Como as pessoas na Terra podem se comunicar com as pessoas em Marte - ou mesmo com Júpiter? Veja mais fotos de exploração espacial. Albert Klein / Oxford Scientific / Getty Images Aqui na Terra, nos acostumamos a pegar um smartphone e falar, envie e receba fotos e vídeos de praticamente qualquer lugar da superfície do planeta. Além disso, estamos cada vez mais dependentes de acessar o vasto, crescente quantidade de informações na Internet para nos orientar, quer estejamos tentando fazer pesquisas científicas ou encontrar o caminho mais rápido para uma consulta.
Mas o tipo de acesso instantâneo e largura de banda a que estamos acostumados ainda não existe no espaço. As enormes distâncias do espaço, para um, criam tempos de retardo enormes para comunicações eletrônicas, e os sinais precisam chegar da superfície de outro planeta de volta à Terra por meio de uma luva de radiação espacial que degrada sua clareza. Para tornar ainda mais difícil, os próprios planetas estão continuamente em movimento, e eles podem entrar em posições onde sua massa - ou a do sol - pode bloquear um sinal.
Se você imaginar que é um astronauta enviado para estabelecer uma colônia em Marte, cuja distância da Terra varia entre 35 milhões e 140 milhões de milhas (56 e 226 milhões de quilômetros), esses obstáculos à comunicação podem ser um problema assustador [fonte:Space.com]. Se você tentar falar ou enviar uma mensagem de texto para o controle da missão na Terra usando a tecnologia atual, há um intervalo de tempo entre três e 21 minutos. Isso pode tornar a conversa muito difícil. E imagine que você avista algo realmente incrível, e quero mostrar a eles. Você pode ser capaz de transmitir laboriosamente uma foto, mas esqueça o streaming de uma imagem de vídeo ao vivo da superfície marciana; A NASA admite que isso não é possível com o nível de engenhocas que temos agora [fonte:NASA]. E mesmo com uma atualização recente, robôs robóticos em Marte só conseguiram atingir uma taxa de transmissão de dados de apenas 256 quilobits por segundo [fonte:Bridges]. Isso seria rápido na Terra - ou seja, Terra de meados da década de 1990, quando as pessoas ainda estavam usando conexões dial-up. Executar aplicativos em nuvem ou ler mapas de Marte em alta resolução do Google para obter direções estaria praticamente fora de questão.
As dificuldades seriam assustadoramente ampliadas se você se aventurasse além de Plutão, e ousou tentar alcançar um planeta semelhante à Terra em um sistema solar vizinho. É por isso que os cientistas vêm destruindo seus cérebros há décadas, tentando encontrar maneiras de alcançar e tocar alguém, como os antigos anúncios da companhia telefônica costumavam dizer, através da extensão assustadora do cosmos. Aqui estão 10 das ideias que surgiram ao longo dos anos.
Autor de ficção científica Arthur C. Clarke em 2003. Luis Enrique Ascui / Getty Images A ideia de construir uma rede de satélites que se estenda por quase toda a extensão de 3,7 bilhões de milhas (6 bilhões de quilômetros) do sistema solar de Mercúrio a Plutão parece um pouco estonteante. Mas, em 1945, quando o cientista e escritor de ficção científica britânico Arthur C. Clarke escreveu um artigo para uma revista prevendo uma rede global de comunicações de satélites orbitais, que provavelmente parecia muito estranho, também. No entanto, hoje, temos satélites em todo o lugar, que possibilitam fazer uma ligação telefônica ou enviar texto ou e-mail para praticamente qualquer lugar do planeta [fonte:USAF Air University]. E na verdade, os visionários sonhavam com uma versão interplanetária da rede global de comunicações de Clarke antes mesmo de os primeiros satélites de telecomunicações da Terra entrarem em órbita.
