Wie könnte eine Übertragung drahtlos vom Grund des europäischen Ozeans zur Erde übertragen werden?

Die Kommunikation und die verfügbaren Datenraten laufen auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) hinaus: die Leistung des Signals innerhalb der Bandbreite eines Empfängers dividiert durch die Rauschleistung, die der Empfänger in dieser Bandbreite sieht. Dies gilt unabhängig davon, ob der Empfänger elektromagnetisch (Funk, Laserkommunikation usw.) oder akustisch ist. Sobald Sie ein SNR erhalten, das höher ist als der Schwellenwert zum Herstellen einer Verbindung, gilt: Je höher das SNR, desto höher die Datenrate, die Sie unterstützen können.

Das Einspeisen von Daten in eine Kommunikationsverbindung erfolgt über Modulation , bei der einige Eigenschaften der Welle (Amplitude, Frequenz, Phase usw.) variiert werden, die der Empfänger erkennen kann. Verschiedene Modulationsschemata und Datencodierungsschemata haben unterschiedliche Verbindungsschwellenwerte. Wenn Sie versuchen, in einer Umgebung zu kommunizieren, die ernsthafte Herausforderungen für das SNR darstellt, dann würden Sie wahrscheinlich ein Schema mit einer niedrigen Schwelle verwenden.

OK, was fordert SNR heraus? In der Weltraumtelekommunikation wird das SNR normalerweise als das Verhältnis Eb/No definiert, wobei Eb die Gesamtenergie pro übertragenem Datenbit in den Empfänger und No die Rauschenergie ist, die der Empfänger sieht, während dieses Bit empfangen wird. Beides kann erhebliche Herausforderungen mit sich bringen.

Wenn No Null wäre, wäre die Kommunikation mit sehr geringer Signalleistung einfach. Aber Nein ist niemals Null; Sogar der Empfänger selbst und seine Antenne (ein akustisches System würde es als Wandler oder "Mikrofon" bezeichnen) erzeugen ein gewisses Rauschen. In elektromagnetischen Systemen wird dieses selbsterzeugte Rauschen üblicherweise durch die „ Systemrauschtemperatur “ charakterisiert" und es gibt Äquivalente in akustischen Systemen. Natürlich kann auch die Umgebung Lärm erzeugen. Bei Jupiter erzeugen verschiedene Mechanismen reichlich elektromagnetische Signale: Blitze in Jupiters Atmosphäre, Synchrotronstrahlung von den mächtigen Strahlungsgürteln usw. Aber alle diese haben ziemlich hohe Frequenzen im Vergleich zu den niedrigen Frequenzen, die Sie zum Durchdringen von Salzwasser oder stark zerbrochenem Eis verwenden würden.Für solche elektromagnetischen Kommunikationssysteme ist die Rauschumgebung in Europa wahrscheinlich nicht schlecht.

Bei akustischen Systemen kann die Geräuschumgebung wirklich schlecht sein. Starke Tidenbiegung (auch hier) der Eisschale könnte die Umgebung zu etwas machen, als würde man versuchen, den weichen Teilen von Debussys „Reverie“ zuzuhören, während jemand im selben Raum Eis in einem Mixer zerkleinert! Das knackende, sich bewegende Eis könnte eine Menge Lärm machen. Aber es hängt etwas von Europas seismischem Stil ab: Knirscht und knistert es fast ununterbrochen bei relativ kleinen, lokalen Ereignissen oder bricht es nur gelegentlich bei großen Ereignissen los? Wir wissen es nicht. Die erste ist sehr schwer zu umgehen und treibt das System normalerweise auf eine hohe Leistung, was eine Herausforderung ist, auf die ich später mehr eingehen werde. Die zweite kann gehandhabt werden, indem man weiß, dass während des großen Ereignisses die Kommunikation unterbrochen wird und während eines solchen Ereignisses gesendete Daten erneut übertragen werden können, nachdem das Ereignis vorbei ist. Aber da wir den seismischen Stil Europas nicht kennen,

Die empfangene Signalleistung ist der andere wichtige Faktor. Für akustische Systeme ist Wasser – ob salzig oder nicht – ein ausgezeichneter, verlustarmer Leiter. Schwebende feste Partikel können eine leicht erhöhte Absorption verursachen, aber in Europas Ozean wird nur wenig Schwebstoff erwartet. Festes Eis ist auch ein guter Leiter. Stark gebrochenes Eis ist nicht ganz so gut, aber für lange Wellenlängen ist es kein ernsthaftes Problem. Signalverluste (Absorption oder Streuung der Energie eines Signals, wodurch die Signalintensität verringert wird) sollten für akustische Systeme bei Europa nicht schlecht sein .

