Bezprzewodowa transmisja danych – klucz nie tylko do rozwoju ludzkości, ale i eksploracji kosmosu -

Od wieków filozofowie oraz naukowcy wszelkich dziedzin zastanawiają się, co właściwie kieruje człowiekiem, jak również ludzkością w ogóle. Czego się w trakcie tych badań i dywagacji dowiedzieliśmy? Cóż, jest tego całkiem sporo, ale wydaje się, że jeszcze więcej pozostaje do odkrycia. Niemniej, człowiek ma kilka określonych cech, które odpowiadają za to, że ludzkość się rozwija i podąża „do przodu”. Wszelki postęp czy poszczególne osiągnięcia nie są jedynie wynikiem ewolucji, popychającej nas do cywilizacyjnego pędu ku lepszemu przystosowaniu do otaczających nas warunków. Jest też pewien szczególny czynnik, stojący za wszelkimi dokonaniami i odkryciami, a jest nim… ciekawość.

Rola ciekawości w rozwoju nauki i technologii

Zwykło się mawiać, że ludzka fantazja nie ma granic i podobnie jest z ciekawością. Od lat nie tylko staramy się zgłębić tajniki naszej cywilizacji oraz przeszłości, ale też istotę naszego pochodzenia i cel bytu. Wydaje się to jednak za mało dla ciekawych nie tylko ludzi, ale i całego świata badaczy, starających się zbadać możliwie jak najwięcej istot zamieszkujących naszą planetę, wyjaśnić odwiecznie działania natury, czy odkryć najodleglejsze i najbardziej tajemnicze zakątki Ziemi. To właśnie ciekawość jest przyczyną wszystkich odkryć, dokonanych w dziejach ludzkości i charakteryzuje zdecydowaną większość ludzi. Oczywiście nie u wszystkich jest ona jednakowa i to właśnie jej wysoki poziom charakteryzuje badaczy oraz odkrywców, o ile łączy się z rozsądkiem. Wszak ciekawość i głupota to jedno z najgorszych połączeń, a posiadacze obydwu tych cech raczej nie szczycą się długim żywotem. Wrócimy jednak do meritum.

W rozwoju naszej cywilizacji można dostrzec pewne zależności, które wspólnie się napędzają. Ciekawość popycha ludzi do odkryć, dzięki którym powstają narzędzia umożliwiające kolejne postępy w nauce i tym samym – dalsze zaspokajanie ciekawości. W ten sposób ciekawość i technologia wzajemnie się napędzają, jak jednak stwierdził F. Scott Fitzgerald – „Im więcej wiesz, tym więcej pozostaje do poznania i wciąż tego przybywa”. Trzeba przyznać, że ciężko o trafniejsze spostrzeżenie i dowodem na to jest obecna sytuacja, w której dysponujemy narzędziami pozwalającymi na rozszerzenie badań poza zakres naszej planety i eksplorację otaczającej nas przestrzeni kosmicznej, a to wyjątkowo „ciekawy” temat.

Nowe światy – nowe możliwości

Naturalnym jest, że gdy spoglądamy na nieboskłon i oddajemy się choć krótkiej chwili zadumy, to niemal automatycznie w naszym umyśle formułują się liczne pytania. Co tam jest, czy jesteśmy sami we wszechświecie, jakie warunki tam panują i czy człowiek mógłby mieszkać na innej planecie. To jedynie część przykładów zagadnień nurtujących ludzkość od momentu, gdy pierwszy człowiek spojrzał w niebo. Kwestią więc czasu i możliwości było rozpoczęcie badań, mogących choć trochę poszerzyć naszą wiedzę w tym zakresie. Dlatego też, już od samego początku prowadzenia działań w przestrzeni kosmicznej rozgrzewały one zainteresowanie opinii publicznej do czerwoności, a pierwsze lądowanie człowieka na Księżycu powszechnie uważane jest za jedno z najważniejszych wydarzeń w dziejach ludzkości. Od tamtej pory minęło już wiele lat, a technologia znacznie się rozwinęła, podobnie zresztą jak zakres samych badań. Wbrew pozorom nie chodzi już jedynie o eksplorację kosmosu i sprawdzenie „co tam jest”, bowiem prowadzone w przestrzeni kosmicznej badania poszerzają zakres wiedzy naukowej, w sposób umożliwiający jej realne wykorzystanie do rozwiązywania wielu teraźniejszych problemów. Przykładem może być choćby prowadzenie eksperymentów nad organizmami żywymi w warunkach pozaziemskich. W przypadku roślin ma to potencjał do opracowania nowych gatunków i metod upraw, które umożliwią m.in. szybszą produkcję żywności. Ogromne nadzieje wiązane są także z badaniami nad bakteriami, ich rozwojem, funkcjonowaniem oraz sposobami na walkę z nimi, co może przyczynić się m.in. do zwalczania chorób. To jedynie tzw. pierwsze z brzegu, prowadzone obecnie działania naukowe, związane z przestrzenią kosmiczna, a od razu widać, jak istotną rolę ich wyniki mogą odegrać już teraz.

