關於星際通信的10個最佳思路！
地球上的人們怎麼能與火星上的人們聯繫- 甚至是木星？
在地球上，我們已經習慣了拔出智慧型手機，能夠在地球表面幾乎任何地方進行交談，發簡訊或發送和接收照片和視頻。此外，我們越來越依賴於利用網際網路上龐大，迅速增長的信息來指導我們，無論我們是在嘗試進行科學研究還是找到最快的預約路線。
但是我們習以為常的那種瞬時訪問和帶寬在空間中還不存在。例如，巨大的空間距離為電子通信創造了巨大的滯後時間，並且信號必須通過一股降低其清晰度的空間輻射從另一個行星的表面返回地球。為了使它變得更加困難，行星本身不斷運動，並且它們可以進入其質量 - 或太陽的質量- 可以阻擋信號的位置。
如果你想像你是一名被派去在火星上建立殖民地的太空人，他與地球的距離在3500萬到1.4億英裡（56和2.26億公裡）之間變化，那些阻礙通信的障礙可能是一個令人生畏的問題。 。如果您嘗試使用現有技術與地球上的任務控制進行對話或發送文本，則會有3到21分鐘的延遲時間。這可能會使談話變得非常困難。想像一下，你發現了一些非常不可思議的東西，並希望向他們展示。您可能會費力地傳輸靜態照片，但忘記從火星表面流式傳輸實時視頻圖像; 美國國家航空航天局承認，我們現在擁有的小工具水平是不可能的。即使最近進行了升級，火星上的機器人漫遊者只能實現每秒僅大約256千比特的數據傳輸速率。這在地球上會很快 - 也就是20世紀90年代中期的地球當人們還在使用撥號連接時。
如果你冒險經過冥王星，並且敢於嘗試到達鄰近太陽系中的地球行星，那麼這些困難將會令人難以置信地放大。這就是為什麼科學家幾十年來一直在絞盡腦汁，試圖找到方法來接觸和觸摸某人，正如舊電話公司曾經說過的那樣，跨越令人生畏的宇宙。以下是他們多年來提出的10個想法。
10、建立星際通信衛星網絡
建造衛星網絡的想法幾乎讓整個太陽系長達37億英裡（60億公裡）從水星延伸到冥王星，這聽起來有點令人難以置信。但是，早在1945年，英國科學家和科幻小說家阿瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）撰寫了一篇雜誌文章，展示了軌道衛星的全球通信網絡，這看起來似乎也非常古怪。然而，今天，我們到處都有衛星，這使得有可能在地球上的任何地方撥打電話或發送文本或電子郵件。實際上，甚至在第一顆地球電信衛星被射入軌道之前，有遠見的人就夢想成為克拉克全球通信網絡的行星際版本。
早在1959年，太空科學家George E. Mueller和John E. Taber在舊金山舉行的電子大會上做了題為「行星際通信系統」的演講，該系統描述了如何通過無線電建立太空中的長距離數字傳輸。波浪。四十年後，兩位科學家Stevan Davidovich和Joel Whittington勾勒出了一個精心設計的系統，其中三顆衛星將被放置在太陽周圍的極軌中，而其他衛星則繞地球同步或極地軌道運行。
然後這些衛星將被連接到一個網絡中，該網絡可以從載人太空船或機器人探測器中獲取無線電信息，然後將它們從一個行星或另一個行星上下傳播直到它們到達地球。然而到目前為止，還沒有任何建立這樣一個系統的舉動，也許是因為將多顆衛星送入遠處天體軌道的成本可能是巨大的
9、從無線電信號切換到雷射器
使用無線電波限制了數據傳輸的速度。
正如我們在引言中提到的那樣，目前太空中的數據傳輸速度遠遠低於我們習慣在地球上使用的寬帶網際網路。原因 - 沒有進入所有花哨的數學 - 是因為無線電波工作的相對頻率，他們可以處理的數據量有限。（如果您的家中或辦公室中有無線網際網路路由器，您可能已經注意到了這種影響- 它不像有線連接那麼快或可靠。）
