Межзвездный роуминг

Помимо привычной всем междугородной и международной связи нам потребуется межпланетная и даже межзвездная. О том, как она может работать, ученые и фантасты задумываются уже сегодня.

Современную «постатомную» эру недаром называют информационной: коммуникации – нервы нашей глобальной цивилизации. Забыв дома смартфон, мы чувствуем себя не в своей тарелке. Мы непрерывно с кем-то созваниваемся, получаем и отправляем сообщения и письма, обмениваемся фотографиями – и все больше зависим от различной информации, которую получаем через Интернет. Куда ведет дорога? Какому банку доверять? Что? Где? Когда?..

В XXI веке связь – это жизнь, и планета покрывается все более густой сетью проводов, ретрансляторов и коммуникационных станций. Однако космос по большей части остается «глухим». Более того, огромные расстояния, отделяющие Землю от Луны, Марса и других перспективных местечек даже в пределах Солнечной системы, порождают совершенно особые проблемы. Время, необходимое для путешествия сигнала, создает задержки, а интенсивная радиация в открытом космосе приводит к его деградации и искажению. Наконец, все эти объекты вращаются вокруг себя и Солнца, а спутники – еще и вокруг планет, из-за чего то и дело уходят из зоны прямой видимости.

Представим себя на минуту первыми колонистами, отправившимися покорить Марс и основать на нем первую обитаемую колонию. Расстояние до Земли для нас в разные периоды будет колебаться в пределах от 56 до 226 млн км. Соответственно, задержка во времени сильно затруднит любой диалог с «домом»: на прохождение сигнала потребуется от 3 до 21 минуты. А если разговор не терпит отлагательств – например, требуются срочная консультация и помощь? А если вы найдете (вообразим!) следы погибшей марсианской цивилизации – или хотя бы неожиданный здесь минерал – и захотите отправить снимки и видеозаписи экспертам на Землю?..

Вы почувствуете себя снова в прошлом, когда скорость Интернета заставляла порой подолгу ожидать загрузки каждой небольшой картинки. В самом деле, самые совершенные на сегодня аппараты, работающие на Красной планете, способны передавать данные на скорости лишь порядка 256 Кбит/с – как с Dialup-соединением в старых добрых 1990-х. Ни о каком серьезном обмене информацией при этом говорить не приходится.

А ведь это «всего лишь» соседний Марс. Каково же придется отважным исследователям далеких пределов Солнечной системы? Тем, кто отправится к орбите Плутона, а может, и дальше?.. Для передачи сигнала потребуются уже часы, высокомощные передатчики... а что еще? Об этом ученые и конструкторы (а с ними, конечно, фантасты и футурологи) размышляют уже сейчас, предлагая собственные варианты того, как может быть устроена межпланетная связь.

Спутниковая сеть

Мысль о строительстве коммуникационной спутниковой сети, которая охватит пространство в 6 млрд км от Меркурия до Плутона, выглядит недостижимой. Однако в 1945 году, когда великий британский фантаст Артур Кларк опубликовал небольшую статью «Внеземные трансляции» (Extra-Terrestrial Relays), в которой впервые выдвинул идею об использовании орбитальных аппаратов для связи, она казалось невероятно масштабной, сложной, дорогой и вряд ли кому-либо нужной. Однако сегодня именно спутниковые группировки обеспечивают коммуникации практически с любой точкой планеты. А строительство межпланетной сети вовсе не выглядит невыполнимым.

Первый проект расширения спутниковой сети связи за пределы околоземного пространства появился еще до запуска первого телекоммуникационного спутника – в 1959 году. Авторами его выступили американские конструкторы Джордж Мюллер (George Mueller) и Джон Табер (John Taber). Их «Межпланетная коммуникационная система» должна была обеспечить передачу информации на далекие расстояния с использованием привычных нам сегодня радиосигналов.