Em 1959, os cientistas espaciais George E. Mueller e John E. Taber fizeram uma apresentação em uma convenção de eletrônicos em San Francisco, intitulado "Um Sistema de Comunicação Interplanetário, "que descreveu como configurar transmissões digitais de longa distância no espaço, via ondas de rádio [fonte:Mueller e Taber]. Quarenta anos depois, dois cientistas, Stevan Davidovich e Joel Whittington, esboçou um sistema elaborado, em que três satélites seriam colocados em órbita polar em torno do sol, e outros em órbitas geossíncronas ou polares em torno dos vários planetas.
Os satélites seriam então conectados a uma rede que poderia captar mensagens de rádio de espaçonaves tripuladas ou sondas robóticas, e então retransmiti-los para cima ou para baixo na linha de um planeta ou outro até que eles alcançassem a Terra [fonte:Davidovich and Whittington]. Até aqui, no entanto, não houve qualquer movimento para construir tal sistema, talvez por causa do custo de colocar vários satélites em órbita em torno de corpos celestes distantes seja provavelmente enorme.
O uso de ondas de rádio limita a velocidade de transmissão de dados. Grove Pashley / Photographer's Choice / Getty Images Como mencionamos na introdução, as transmissões de dados no espaço atualmente estão travadas em taxas muito mais lentas do que a Internet de banda larga que estamos acostumados a ter na Terra. O motivo - sem entrar em toda a matemática sofisticada - é que, por causa das frequências relativas em que as ondas de rádio operam, eles são limitados na quantidade de dados que podem manipular. (Você deve ter notado esse efeito se tiver um roteador de Internet sem fio em sua casa ou escritório - ele simplesmente não é tão rápido ou confiável quanto uma conexão com fio.)
Em contraste, a energia concentrada de uma luz laser, que tem uma frequência mais curta, pode lidar com muito mais dados. Adicionalmente, porque os lasers não se espalham tanto quanto as transmissões de rádio, eles exigem menos energia para transmitir dados [fonte:Ruag.com]. É por isso que a NASA está trabalhando no Projeto de Comunicações Óticas do Espaço Profundo, que mudaria para a utilização de lasers em vez de transmissores e receptores de rádio. Isso aumentaria a quantidade de dados transmitidos em 10 a 100 vezes o que as rádios de última geração podem fazer, o que tornaria a Internet interplanetária quase tão rápida quanto uma conexão de banda larga típica na Terra [fonte:NASA]. Mas fazer com que a comunicação a laser funcione no espaço não é moleza. A NASA atuou em pequena escala, demonstrações de transmissão de dados a laser no espaço com baixa taxa de dados, e está trabalhando para desenvolver um sistema de comunicação a laser que será testado em um satélite em órbita lunar [fonte:NASA]. Eventualmente, a transmissão de dados a laser pode possibilitar o envio de alta definição, vídeo ao vivo de Marte [fonte:Klotz].
Uma imagem composta mostra o rover Curiosity Mars da NASA com seu braço robótico estendido pela primeira vez em Marte, 20 de agosto, 2012. Pode haver um tempo em que todos os objetos espaciais se comuniquem entre si, em vez de apenas com estações baseadas na Terra? NASA / JPL-Caltech / Getty Images Anteriormente, mencionamos a ideia de construir uma enorme rede de satélites de comunicações dedicados que se estendem por todo o sistema solar, o que seria um grande empreendimento. Mas pode haver um menor, forma menos dispendiosa e mais incremental de montar essa rede. Até agora, sempre que enviamos espaçonaves e satélites para o espaço, eles geralmente se comunicavam diretamente com estações baseadas na Terra e usavam software e equipamentos que foram especialmente projetados para aquela missão em particular (e muitas vezes descartados depois).
Mas e se cientistas e engenheiros equipassem todas as naves ou objetos lançados ao espaço - a partir de estações espaciais, telescópios orbitais, sondas em órbita ao redor de Marte ou outros planetas, e até mesmo robôs robóticos que exploraram paisagens alienígenas - para que todos pudessem se comunicar uns com os outros e servir como nós de uma rede interplanetária extensa? Se você está procurando uma metáfora na Terra, imagine como seu laptop, tábua, Smartphone, console de jogos, a webcam e o centro de entretenimento doméstico podem se conectar ao seu roteador de Internet sem fio e compartilhar conteúdo entre si.
