Wie tief könnte ein Kommunikationsnetz eines Gasriesen vordringen?

Am JPL nahm ich an mehreren Studien teil, die sich mit Telekommunikation aus der Tiefe bei Jupiter (und anderen Riesenplaneten) befassten. Im Allgemeinen gilt bei Funktelekommunikation aus der Jupiteratmosphäre: Je niedriger die Frequenz, desto tiefer kann man eindringen. Aber es gibt eine praktische Grenze.

Oberhalb des 100-bar-Niveaus (die Tiefe in der Atmosphäre, in der der Druck 100 bar beträgt) erfolgt die Absorption von Funkwellen größtenteils durch Ammoniakdampf und Wasserdampf. Diese Moleküle haben Absorptionslinien von Wellenlängen von einigen zehn cm (dort nicht sehr viele, und sie sind schwach) bis hin zu starken Rotations- und Vibrationslinien , und es gibt Unmengen von ihnen, bei Sub-mm- und kürzeren Wellenlängen. Diese starken Linien machen die Telekommunikation bei kurzen Wellenlängen in beträchtlicher Tiefe unpraktisch. Wenn der Druck zunimmt, erhöht sich die Linienbreite einer gegebenen Linie(das Frequenzband, über dem es eine signifikante Absorption gibt) nimmt ebenfalls zu, sodass jede Leitung mehr Kommunikationsbandbreite beansprucht, sich schließlich mit anderen überlappt und große Bänder unbrauchbar macht. Selbst weit (in der Frequenz) von der Linienmitte trägt eine Linie zu einer gewissen Absorption bei, und dieser Beitrag nimmt zu, wenn der Druck zunimmt. Bei Funkwellenlängen, die um Größenordnungen in der Frequenz von den Sub-mm- und IR-Linienzentren entfernt sind, können hohe Drücke dazu führen, dass die "Flügel" (entfernte Enden einer Absorptionslinie) starker Sub-mm / IR-Linien mehr Absorption verursachen als die Linien innerhalb des Funkbandes. Obwohl diese Literaturstelle die Absorption bei optischen Wellenlängen diskutiert, gelten die gleichen Prinzipien, wenn auch mit unterschiedlichen Absorptionsmechanismen.

Glücklicherweise ist die Absorption auf den Low-Side-Schwänzen umso schwächer, je weiter Sie von den Linienzentren entfernt sind. Je niedriger Sie also in der Frequenz gehen, desto weniger Absorption erhalten Sie. Je niedriger die Frequenz, desto weniger Bandbreite haben Sie leider für die Kommunikation, also niedrigere Datenraten, Videoauflösung usw. Dies ist der Telekom-Handel, der gemacht werden muss: Wie tief müssen Sie gehen, welche Datenrate tun Sie benötigen, welche Frequenzen sind praktikabel (niedrige Frequenzen bedeuten größere, schwerere und klobigere Komponenten wie Antennen, Wellenleiter usw.) und wie viel Leistung müssen Sie in das Signal pumpen, um es zum Empfänger zu bringen? Je mehr Leistung Sie benötigen, desto größer und schwerer ist das Netzteil.

Wenn Sie unter die 100-bar-Marke gehen, werden andere Moleküle beteiligt, wie z. B. Phosphin, mit Absorptionslinien bis hinunter in den MHz-Bereich. Sogar Wasserstoff zeigt ein gewisses kollisionsinduziertes ( Molekular-zu-Molekül- Kollisionen, nicht Kollisionen mit dem Fahrzeug!) Absorptionsvermögen. Die Atmosphäre dort unten wird ziemlich undurchsichtig.

Aber es kommt noch schlimmer. Je tiefer man kommt, desto heißer wird es. An einem gewissen Punkt (ungefähr 1000-1500 K) reicht die Kombination aus Temperatur und Druck aus, um einige der atmosphärischen Bestandteile zu ionisieren, sodass die Atmosphäre elektrisch hochgradig leitfähig wird. Es ist, als würde man versuchen, durch Metall zu übertragen! Sogar mit @uh-ohs VLF oder ELF.