Движение небесных тел создает собственные сложности. Если вспомнить тот же Марс, то примерно каждые 780 дней он оказывается в таком положении, когда между ним и Землей находится Солнце, полностью блокируя прямую связь от одной планеты к другой. Впрочем, решение этой проблемы уже найдено. Речь идет о выведении межпланетных аппаратов на некеп­леровские орбиты, то есть на такие, для которых планета не является центром. Находясь чуть в стороне от нее, такой аппарат будет экранироваться Солнцем или другими телами отдельно от планеты и сможет обеспечить ей постоянную связь с Землей. Стоит заметить, что для поддержания такой нестандартной орбиты понадобятся дополнительные расходы энергии.

Расчеты, проведенные Стефаном Давидовичем (Stevan Davidovich) и Джоэлем Уиттингтоном (Joel Whittington) почти полвека спустя после выхода работы Мюллера и Табера, показали, что для воплощения такой сети можно обойтись вполне реалистичным количеством спутников. Достаточно разместить три аппарата на перпендикулярных друг другу полярных орбитах вокруг Солнца и еще по три у каждой из планет, с которыми мы планируем наладить связь. Такая сеть будет способна в любой момент уловить сигнал от пилотируемого корабля или автоматического зонда и переслать его – от планеты к планете, – пока тот не достигнет Земли.

Всем миром

Для создания подобной сети можно обойтись и без специализированных спутников. Более простой и дешевый в реализации вариант подразумевает использование космических аппаратов, у которых совершенно иные – у каждого свои – задачи. Речь идет о многочисленных межпланетных зондах, марсоходах, луноходах и других аппаратах, которые пока что связываются с Землей независимо друг от друга: информационный канал для каждого организуется отдельно. Для каждого проекта разрабатывается собственное «железо» и программное обеспечение, которое больше нигде не используется.

Гораздо более разумным выглядит вариант создания единого стандарта космической радиосвязи. Тогда каждый аппарат, запущенный на околоземную орбиту или за ее пределы – вплоть до зондов «глубокой разведки» – смог бы встраиваться в единую сеть связи, каждая ячейка которой помогает другим в обмене информацией с Землей. А при необходимости они смогут обмениваться данными и напрямую, минуя Землю. Примерно так, как передают друг другу файлы и данные компьютер, планшетник и смартфон, соединенные через общий WiFi-роутер.

DTN: Интернет среди планет

«Святым Граалем» космических систем межпланетной спутниковой связи, их далеким блистательным идеалом является создание «межпланетного Интернета», такого же быстрого и удобного, как тот, к которому мы привыкли у себя на Земле. Однако фундаментальная архитектура Интернета для космоса приспособлена не слишком хорошо.

Дело в том, что для передачи любых данных по Сети (будь то электронное письмо или потоковое видео) компьютеры разбивают их на отдельные, не слишком большие пакеты. Пакеты пересылаются по отдельности и после получения уже соединяются друг с другом. В космосе с его громадными расстояниями и помехами путаница и потеря большого числа пакетов практически неизбежны. Поэтому для реализации «межпланетного Интернета» некоторые специалисты считают необходимым разработать специальную архитектуру со своими протоколами и стандартами обмена данными.

Один из таких протоколов – DTN (Disruption-Tolerant Networking, «Устойчивая к нарушениям сеть») – вообще не подразумевает существование постоянной связи между отправителем и получателем данных. Разбив их на пакеты, отправитель может подождать удобного «окна» для их передачи. Подобная технология была успешно испытана в 2008 году, обеспечив связь с аппаратом Epoxi, находившимся тогда в 32,2 млн км от Земли.

Лазер вместо радио

Впрочем, даже будь такая спутниковая сеть реализована, она не решит нескольких ключевых проблем «межпланетного роуминга», в том числе проблему пропускной способности таких каналов связи. Виноваты в этом сами волны радиоизлучения, которые в принципе неспособны нести информацию больше определенной плотности (этот эффект знаком каждому, кто пользовался беспроводным Интернетом: при всех своих многочисленных удобствах он всегда будет медленнее проводного).

