Марсианскую пыль посчитали главным препятствием для лазерной связи c красной планетой

Одна из особых трудностей будущих марсианских миссий, особенно пилотируемых — это организация быстрой и стабильной связи с Землей. Сигналу требуется от четырех до 24 минут, чтобы дойти от нашей планеты до Марса или обратно, а пропускная способность существующих радиоканалов ограничена. Сейчас для связи используют сеть дальней космической связи NASA Deep Space Network. Однако в будущем планируют применять передовые лазерные системы, способные передавать данные значительно быстрее.

Главное препятствие для оптических лазерных сигналов — это марсианская пыль. Марс покрыт тонким слоем мелкодисперсной пыли, которую ветер легко поднимает в воздух, создавая пылевые бури. Иногда эти бури разрастаются до планетарных масштабов, охватывая всю планету на недели или даже месяцы.

В такие периоды солнечный свет почти не достигает поверхности, а видимость падает практически до нуля. Частицы пыли, намного тоньше человеческого волоса, могут подниматься на высоту до 60 километров. Любая система связи должна стабильно работать в таких сложных условиях, поэтому нужно тщательно оценить влияние пыли на оптические сигналы.

Команда ученых из Нидерландской организации прикладных научных исследований оценила, как атмосферная пыль Марса влияет на оптическую связь между поверхностью и спутниками на орбите. Результаты их работы опубликованы на сайте препринтов arXiv.

Исследователи использовали климатические данные из базы Mars Climate Database (MCD), чтобы составить карты ослабления света пылью в атмосфере при стандартных условиях и при повышенной запыленности («теплый» сценарий). База MCD содержит информацию о марсианской атмосфере, основанную на данных наблюдений за более чем десять марсианских лет с различных орбитальных аппаратов и роверов.

В своей работе ученые рассчитали, как частицы пыли влияют на лазерный сигнал с длиной волны 1,55 микрометра. Они проанализировали так называемую оптическую толщину пыли — меру того, насколько сильно пыль блокирует свет.

Данные MCD предоставляют оптическую толщину для вертикального столба атмосферы на длине волны 0,67 микрометра. Исследователи сопоставили эти значения с длиной волны 1,55 микрометра и установили, что оптическая толщина будет примерно в 1,1 раза выше. Затем они разработали модель для расчета оптической толщины вдоль наклонных траекторий — под разными углами к поверхности, так как спутник не всегда находится точно над наземной станцией.

Исследователи рассчитали энергетический бюджет канала связи — соотношение мощности передаваемого и принимаемого сигнала с учетом всех потерь — для гипотетической системы. Параметры системы включали мощность передатчика 200 милливатт, расходимость луча 380 микрорадиан и диаметр приемной антенны 800 миллиметров, аналогично параметрам наземной оптической станции TNO.

Команда определила максимально допустимый угол наклона трассы связи (угол между зенитом и направлением на спутник), при котором запас по мощности сигнала остается выше порогового значения в три децибела. Расчеты проводили для всей поверхности Марса и для разных месяцев, охватывающих как относительно чистые сезоны, так и периоды повышенной запыленности.

Рассматривали два сценария запыленности из MCD: стандартный год без глобальных бурь и «теплый» сценарий, когда повышенная запыленность соответствует максимуму наблюдений, увеличенному на 50%. Сценарий глобальной пылевой бури не рассматривали, так как при нем оптическая толщина настолько велика, что связь почти везде невозможна.

Результаты моделирования показали сильную зависимость возможности лазерной связи от концентрации пыли и местоположения наземной станции. В сценарии «климатология» связь возможна практически по всей планете, хотя максимальный угол наклона трассы меняется. В «теплом» сценарии, особенно в зимние месяцы в северных равнинных областях и круглогодично в обширной низине Равнина Эллады, концентрация пыли может стать настолько высокой, что связь невозможна даже при нахождении спутника прямо над станцией.

Напротив, полярные регионы и возвышенности, такие как плато Фарсида, остаются относительно чистыми, позволяя поддерживать связь под большими углами наклона. Анализ конкретных мест посадки показал, что на площадке аппарата Phoenix (высокие северные широты) связь возможна почти круглый год даже в «теплом» сценарии, тогда как на площадке марсохода Curiosity (около экватора) и особенно на Равнине Эллады часто возникают проблемы с закрытием канала связи из-за пыли, особенно в «теплом» сценарии. Например, на Равнине Эллады связь невозможна 260 из 360 марсианских дней в году при «теплом» сценарии.

Исследование подтверждает, что хотя лазерная связь перспективна для Марса, она сильно зависит от погодных условий и географического положения. Выбор места для наземной станции критически важен: высокогорные или полярные регионы предпочтительнее равнин, где скапливается пыль. Даже в относительно чистых районах связь может прерваться во время глобальной пылевой бури.

Для обеспечения надежного и непрерывного контакта с Землей, особенно для будущих пилотируемых миссий, необходимо разрабатывать гибридные системы связи, которые будут сочетать лазерные и радиочастотные каналы, и продумывать архитектуру сети, возможно, с использованием ретрансляторов на большой высоте или на орбите.