Além de transmitir informações, idealmente, tal rede interplanetária pode estar ligada à Internet na Terra, para que os cientistas pudessem se conectar com satélites orbitais ou rovers e verificar o que estão vendo, da mesma forma que pode ir para o site da NASA agora.
"A rede que a NASA vai construir em breve pode muito bem ser aquela em que os cientistas trabalharão em detalhes surpreendentes da geologia marciana, condições oceânicas sob o gelo da lua frígida de Júpiter, Europa, ou a turbulenta cobertura de nuvens de Vênus, "explicou um artigo de 2005 na publicação de engenharia IEEE Spectrum." Pode muito bem ser a forma como um explorador espacial com saudades de casa envia um e-mail de volta para casa "[fonte:Jackson].
O design básico da Internet não é amigável ao espaço - é por isso que os cientistas estão elaborando uma versão modificada que usa um novo tipo de protocolo. Maciej Frolow / The Image Bank / Getty Images Já mencionamos a ideia de conectar espaçonaves e sondas em uma vasta rede através do espaço, para que os cientistas pudessem se conectar a eles da mesma forma que fazem com um site na Internet. Mas, como alguns críticos apontam, essa abordagem pode não ser a melhor porque o design básico da Internet não funcionaria muito bem no espaço. O protocolo da Internet que usamos na Terra depende de quebrar tudo o que transmitimos - quer estejamos falando de texto, voz ou streaming de vídeo - em pequenos pedaços de dados, que é então remontado na outra extremidade para que outra pessoa possa ver ou ouvir. Essa é uma boa maneira de fazer as coisas, contanto que todas essas informações se movam em alta velocidade com poucos atrasos ou pacotes de dados perdidos, o que não é tão difícil de fazer na Terra.
Depois de entrar no espaço - onde as distâncias são enormes, objetos celestes às vezes atrapalham, e há muita radiação eletromagnética por toda parte para bagunçar o sinal - atrasos e interrupções no fluxo de dados são inevitáveis. É por isso que alguns cientistas estão trabalhando para desenvolver uma versão modificada da Internet, que usa um novo tipo de protocolo chamado rede tolerante a interrupções (DTN). Ao contrário do protocolo usado na Terra, O DTN não assume que existirá uma conexão ponta a ponta contínua, e ele se pendura em pacotes de dados que não pode enviar imediatamente, até que a conexão seja restabelecida. Para explicar como isso funciona, A NASA usa uma analogia com o basquete, em que um jogador apenas segura a bola pacientemente até que outro jogador esteja aberto sob a cesta, em vez de entrar em pânico e lançar um tiro selvagem ou jogar a bola fora. Em 2008, A NASA fez seu primeiro teste de DTN, usando-o para transmitir dezenas de imagens de uma espaçonave localizada a cerca de 20 milhões de milhas (32,187 milhões de quilômetros) da Terra [fonte:NASA].
Satélite flutuando no espaço, com a lua em primeiro plano e a terra em segundo plano. Imagens Lifesize / Getty Um dos grandes desafios na comunicação com uma base de Marte é que Marte está em movimento. As vezes, uma base pode ser afastada da Terra, e de vez em quando - aproximadamente uma vez a cada 780 dias terrestres - Marte e a Terra têm o sol diretamente entre eles. Esse alinhamento, chamado conjunção , potencialmente poderia degradar e até mesmo bloquear a comunicação por semanas a fio, o que seria muito solitário, perspectiva assustadora se você fosse um astronauta ou um colono marciano. Felizmente, Pesquisadores europeus e britânicos podem ter encontrado uma solução para esse dilema assustador.