相反，具有較短頻率的雷射的集中能量可以處理更多數據。此外，由於雷射器的傳播速度不如無線電傳輸，因此傳輸數據所需的功率較小。這就是NASA正致力於深空光通信項目的原因，該項目將改用雷射而不是無線電發射器和接收器。這將使傳輸的數據量達到最先進的無線電裝備所能完成的10到100倍，這將使星際網際網路的速度與地球上典型的寬帶連接一樣快。但讓雷射通信在太空中工作並不是一件好事。NASA已經在太空中進行了小規模，低數據速率的雷射數據傳輸演示，並且正在努力開發一種雷射通信系統，最終將在月球軌道衛星上進行測試。最終，雷射數據傳輸可以從Mars發送高清直播視頻。
8、補探測器和流浪者進入行星際通信網絡
合成圖像顯示了美國國家航空航天局的好奇號火星探測器，其機器人手臂於2012年8月20日首次在火星上延伸。是否有時間每個空間物體相互通信而不僅僅是與地球站相互通信？在此之前，我們提到了建立一個覆蓋太陽系的巨大專用通信衛星網絡的想法，這將是一項艱巨的任務。但是，可能會有一個更小，更低成本和更多增量的方式來組建這樣一個網絡。到目前為止，每當我們將太空船和衛星送入太空時，它們通常直接與地球站通信，並利用專門為該特定任務設計的軟體和設備（之後經常丟棄）。
但是，如果科學家和工程師裝備發射到太空的每一件飛船或物體 - 從太空站，軌道望遠鏡，在火星或其他行星軌道上的探測器，甚至探索外星景觀的機器人漫遊者 - 以便他們都可以進行通信相互之間，並作為龐大的行星際網絡的節點？如果您正在尋找地球上的比喻，想像您的筆記本電腦，平板電腦，智慧型手機，遊戲機，網絡攝像頭和家庭娛樂中心如何都可以連結到您的無線網際網路路由器並相互分享內容。
除了傳遞信息之外，理想情況下，這樣的行星際網絡可能與地球上的網際網路相連，因此科學家們可以與軌道衛星或火星車連接，並查看他們所看到的內容，就像現在可能進入NASA的網站一樣。 。「美國宇航局即將建造的網絡很可能就是科學家根據木星冰冷的月球歐羅巴或者金星的洶湧雲層覆蓋火星地質，海洋條件的驚人細節而製作的網絡」，2005年的一篇文章工程出版物IEEE Spectrum解釋說。「這可能是思鄉太空探險家將電子郵件發回國內的方式」。
7、一個在太空中工作的網際網路
網際網路的基本設計不是空間友好的 - 這就是為什麼科學家們正在使用一種新協議的修改版本。我們已經提到了在太空中的大型網絡中連接太空飛行器和探測器的想法，以便科學家可以像他們對網際網路上的網站那樣連接它們。但正如一些評論家指出的那樣，這種方法可能不是最好的，因為網際網路的基本設計在太空中不會很好。我們在地球上使用的網際網路協議依賴於將我們傳輸的所有內容 - 無論我們是在談論文本，語音還是流式視頻- 分解成小塊數據，然後在另一端重新組裝，以便其他人可以查看在聽或聽。這是一種非常好的做事方式，只要所有信息都以高速移動，幾乎沒有延遲或丟失數據包，這在地球上並不難做到。
一旦你進入太空 - 距離很遠，天體有時會擋住它，而且整個地方都有大量的電磁輻射來擾亂信號 - 數據流的延遲和中斷是不可避免的。這就是為什麼一些科學家正致力於開發一種改進版的網際網路，它使用一種稱為容忍破壞網絡（DTN）的新協議。與地球上使用的協議不同，DTN不會假設存在連續的端到端連接，並且它會掛起到無法立即發送的數據包，直到重新建立連接為止。為了解釋它是如何工作的，NASA使用籃球類比，玩家只是耐心地抓住球，直到另一名球員在籃下打開，而不是驚慌失措，扔掉野外投球或扔掉球。2008年，美國國家航空航天局（NASA）進行了第一次DTN測試，用它從距地球大約2000萬英裡（3218.7萬公裡）的太空船上傳輸數十張圖像。
6、為其他行星建造衛星和中繼站
漂浮在空間的衛星，與前景的月亮和地球在背景中
與火星基地交流的一大挑戰是火星在運動。有時，一個基地可能會被轉離地球，並且每隔一段時間 - 大約每780個地球日一次 - 火星和地球之間就有太陽直射。這種稱為連接的對齊可能會降低甚至阻止通信數周，如果你是太空人或火星殖民者，這將是一個相當孤獨，可怕的前景。幸運的是，歐洲和英國的研究人員可能已經找到了解決這一令人生畏的困境的解決方案。
