Gyöngyi
9 °C
9 °C

De hogyan tud twitterezni a Plútó-szonda olyan messziről?

2015.07.15. 17:48
Hárommilliárd kilométerre a Földtől egy tíz éve hipermodernnek számító űrkamera pásztázza a Naprendszer legkülső (újabban csak törpe)bolygójának felszínét. Az egyhetes feltérképezést tíz évnyi repülés, valamint egy, az utolsó pillanatban fellépő váratlan üzemzavar előzte meg, de a New Horizons űrszonda végül célba ért: 12 500 kilométerrel a Plútó felett repül el. Elkészíti a képeket, és elkezdi a képek továbbítását a mélyűri hálózaton.

A Plútó bolygórendszerének körbefényképezésével a New Horizons a terv szerint végezhette el a megfigyeléseket. Az űrszonda mostanra több mint hárommilliárd kilométerre, a Föld–Nap távolság 32-szeresére jár a Földtől.

A kamera sosem látott képeket rögzített a felszínről, majd hozzálátott az adatok továbbításához a mélyűri hálózaton (Deep Space Network, DSN). Mire a világ legnagyobb rádióteleszkópjai befogták az első biteket, 4 óra 25 perc telt el; eddig tart, amíg a fénysebességű rádióhullámok megteszik az utat a New Horizons antennájáig és vissza. Az első, nagy felbontású képek csak hónapok múlva töltődhetnek le.

A Deep Space Networkhöz képest a betárcsázós internet szuperszélessávúnak tűnik.

A tudományos méréseket végző fedélzeti szenzorok által begyűjtött adatokat, illetve az elkészült fotókat a New Horizons elképesztő távolságból továbbítja a Földre a négy antennás rendszerével. A szonda a világ legnagyobb rádiófrekvenciás teleszkópjain át tartja a kapcsolatot a földi irányítással. A több milliárd kilométer távolságból érkező jel gyenge; csak a 70 méter átmérőjű rádióteleszkópok észlelhetik. Ezekből csak három van a világon, és az ő idejük is véges.

GettyImages-480632898
Fotó: Nasa

Mélyűri adatátvitelnél a távolság is meghatározza az átvitel sebességét. A New Horizons ilyen távolságból legfeljebb másodpercenként 1 kilobitnyi adatot küldhet át. Nem kilobyte-ot: kilobitet. 125 bájtot másodpercenként. Igen, ez kevesebb, mint egy Twitter-üzenet.

Képzeljék el, meddig tarthat, amíg a LORRI (Long Range Reconnaissance Imager, a New Horizons nagyfelbontású kamerája) átküld egyetlen képet ezen a pocsék minőségű űrhálózaton! Tényleg, meddig? Számoljunk.

  1. A LORRI kamerája 1024*1024 pixeles képeket készít.
  2. A modern űrkamerák többségéhez hasonlóan a LORRI is 12 bites számként digitalizálja minden képpont adatait.
  3. Ez összesen 12 millió bitet jelent, ami a pocsék minőségű kapcsolaton az örökkévalóságig se érne át.
  4. Szerencsére a LORRI veszteségmentesen tömörítheti az elkészült fotókat, így egy kép mérete nagyjából 2,5 megabit lesz.
  5. A még rosszabb minőségű képek ennél is hamarabb megérkeznének, de a navigációnak a legjobb minőségű felvételekre van szüksége az űrszonda irányításához.
  6. Ennyiből már kimatekozható, hogy egy kép nagyjából 42 perc alatt ér vissza a Földre.
  7. Mivel egy-egy kapcsolódás legfeljebb 8 órán át tarthat, ennyi idő alatt legfeljebb 11 képet lehetne letölteni.

Lehetne – ha csak a fotókra lenne szükség. A New Horizons fedélzeti műszerei által begyűjtött adatokat viszont szintén vissza kell juttatni a Földre, és ez sem két percig tart.

Közben ketyeg az óra. A Földön csak három, 70 méteresnél nagyobb rádióteleszkóp van, és sokan szeretnék használni őket. A New Horizons jó esetben egy kapcsolódási lehetőséget kap naponta.

Dupla sávszél, atommeghajtással

A New Horizons adatátviteli sebessége egy ügyes trükkel megduplázható. Az űrszonda rádiórendszere, a Traveling Wave Tube Amplifiers (TWTA) felerősíti a jeleket, mielőtt továbbítja őket a New Horizons 2,1 méter átmérőjű tányérantennájára.

A TWTA-kból kettő is van az űrszondán, és egymás biztonsági tartalékaiként működnek: ha az egyik erősítővel sikertelen az átvitel, a másik továbbíthatja a kihagyott adatot. A két erősítőnek viszont más a körpolarizációja, így mindkét erősítő jele továbbítható a Föld felé mutató tányérantennákra.

A Földön a Deep Space Network elkülönítve foghatja a két, másképp polarizált jelet, a kettőjük kombinációjával pedig felerősíthetik a jelet. A jobb jelerősség gyorsabb adatátvitelt jelent - 1,9-szer gyorsabbat, mint az egy TWTA-val elérhető kapcsolaton. A lehetőséggel viszont jó eséllyel nem fognak élni, mert az űrszonda nukleáris energiaforrásai az elmúlt évtizedben elapadtak, így nem tudják meghajtani az energiaigényes erősítőket.

Ilyen távolságnál nehéz biztosítani a zökkenőmentes adatátvitelt. A New Horizons kutatócsoportja ezért egy háttéradatbázist is összeállít, ahová begyűjtik a sikertelen átviteli kísérletek során begyűjtött adatokat, hogy később letölthessék a hiányzó részt. A New Horizons természetesen nem tud folyamatos adatátvitelt biztosítani, így a körbefényképezett területeket és a mérési adatokat két, egyenként 8 gigabjátos merevlemezen tárolja.

A mélyűri hálózat jellegéből adódóan javíthatatlan: ha egy berendezés elromlik, a szakértők megpróbálják megkerülni a problémát, vagyis más módot találnak az adatok továbbítására. Ha viszont a kommunikációs rendszer tönkremegy, a mélyűrből érkező adatok végleg elveszhetnek. Ehhez nem kell tervezési hiba, csak egy apró mikrometeorit, ami eltalálja a kommunikációs modult.

És ott van az interferencia is. A mélyűri járművekre szerelt adó-vevők előre meghatározott frekvencián sugároznak; ezt a jelet fogják be a földi állomások. De a hiperérzékeny rádióteleszkópok nemcsak az űr neszeit, hanem a Föld zajait is rögzítik, és emiatt az adatátvitel minősége éppúgy leromolhat, mint ahogy a rádió sercegése elnyomja a zenét.

Ilyen adatátviteli sebességgel több mint 2 óráig tartana letölteni egy képet a mobiltelefonodról! Vagyis a következő 16 hónapot az adatok Földre továbbításával tölthetjük.

– mondta Curt Niebur, a NASA kutatója a Redditen. A NASA hivatalos sajtóközleménye ugyanakkor 9 hónapot említ; ez nyilván az optimista becslés, amikor nem zavar se interferencia, se hibás hálózati eszközök, csak csorognak a bitek az űrből.

A New Horizons a pályája csúcsára ért; kár, hogy útközben túlnőtt rajta a feladata. Az eszköz nagyobb megrázkódtatások nélkül kibírta az évtizedes utat, de közben elavulttá vált. A NASA modernebb űreszközein például már a Ka-frekvenciasávot (27-40 gigahertz) használják az adattovábbításhoz; ezzel a Plútó és a rádióteleszkópok közti adatforgalom is sokkal gyorsabb lehetne.