Satélites normalmente orbitam planetas em órbitas Keplerianas, nomeado em homenagem ao astrônomo do século 17 Johannes Kepler, quem escreveu as equações matemáticas que descrevem como os satélites se movem. Mas os pesquisadores europeus e britânicos propuseram colocar um par de satélites de comunicações em torno de Marte em algo chamado de órbita não-kepleriana, o que basicamente significa que, em vez de se mover em um caminho circular ou elíptico em torno de Marte, eles ficariam um pouco afastados, para que o planeta não ficasse no centro. Para permanecer nessa posição, Contudo, os satélites teriam que neutralizar os efeitos da gravidade, o que os puxaria em direção a Marte. Para mantê-los no lugar, os cientistas propuseram equipá-los com motores elétricos de propulsão iônica, alimentado por eletricidade gerada por energia solar e usando pequenas quantidades de gás xenônio como propelente. Isso permitiria aos satélites retransmitir sinais de rádio continuamente, mesmo durante os períodos em que Marte e a Terra estão em conjunção [fonte:Phys.org].
E se houvesse uma cadeia de relés entre a nave estelar e a Terra? Taxi / Getty Images Comunicação interplanetária, claro, não é necessariamente apenas sobre nosso próprio sistema solar. Desde que os astrônomos descobriram o primeiro planeta orbitando uma estrela semelhante ao Sol em 1995, cientistas descobriram muitos outros exoplanetas, como os mundos fora de nosso sistema solar são chamados [fonte:NASA]. Em outubro de 2012, eles até descobriram um planeta aproximadamente do tamanho da Terra orbitando a estrela Alpha Centrauri B, que está no sistema vizinho mais próximo de estrelas, cerca de 2,35 trilhões de milhas (3,78 trilhões de quilômetros) de distância [fonte:Betts].
Essa é uma distância assustadoramente grande, para ter certeza. Mas mesmo assim, alguns cientistas espaciais imaginam um dia o lançamento de uma nave gigante que, essencialmente, seria um móvel, versão em miniatura independente da Terra, capaz de sustentar gerações sucessivas de astronautas que se aventurariam pelo espaço interestelar em um esforço para alcançar outros planetas habitáveis e possivelmente até fazer contato com civilizações extraterrestres.
Projeto Ícaro, um esforço recente de cientistas espaciais e futuristas para criar um projeto para essa missão, ponderou o problema de como tal nave continuaria a se comunicar com a Terra à medida que avançava cada vez mais no desconhecido. Eles descobriram uma solução intrigante:ao longo do caminho, o enorme navio lançaria periodicamente latas de combustível vazias equipadas com equipamento de retransmissão de sinal, formando uma cadeia que enviaria mensagens da espaçonave para a Terra. "A ideia é que, com uma cadeia de retransmissores entre Ícaro e a Terra, cada 'salto' do sinal é uma distância muito menor do que toda a distância de vários anos-luz, "Pat Galea, um engenheiro britânico que participou do projeto de design, escreveu em 2012. "Para que pudéssemos, potencialmente, reduzir o requisito de energia do transmissor, ou o tamanho da antena em Icarus, ou alternativamente, aumentar a taxa de dados que pode ser enviada pelo link "[fonte:Galea].
Os cientistas sugeriram a construção de vários sistemas solares que recebem estações, que seriam enormes arranjos de antenas se estendendo por muitos quilômetros em diferentes locais da Terra. Cultura / Walter Zerla / Getty Images Os cientistas e futuristas trabalhando no Projeto Icarus - uma tentativa especulativa de projetar uma nave capaz de alcançar o sistema estelar vizinho mais próximo, cerca de 2,35 trilhões de milhas (3,78 trilhões de quilômetros) de distância - passou muito tempo pensando sobre como tal nave poderia permanecer em contato com a Terra enquanto viajava através da enormidade do espaço interestelar. No item anterior desta lista, mencionamos o conceito de uma trilha semelhante a uma migalha de pão de links de comunicação que a nave deixaria em seu rastro. Mas de volta à Terra, aqueles que monitoram a missão ainda enfrentam o desafio de tentar captar sinais da nave e filtrar o ruído eletromagnético ambiente do espaço - uma tarefa ainda mais difícil pela atmosfera da Terra, o que enfraqueceria os sinais.