衛星通常在克卜勒軌道上繞行星運行以17世紀天文學家約翰內斯·克卜勒（Johannes Kepler）的名字命名，他編寫的數學方程式描述了衛星的運動方式。但是歐洲和英國的研究人員已經提出在火星周圍放置一對通信衛星，稱為非克卜勒軌道，這基本上意味著它們不是在火星周圍的圓形或橢圓形路徑上移動，而是在一旁。有點，所以行星不會在中心。然而，為了保持這個位置，衛星必須抵消重力的影響，這會將它們拉向火星。為了使它們保持原位，科學家們已經提議為它們配備電離子推進發動機，由太陽能發電和使用少量氙氣作為推進劑。
5、留下繼電器麵包屑
如果星艦和地球之間有一連串的繼電器怎麼辦？
當然，行星際通信不一定與我們自己的太陽系有關。由於天文學家在1995年發現了第一顆圍繞類似於太陽的恆星運行的星球，科學家們已經發現了許多其他的系外行星，因為太陽系外的世界被稱為。2012年10月，他們甚至發現了一顆大約相當於地球大小的行星繞著恆星Alpha Centrauri B運行，該恆星位於最近的恆星系統中，距離大約2.35萬億英裡（3.78萬億公裡）。可以肯定的是，這是一個令人生畏的巨大距離。但即便如此，一些太空科學家有一天會設想發射一種巨大的星艦，它本質上是一個移動的，獨立的微型地球版本，能夠維持連續幾代太空人，他們冒險穿越星際空間，努力到達其他可居住的行星和甚至可能與地外文明接觸。
伊卡洛斯項目是空間科學家和未來學家最近為這樣一個任務提出藍圖的努力，他思考了這樣一艘船如何繼續與地球進行溝通的問題，因為它越來越進入未知世界。他們提出了一個有趣的解決方案：沿途，這艘龐大的船隻會定期拋棄裝有信號中繼設備的空燃料罐，形成一條鏈條，將信息從太空飛行器傳回地球。「我的想法是，通過伊卡洛斯和地球之間的一系列繼電器，信號的每個'跳'距離幾個光年的整個距離都要短得多，」參與設計項目的英國工程師Pat Galea，在2012年寫道。「因此，我們可能會降低發射機功率要求或Icarus上的天線尺寸，Galea]。
4、設置巨型天線陣列以接收消息
科學家建議建造幾個太陽系接收站，這將是在地球上不同位置延伸數英裡的巨大天線陣列。
研究伊卡洛斯項目的科學家和未來學家- 一種投機嘗試設計能夠到達最近的相鄰恆星系統的星艦，大約2.35萬億英裡（3.78萬億公裡） - 花了很多時間思考這樣一艘船怎麼可能它穿越了巨大的星際空間，與地球保持著聯繫。在這個清單上的上一個項目中，我們提到了星艦將隨之留下的麵包屑狀通信鏈路的概念。但回到地球上，那些監視任務的人仍然面臨著試圖從星艦上獲取信號並過濾掉空間環境電磁噪聲的挑戰 - 這一任務在地球大氣層中變得更加困難，這會削弱信號。
為了最大限度地發揮這種能力，Project Icarus的規劃者建議建造幾個太陽能系統接收站，這些接收站將是在地球上不同位置延伸數英裡的巨大天線陣列。這種陣列中的天線將協同工作以發現和捕獲包含星艦信息的微弱信號。（想想這個比喻：如果棒球運動員在棒球場看到本壘打進入看臺如果看臺上滿是人，那麼球更有可能被球迷抓住。）因為地球旋轉，特定SSRS中的天線只會指向遙遠的星艦，每天只有一小部分，地球上那個位置的天氣可能會阻礙接收。出於這個原因，在地球上的不同位置建立多個天線陣列可能是明智的，以確保我們能夠保持近乎連續的通信。
3、使用太陽作為信號助推器
如果通信工具使用太陽作為鏡頭放大來自星艦的信號並將其傳輸到地球怎麼辦？
這是伊卡洛斯項目研究人員的另一個想法。根據愛因斯坦的相對論理論，極大物體的引力實際上可以偏轉通過它們附近的光併集中它，就像手持式放大鏡一樣。這讓伊卡洛斯項目智囊團想到了利用這種效應來集中和提升來自遙遠太空船的傳輸。不可否認，他們這樣做的方式對非物理學家來說有點難以理解：能夠接收通信傳輸的宇宙飛船將被定位在與星艦飛行方向相對的星際空間中，大約510億英裡（820億英鎊）公裡）遠離太陽。這真的，真的很遠 - 事實上大約是冥王星和太陽之間距離的18倍 - 但是讓我們假設一個地球文明能夠從地球發送數萬億英裡的星艦可以做到這一點。然後，通信工藝將使用太陽作為透鏡來放大從遙遠的星艦獲得的信號，然後通過其他系統將其傳輸回地球，例如具有雷射鏈路的衛星網絡。
