkeitskommunikation nicht so groß, wie Sie dachten.

Verweise

  • Deep Space Flight and Communications: Nutzung der Sonne als Gravitationslinse Claudio Maccone. Springer, 2009.
  • Von R. Eshleman. Gravitationslinse der Sonne: Ihr Potenzial für Beobachtungen und Kommunikation über interstellare Entfernungen. Wissenschaft, 205 (1979). S. 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. und Nicholas G. Dagalakis. Konzeptionelles Design eines optischen und Mikrowellen-Kommunikationssystems für eine realistische interstellare Sonde, Proc. SPIE 4821, Free-Space Laser Communication and Laser Imaging II, 225 (1. Dezember 2002) DOI https://dx.doi.org/10.1117/12.451807
Erwähnenswert ist, dass die nächsten Sterne mehr als 265.000 AE entfernt sind; Der Primärstern Ihres Gravitationsteleskops ist daher etwa 400-mal näher an der Erde als eine Alpha-Centauri-Sonde. Hochgeschwindigkeitskommunikation bei 600-700 AU ist ein Problem, das dem Studenten als Übung überlassen wird? ;)
@RussellBorogove - Sie kennen die Routine - je geringer der Gesamtverlust, desto höher die Bitrate. Erhöhen Sie auch die EIRP.
In wenigen Worten, was ist das Interesse daran, die Wellen an der Sonne vorbei und (viel) weiter als die Erde zu schicken?
@NicolasBarbulesco - die Sonne fungiert als Linse, fokussiert Radiowellen und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
Deer Hunter (armes Reh!), großartig! Ich verstehe, dass dies die Schwierigkeit ersetzt, aus sehr großer Entfernung genau auf die Erde zu zielen.
@NicolasBarbulesco - Ausrichtungsfehler, schiere Entfernung, kleine Antenne an der Sonde - alles verschwört sich, um das interstellare Kommunikationsproblem zu verschlimmern. Siehe en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation
@DeerHunter, das ist eine gute Antwort, die viel lehrt. Die Frage war jedoch, "wie man Relais sendet", und dies scheint eine gute Lösung für die Seite des Sonnensystems des Problems zu sein. Der Vollständigkeit halber könnten Sie den Hauptteil einbeziehen (z. B. wie sich aufeinanderfolgende Repeater fortbewegen / aufeinander folgen usw.). und ich würde Ihre Antwort gerne als Antwort akzeptieren.
@GürkanÇetin - der Punkt ist, dass Sie keine Repeater haben müssen. Wir können die nächstgelegenen Sterne in unserer lokalen Blase auf die wirtschaftlichste Weise erkunden, indem wir die Sonden auffächern und direkt senden.
Vielleicht möchte man auch ein paar Relais nach dem FOCAL-Raumschiff schicken, da es weiter und weiter gehen wird und schon 550 AE eine Herausforderung sind. Übrigens stelle ich fest, dass Eshleman im selben Jahr auf die Idee kam, als die erste Gravitationslinse beobachtet wurde, das Twin-QSO
@LocalFluff - in der Tat ist alles bei 100 AU und darüber sehr schwer zuverlässig zu kontrollieren. Fast alles, was wir zu den Sternen schicken, muss über autonome Reparatur-/Kontrollfähigkeiten verfügen.
Wie können wir eine Datenkommunikations-Relaiskette für die Erforschung des Weltraums bilden?
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