Für elektromagnetische Systeme ist Salzwasser eine große Herausforderung. Seine elektrische Leitfähigkeit verursacht eine erhebliche Absorption von elektromagnetischen Wellen, die ihn durchdringen, mehr bei höheren Frequenzen als bei niedrigen Frequenzen. Aus diesem Grund verwenden die Navy-Kommunikationssysteme für U-Boote ELF-Wellen (Extremely Low Frequency), die zwangsläufig sehr niedrige Datenraten liefern. Und je salziger das Wasser, desto schlechter die Signalabsorption. Die Absorption wird durch einen Verlust in logarithmischen Einheiten (wie Dezibel (dB) für Ingenieure, optische Tiefen für Wissenschaftler) pro Entfernung gekennzeichnet. Zum Beispiel bedeutet ein Verlust von 3 dB (ein Faktor von ~1/2) pro km, dass ein Signal, das von einer Quelle gesendet wird, 1 km entfernt ohne empfangen wirdjede Absorption am Empfänger eine Intensität x hat, dann wäre bei der Absorption die Intensität x/2, also halb so groß. Ein weiterer Kilometer Entfernung würde die Intensität auf ~1/4 (ein weiterer Faktor von ~1/2) des No-Loss-Werts reduzieren und so weiter. Wenn die Kommunikationsentfernung viele Kilometer beträgt, wird die Signalintensität auf einen winzigen Bruchteil des verlustfreien Werts reduziert. Aus diesem Grund verwenden verschiedene Arten von Kommunikationssystemen Repeater , Stationen, die ein Signal von einer Quelle empfangen und es dann mit höherer Leistung als empfangen an den nächsten Repeater oder den Endempfänger weitersenden. Akustische "Pucks" würden den gleichen Ansatz verwenden.

Bei der Verwendung von Repeatern treten Bedenken hinsichtlich der Stromversorgung auf. Ein System mit mehreren Repeatern kann sich nicht die Masse leisten, um 100-kg-Repeater zu haben, von denen die meisten teure Batterien wären (weil die Batterien bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden müssen), wenn sie mit hoher Leistung betrieben werden. Die Repeater müssen mit geringer Leistung betrieben werden, um ihre meist batteriebetriebene Masse gering zu halten, und das bedeutet, dass die Entfernung von einem Repeater zum nächsten relativ kurz sein muss, und das bedeutet viele Repeater, sodass wir immer noch mit einer Massenstrafe konfrontiert werden . Ein Kabel wäre viel leichter – aber siehe unten!

Gebrochenes Eis kann auch ein Hindernis für Funksignale sein, aber wie die akustischen Signale verringern niedrigere Frequenzen die Signaldämpfung. Angesichts der Tatsache, dass die Oberfläche Europas Nicht-Eis-Bestandteile enthält (interpretiert als Salze und möglicherweise andere Arten), enthält das Eis unter der Oberfläche diese wahrscheinlich ebenfalls, und sie können Radioabsorption verursachen.

Was Eb/No-Bedenken anbelangt, so hat die Akustik kein inhärentes Problem mit Eb (aufgrund der guten Schallleitungseigenschaften), aber wahrscheinlich Probleme mit einem großen Nein – obwohl wir uns nicht sicher sind, da wir den seismischen Stil von Europa nicht kennen. Radio hat kein Problem mit Nein, aber ernsthafte Probleme mit Eb aufgrund der starken Signalabsorption in Salzwasser und möglicherweise in nicht reinem Eis, von denen keines mit einer angemessenen Genauigkeit bekannt ist.

Übrigens, Kabel haben auch ihre Probleme: Wenn das Eis sehr mobil ist (viele aktive Fehler und Risse), kann es leicht ein Kabel durchtrennen.

Diese Diskussion – benutzen wir Funk, Akustik oder Kabel? – wird in der planetaren Missionsgemeinschaft fortgesetzt, ohne starke Schlussfolgerungen, verständlich angesichts des Mangels an Daten über die relevanten Umweltbedingungen.

Ich war kürzlich in einem Team, das Experimente bei Europa vorschlug, und einige der Teammitglieder befürworteten nachdrücklich den akustischen Ansatz, mit Begründung auf der Grundlage von Modellen dessen, was Europas Eispanzer tun könnte. Bis wir aktuelle Daten haben, könnten Argumente, die auf Modellen des Verhaltens von Eisschalen bei Temperaturen basieren, die weit von unseren Erfahrungen mit irdischen Eisschalen entfernt sind, genauso gut versuchen, ihre Schlussfolgerungen zu rechtfertigen mit: "Weil Fußbälle nicht gerade abprallen." Ich persönlich denke, wir müssen mit einem einfachen Lander beginnen, um den seismischen Stil und die Eisbedingungen zu messen, und dann einen komplexeren Lander auf eine nachfolgende Mission mit einem Eisdurchdringungssystem schicken, um unterirdische Erkundungen durchzuführen.