「這樣做的潛在收益是巨大的，」工程師Pat Galea在2012年向Discovery News解釋說。「Icarus上的發射器功率可以降低到更低的水平，而不會影響可用的數據速率，或者電源保持不變，我們可能會收到比直接連結更多的數據。「然而，看起來很巧妙，該計劃也有一些木星大小的併發症。例如，有必要保持接收器太空飛行器，即從星艦獲得信號的太空飛行器，在任何時候都非常接近完全對齊，並保持這種方式可能非常非常困難。
2、超敏感電子耳朵，適用於太空微弱的信號
戈德斯通深空站（加利福尼亞州）天線是深空網絡（DSN）的一部分，後者是一個支持星際太空飛行器任務的大型天線和通信設施的國際網絡。
當遠距離太空飛行器的傳輸到達地球時，它們已經變質，到達信號實際上可能含有少於光子能量的點[來源：Rambo]。這真的非常弱。請記住，光子，即能量最小的微小無質量粒子，非常微小;典型的手機每秒發射10到24次光子功率。從無法抑制的空間雜音中挑出令人難以置信的微弱信號並理解它可能就像在地球海洋某處找到漂浮在瓶子裡的信息一樣困難。但據美國宇航局稱，研究人員提出了一個有趣的解決方案太空技術計劃網站，負責解決這類問題。
試圖與地球通信的宇宙飛船不會發出單個信號或能量脈衝，而是一次性發出該信號的許多副本。當弱信號到達地球時，任務控制將使用一種稱為結構化光學接收器的設備，或Guha接收器（在科學家Saikat Guha之後，他發明了這個概念），基本上重新組裝了所有存在的微小的弱點和碎片。那些重複的信號，並把它們放在一起重建信息。用這種方式想像一下：在一張紙上列印一條信息，然後列印一千份，然後通過碎紙機運行它們，然後將產生的小塊混合起來。即使你將這些小塊中的大部分扔進垃圾桶，剩下的那些也可能會給你足夠的信息來重建紙上的信息。
1、速度快於中微子素
大型強子對撞機（LHC）隧道的模型，見於歐洲核子研究中心（歐洲核研究組織）訪客中心，位於日內瓦 - 梅林，瑞士。大型強子對撞機是世界上最大，最強大的粒子加速器。
無論我們開發多少令人難以置信的複雜小工具來拼湊微弱的通信信號，努力從深空中接觸到我們，我們仍然面臨著另一個更具挑戰性的問題。在我們的太陽系內部，距離是如此之大，以至於我們習慣在地球上進行的那種簡單，即時的來回通信 - 例如Skype風格的視頻對話 - 實際上並不可行，至少用現有技術。如果我們要前往太陽系外的行星，這幾乎是不可能的。如果一艘星艦到達我們最近的星際鄰居，數萬英裡之外的半人馬座阿爾法星系統，那麼聲音，視頻或文字傳輸的每一側都需要4。2年才能跨越這個令人驚嘆的大距離。這就是為什麼有遠見的人一直對通過比光更快傳播的亞原子粒子束傳輸信息的想法感興趣。
哇 - 這聽起來像一個簡單的修復，不是嗎？但再猜一遍。為了使這個方案奏效，我們似乎不得不在愛因斯坦的狹義相對論中吹出一個巨大的漏洞，它禁止任何事物比光速更快地移動。另一方面，也許它沒有。2012年，兩位數學家在一份英國科學期刊上發表了一篇論文，聲稱有一種方法可以破解愛因斯坦的計算，並表明速度快於光速確實是可能的。但是，如果這些反對者證明是對的，我們仍然必須找到一些證明粒子可以比光速更快地移動的證據，到目前為止我們還沒有。
有一個高度宣傳的2011年實驗，其中歐洲CERN粒子加速器的研究人員據稱稱為中微子的粒子移動速度比愛因斯坦的速度限制快一點。但事實證明，研究人員設備中光纖電纜的故障顯然導致了錯誤的讀數（它沒有被完全插入）。至少在目前，這讓人對宇宙中微子音樂的前景感到不滿。