Para maximizar a capacidade de fazer isso, Os planejadores do Projeto Ícaro sugeriram a construção de várias estações receptoras de sistemas solares, que seriam enormes arranjos de antenas se estendendo por muitos quilômetros em diferentes locais da Terra. As antenas em tal matriz funcionariam em sinergia para detectar e capturar os sinais fracos contendo mensagens da nave. (Pense nesta analogia:se um jogador de beisebol acerta um home run nas arquibancadas de um estádio de beisebol, é mais provável que a bola seja pega por um fã se as arquibancadas estiverem cheias de pessoas.) Como a Terra gira, as antenas em um SSRS específico estariam apontando para a nave estelar distante por uma pequena fração de cada dia, e o clima naquele local da Terra pode dificultar a recepção. Por essa razão, pode ser sensato construir vários arranjos de antenas em diferentes locais da Terra, para garantir que possamos manter uma comunicação quase contínua [fonte:Galea].
E se a nave de comunicação usasse o sol como lente para ampliar os sinais da nave e transmiti-los para a Terra? Rob Atkins / The Image Bank / Getty Images Aqui está mais uma ideia elaborada pelos pesquisadores do Projeto Icarus. De acordo com as teorias da relatividade de Einstein, as forças gravitacionais de objetos extremamente massivos podem realmente desviar a luz que passa perto deles e concentrá-la, da mesma forma que uma lupa de mão faz. Isso deu ao think tank do Projeto Icarus a ideia de usar esse efeito para focar e aumentar as transmissões de uma espaçonave distante. A maneira como eles fariam isso, reconhecidamente, é um pouco difícil para um não físico compreender:uma espaçonave capaz de receber transmissões de comunicações seria posicionada no espaço interestelar oposto à direção em que a nave está indo, cerca de 51 bilhões de milhas (82 bilhões de quilômetros) de distância do sol. Isso é realmente, realmente longe - cerca de 18 vezes a distância entre Plutão e o sol, na verdade - mas vamos supor que uma civilização terrestre capaz de enviar uma nave estelar a trilhões de milhas da Terra possa fazer isso. A nave de comunicação usaria o sol como uma lente para ampliar os sinais que recebe da nave distante, e então iria transmiti-los de volta para a Terra através de algum outro sistema, como uma rede de satélites com links de laser.
"O ganho potencial com isso é imenso, "O engenheiro Pat Galea explicou ao Discovery News em 2012." A potência do transmissor no Icarus poderia ser reduzida a níveis muito mais baixos sem afetar a taxa de dados disponível, ou se o poder é mantido o mesmo, poderíamos estar recebendo muito mais dados do que um link direto forneceria. "Por mais engenhoso que possa parecer, Contudo, o esquema também tem algumas complicações do tamanho de Júpiter. Seria necessário, por exemplo, para manter a espaçonave receptora, aquele que recebe os sinais da nave, muito perto de estar perfeitamente alinhado em todos os momentos, e mantê-lo assim pode provar muito, muito difícil [fonte:Galea, Obousy et al].
A antena da Goldstone Deep Space Station (Califórnia) faz parte da Deep Space Network (DSN), uma rede internacional de grandes antenas e instalações de comunicação que apóiam missões de espaçonaves interplanetárias. Harald Sund / The Image Bank / Getty Images Quando as transmissões de uma espaçonave distante chegam à Terra, eles se degradaram, até o ponto em que um sinal pode realmente conter menos do que um fóton de energia [fonte:Rambo]. E isso é realmente, muito fraco. Lembre-se de que os fótons, as minúsculas partículas sem massa que são a menor unidade de energia, são incrivelmente pequenos; um telefone celular típico emite de 10 à 24ª potência de fótons a cada segundo [fonte:University of Illinois]. Escolher aquele sinal assustadoramente fraco da cacofonia irreprimível do espaço e entendê-lo pode ser tão difícil quanto, dizer, encontrar uma mensagem flutuando em uma garrafa em algum lugar dos oceanos da Terra. Mas os pesquisadores descobriram uma solução intrigante, de acordo com o site do Programa de Tecnologia Espacial da NASA, que subscreve esse tipo de solução de problemas.