Однако если вместо радиоволн использовать лазерный луч с куда более короткой длиной волны, в него можно «упаковать» гораздо больше данных. Есть у лазерной (оптической) связи и другое преимущество: такой когерентный свет практически не рассеивается, перенося энергию, сфокусированную в нужном направлении и позволяя серьезно экономить на энергии для передачи.

Оптическая двусторонняя лазерная связь была налажена с американским зондом LADEE (Lunar Atmospheric Dust Environment Explorer – «Исследователь атмосферной пыли Луны»), который отправился в полет в 2013 году. Система LLCD на борту спутника и две наземные принимающие станции обеспечили передачу данных на невиданной прежде для Луны скорости – до 622 Мбит/с «на скачивание» (от Луны к Земле) и до 20 Мбит/с «на загрузку» (от Земли к Луне). Причем сама передающая аппаратура зонда оказалась меньше обычной системы радиосвязи и по размеру, и по весу, и по энергопотреблению.

Перспективы лазерной связи настолько интересны, что такими проектами сегодня самым серьезным образом занимаются ученые и разработчики многих вузов, высокотехнологичных компаний и даже космических агентств. На основе лазеров должен быть реализован проект NASA «Дальние космические оптические коммуникации» (Deep Space Optical Communications Project, DSOCP).

По оценке специалистов, такая система позволит передавать информацию в 10–100 раз быстрее самых совершенных систем радиосвязи. Этого уже достаточно для нормальной передачи файлов с того же Марса. К сожалению, реализация оптической связи не так проста – недаром мы до сих пор «по старинке» пользуемся радиоволнами. Пока что подобные системы проходят первые испытания в реальных условиях и в куда меньших масштабах.

Хлебные крошки и «тарелки» связи

Но давайте отправимся еще дальше – от межпланетной связи к межзвездной. Ведь все мы надеемся, что когда-нибудь наши зонды и даже пилотируемые экспедиции отправятся и за пределы Солнечной системы. Хотя бы к одной из близких соседей – Альфе Центавра В. Но и до этой недалекой соседки расстояние получается ошеломительным: порядка 3,78 трлн км! Даже свету требуется почти 4,5 года для того, чтобы добраться туда. Поэтому многие футурологи считают, что для полноценного изучения системы Альфы Центавра к ней потребуется отправить не просто зонд, и даже не пилотируемый корабль, а целый межзвездный крейсер, населенный тысячами людей и десятками тысяч роботов. Крейсер, способный столетиями поддерживать жизнь, поколение за поколением.

Проект Icarus («Икар») направлен на проработку технологий и решений, необходимых для создания межзвездного космического корабля с термоядерным двигателем

Поэтому энтузиасты-ученые и футурологи сегодня продумывают фантастический проект «межзвездного крейсера» Icarus – и они уже столкнулись с проблемой поддержания постоянной связи с Землей. Чтобы решить ее, удаляющийся все дальше в глубины космоса корабль, по плану, должен будет отстреливать пустые емкости из-под топлива, загруженные полезным оборудованием.

Подобно обозначавшим дорогу хлебным крошкам из сказок, эти простейшие «зонды» сформируют цепочку, по которой сигнал сможет передаваться обратно, к родной Земле. Конечно, проблему задержек во времени это не решит. Зато позволит уменьшить размеры и энергозатраты телекоммуникационной системы самого Icarus, а кроме того, увеличит пропускную способность канала связи.

А чтобы полноценно улавливать слабый сигнал, приходящий по цепочке «хлебных крошек» из далеких глубин космоса, разработчики Icarus планируют возведение специализированных приемных станций. Причем построены они могут быть как на Земле, у нас под боком, так и на других телах Солнечной системы, где атмосфера не так плотна и будет вносить меньше искажений.