Bevor ich das JPL verließ, um ein Leben als Berater zu führen, suchten sie immer noch nach praktischen Wegen, um vom 100-Bar-Niveau am Jupiter mit einem Überkopf-Relaisfahrzeug zu kommunizieren – einem Orbiter, einem vorbeifliegenden Raumschiff, was auch immer. Ich schlug einen Ansatz vor, der am vielversprechendsten erschien: Verwenden Sie eine abgestufte Sonde, bei der ein Teil einen großen Fallschirm entfaltet und hoch in der Atmosphäre bleibt, während ein anderer Teil tief geht und nur die relativ kurze Entfernung zum oberen Teil kommunizieren muss; dann leitet der obere Teil an das Raumfahrzeug weiter. Sie können sogar drei oder mehr Stufen verwenden. Das Hauptproblem war, dass Jupiters starke Windscherung dazu führt, dass der obere seitlich weit von den tieferen entfernt getragen wird, wodurch sich die Relaisverbindung schnell verschlechtert. Wir dachten darüber nach, wie wir das angehen könnten, aber sie alle beinhalteten ziemlich komplexe Systeme und wurden als zu riskant angesehen.

Die Frage und Kommentare haben nicht-elektromagnetische Mittel der Telekommunikation erwähnt. Ton ist nicht sehr nützlich, wie @AJN sagt, weil es so aussieht, als wäre Jupiters Atmosphäre ein riesiger, komplexer Sturm. Der Rauschpegel wäre sehr hoch, was bedeutet, dass Sie viel Kraft in den Klang stecken müssten, um ein brauchbares Signal-Rausch-Verhältnis ('SNR') zu erhalten. @James schlug Gravitationswellen vor, aber irgendwann auf der ganzen Linie ... weit auf der ganzen Linie ... weit, weit auf der ganzen Linie! Lassen Sie mich wissen, wann ich einen Gravitationswellengenerator mit nutzbarer Leistung kaufen kann, der kleiner und leichter als ein Neutronenstern ist! Auch ein Empfänger, viel kleiner, leichter und empfindlicher als LIGO. Die meisten teilchenbasierten Schemata (wie Neutronen) leiden auch unter der dichten Atmosphäre, wie @Jon Custer anspielt: Der mittlere freie Weg ('MFP') in der tiefen Atmosphäre ist kurz im Vergleich zu der Ausbreitungsweglänge, die erforderlich ist, um aus der Atmosphäre herauszukommen . Neutrinos haben viel längere MFPs, haben aber einige der gleichen Probleme wie Gravitationswellensysteme: Praktische Systeme müssen viel kleiner und leichter als Super-Kamiokande sein .

Der Vorschlag von Relaisknoten mit Heißluftballons ist eine Version meiner Staged-Probe-Methode. Die beiden Hauptprobleme sind die Windscherung, die den Stapel schnell ausbreitet, und: Sie erhalten nicht viel Auftrieb durch Heizluft, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht. Die niedrige Molekülmasse ist ein großes Problem, das das Erhitzen einer großen Luftmasse erfordert. Je mehr Luft Sie zu erhitzen versuchen, desto größer (und schwerer) wird die Ballonhülle und desto mehr Wärme müssen Sie aufgrund von Konvektions- und Strahlungsverlusten zuführen. Vor vielen Jahren habe ich eine verwandte Berechnung durchgeführt: mit 238-Pu (dasselbe Isotop, das sie in NASA RTG verwendens als Wärmequelle), wie groß muss ein Pu-beheizter Ballon sein, um sein Eigengewicht und das Gewicht des Pu zu tragen? Unter Verwendung der damals verfügbaren Materialien mit dem höchsten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht konvergierte es schließlich in einem Ballonradius von etwa 30 km und benötigte Megatonnen Pu. Und das ganz ohne Nutzlast !

Die Kommunikation in und aus planetarischen Innenräumen war und ist weiterhin ein Problem, das viele kluge Menschen immer noch am Kopf kratzen lässt.