Em vez de enviar um único sinal ou pulso de energia, uma espaçonave tentando se comunicar com a Terra enviaria muitas cópias desse sinal, tudo de uma vez. Quando os sinais enfraquecidos chegaram à Terra, o controle da missão usaria um dispositivo chamado receptor óptico estruturado, ou receptor Guha (após o cientista, Saikat Guha, quem inventou o conceito), essencialmente remontar o minúsculo sobrevivente, pedaços fracos de todos aqueles sinais duplicados, e juntá-los para reconstruir a mensagem [fontes:Rambo, Guha]. Imagine desta forma:pegue uma mensagem digitada em um pedaço de papel, e imprimir mil cópias dele, e passe-os por uma trituradora e, em seguida, misture os pequenos pedaços resultantes. Mesmo que você jogue a maioria dessas pequenas peças no lixo, os restantes podem fornecer informações suficientes para reconstruir a mensagem no papel.
Um modelo do túnel Large Hadron Collider (LHC) visto no centro de visitantes do CERN (Organização Europeia para Pesquisa Nuclear) em Genebra-Meyrin, Suíça. O LHC é o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo. Johannes Simon / Getty Images Não importa quantos dispositivos incrivelmente complicados que desenvolvamos para juntar os débeis sinais de comunicação que lutam para nos alcançar do espaço profundo, ainda enfrentamos outro, problema ainda mais desafiador. Dentro de nosso sistema solar, as distâncias são tão grandes que fáceis, comunicação instantânea de ida e volta do tipo a que estamos acostumados na Terra - uma conversa por vídeo no estilo Skype, por exemplo - não é realmente viável, pelo menos com a tecnologia atual. E se vamos viajar para planetas fora do nosso sistema solar, isso se tornaria praticamente impossível. Se uma nave chegou ao nosso vizinho interestelar mais próximo, o sistema estelar Alpha Centauri a trilhões de milhas de distância, levaria 4,2 anos para cada lado de uma voz, transmissão de vídeo ou texto para cruzar essa distância incrivelmente grande. É por isso que os visionários há muito estão intrigados com a ideia de transmitir mensagens por meio de feixes de partículas subatômicas que viajariam mais rápido que a luz.
Uau - parece uma solução fácil, não é? Mas adivinhe novamente. Para que esse esquema funcione, aparentemente teríamos que abrir um grande buraco na teoria da relatividade especial de Einstein, que proíbe qualquer coisa de se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Por outro lado, talvez não. Em 2012, dois matemáticos publicaram um artigo em uma revista científica britânica, alegando que há uma maneira de esmagar os cálculos de Einstein e mostrar que velocidades mais rápidas do que a da luz são realmente possíveis [fonte:Moskowitz]. Mas se esses dissidentes estiverem certos, ainda teríamos que realmente encontrar alguma prova de que as partículas podem se mover mais rápido do que a velocidade da luz, e até agora não.
Houve um experimento de 2011 altamente divulgado, em que pesquisadores do acelerador de partículas CERN na Europa supostamente cronometraram partículas chamadas neutrinos que se movem um pouco mais rápido do que o limite de velocidade de Einstein. Mas como se viu, uma falha no cabo de fibra ótica do equipamento dos pesquisadores aparentemente causou uma leitura falsa (não estava completamente conectado) [fonte:Boyle]. Isso acabou com as perspectivas de um neutrinofone cósmico, pelo menos por enquanto.
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