Солнце как усилитель

Впрочем, даже таким обсерваториям, оснащенным мощными радиоантеннами, работа может оказаться не по плечу. Сигнал, приходящий с огромных расстояний, будет исключительно слаб и полон всевозможных шумов. Фактически он может исчисляться считанными фотонами (для сравнения, мобильный телефон в среднем ежесекундно испускает порядка 1024 фотона радиоизлучения). Возможно ли будет вообще что-либо извлечь из столь слабого сигнала? Как ни странно, возможно – помочь в этом могут технологии и... само Солнце.

Во-первых, для этого возможно многократное дублирование каждого сигнала, которое позволит затем сложить их и вычленить исходное сообщение – такую концепцию проработал американский физик индийского происхождения Саикат Гуха (Saikat Guha). Для объяснения своей идеи он прибегает к такой аналогии. Представьте, что вы распечатали сообщение в тысяче копий, а затем пропустили их через шредер и смешали обрезки. Копии вас спасут: даже если большую часть их выбросить, специальные алгоритмы позволят восстановить исходное сообщение.

Перед использованием Солнца в качестве усилителя стоит одна большая проблема – Юпитер. Массивная планета способна сделать серьезный вклад в создание помех, и в те моменты, когда она будет проходить близ линии передачи сигнала, связь может нарушаться.

А во-вторых, разработчики того же проекта Icarus придумали, как использовать для усиления сигнала целую звезду. Вспомним, что эйнштейновская общая теория относительности рассматривает гравитацию в качестве искажений в структуре четырехмерного пространства-времени. Иначе говоря, массивные объекты отклоняют проходящее излучение, «сбивая» его с прямолинейной траектории и работая как «гравитационные линзы».

Этот эффект многократно продемонстрирован астрономами и сегодня широко используется для наблюдений далеких звезд и галактик. Однако такая «линза» может пригодиться и для концентрирования радиоволн или лазерного излучения, приходящего от космического корабля. Для этого, правда, потребуется вывести в космос еще один аппарат, который будет вращаться вокруг Солнца так, чтобы звезда все время находилась между ним и кораблем. Держась от Солнца на почтительном расстоянии в 80 млрд км (в 18 раз дальше орбиты Плутона), такой зонд будет видеть звезду лишь как одну из самых ярких на небе. Солнце не будет экранировать сигнал, но сможет усиливать его за счет гравитационного линзирования, и аппарат получит более мощный канал связи с Icarus.

За грань невозможного

Теоретически остается всего одна сложность, решить которую пока не удается: огромные космические расстояния и, как следствие, огромные задержки в передаче данных. Если наш величественный Icarus когда-нибудь наткнется у Альфы Центавра на «братьев по разуму», узнаем мы об этом лишь годы спустя. В таких обстоятельствах нечего говорить о возможностях оперативных консультаций с экспертами на Земле. Казалось бы, преодолеть это препятствие невозможно – разве может что-нибудь двигаться быстрее света?

В отличие от эйнштейновских теорий, квантовая механика в некоторых особых случаях допускает явления, протекающие быстрее скорости света. Скажем, сверхсветовые скорости возможны для виртуальных частиц, которые рождаются и уничтожаются в процессе взаимодействия между другими частицами. Другое известное проявление взаимодействий быстрее света – феномен квантовой спутанности, при которой между парой частиц устанавливается связь, так что изменение состояния одной моментально сказывается на состоянии другой. Не будем вдаваться в тонкости этих сложнейших явлений, скажем только, что передавать информацию ни с помощью запутывания, ни посредством виртуальных частиц невозможно в принципе.

Впрочем, можно. В 2012 году Джеймс Хилл (James Hill) и Барри Кокс (Barry Cox) продемонстрировали, что в специальной теории относительности Эйнштейна имеется одна интересная лазейка, которая оставляет теоретическую возможность некоторым частицам нейтрино двигаться быстрее света. К сожалению, эксперименты на Большом адронном коллайдере пока не позволили подтвердить эти выкладки, и вопрос этот остается крайне спорным и сомнительным.

Обеспечить связь быстрее света вряд ли удастся – разве что мы, наконец, научимся сами деформировать пространство-время по собственному желанию. Впрочем, это будет уже совсем другая история.