Częścią tego kosmicznego procesu badawczego jest zarówno eksploracja kolejnych obszarów przestrzeni kosmicznej, jak i poszczególnych ciał niebieski, które w chwili obecnej są w naszym zasięgu technologicznym. W bieżącym roku mieliśmy możliwość obserwowania sporej ilości aktywności w tej tematyce, m.in. intensywnych działań na powierzchni Marsa i lądowania dwóch kolejnych łazików marsjańskich – amerykańskiego Perseverance oraz chińskiego Zhuronga. Tam też została wysłana sonda badawcza Zjednoczonych Emiratów Arabskich – Al Amal, a podobne urządzenia skanują obecnie także Wenus, Jowisza, Saturn, jak i w dalszym ciągu – naszą Ziemię. Dodatkowo, Chiny rozpoczęły prężne prace nad budową własnej stacji kosmicznej i działania w tym kierunku postępują wręcz w zawrotnym tempie. Wymienianie wszystkich przedsięwzięć kosmicznych zajęłoby naprawdę wiele czasu, nawet gdybyśmy ograniczyli listę jedynie do 2021 roku. Watro przy tym zaznaczyć, iż na rozwój technologii kosmicznych przeznaczane są ogromne nakłady finansowe, a rozwiązania opracowywane w trakcie prac niejednokrotnie implementowane są także w codziennym życiu. Tak więc reasumując – rozwój działań kosmicznych to również rozwój ludzkości „tu i teraz”. Nasze działania w przestrzeni kosmicznej przynoszą wymierne efekty, jednak same wymagają zaangażowania i inwestycji, w tym nowych technologii. Bez tego bowiem, żadne z kosmicznych odkryć nie byłoby możliwe. Jedną z najbardziej kluczowych, a jednocześnie często pomijanych w podobnych dywagacjach kwestii, jest łączność bezprzewodowa.

Kosmiczna pustka i cisza

„W kosmosie nikt nie usłyszy twojego krzyku” – to słynne hasło z kampanii filmu „Obcy – ósmy pasażer Nostromo” z 1979 roku. W tym zdaniu jest więcej prawdy, niż mogłoby się wydawać i nie dotyczy to jedynie odległości, w jakiej tytułowy statek kosmiczny znajduje się od Ziemi. Nie każdy zdaje sobie bowiem sprawę, że nawet będąc w bliskiej styczności ze źródłem potencjalnego dźwięku – w kosmosie nic nie usłyszymy. Dlaczego?

Należy w tym wypadku zacząć od wyjaśnienia poszczególnych terminów. Określenie „przestrzeń kosmiczna” odnosi się do przestrzeni poza obszarem ciał niebieskich, czyli wszelkich gwiazd i planet. W przypadku Ziemi, umowna granica pomiędzy przestrzenią naszej planety, a kosmiczną znajduje się na wysokości około 100 km i jest to tzw. linia Kármána. Przestrzeń kosmiczna jest natomiast próżnią [1], co oznacza, że (w największym uproszczeniu) jest ona pusta [2]. Jak to ma się jednak do dźwięku? Otóż, dźwięk to wrażenie słuchowe, będące wynikiem fal akustycznych, które rozchodzą się tzw. ośrodkach sprężystych, czyli w ciałach stałych, cieczach lub gazie. [3] Jak już jednak wspomniano, w przestrzeni kosmicznej jest próżnia, czyli pustka, w której nie ma żadnego z wymienionych ośrodków sprężystych. Przez to, fale akustyczne nie mają się w czym rozchodzić, a tym samym jak powstać i w efekcie – nie ma dźwięku. Reasumując, przestrzeń kosmiczna jest pustką, w której nie rozchodzi się dźwięk. Dlatego też, aby móc w ogóle brać pod uwagę jakiekolwiek działania w przestrzeni kosmicznej, należy w pierwszej kolejności zapewnić wszelką możliwą łączność.

Samo wysłanie w przestrzeń kosmiczną urządzeń nie ma przecież sensu, jeśli nie jesteśmy w stanie odbierać od nich zebranych informacji i mieć nad nimi choć ograniczonej kontroli. W takim wypadku cała akcja wyglądałaby, jak wypuszczenie balona w powietrze – poleciałby i tyle, koniec historii. Jeśli jednak chcemy cokolwiek uzyskać z działań kosmicznych, np. dane i zdjęcia, to łączność jest po prostu niezbędna. Zasadności jej „bezprzewodowości” nie trzeba przy tym chyba nikomu tłumaczyć, jak również tego, jak kuriozalną perspektywą byłoby stałe, przewodowe połączenie odbiornika znajdującego się na Ziemi z urządzeniem wysłanym w kosmos. Nie mówiąc już o tym, że w praktyce jest to całkowicie niewykonalne. Kolejną, nie mniej istotną kwestią, jest komunikacja pomiędzy samymi członkami załogi misji, w tym również komunikacja tzw. bliskiego zasięgu. Weźmy na przykład kosmonautów dokonujących prac na zewnątrz stacji kosmicznej, co nie byłoby możliwe, a tym bardziej bezpieczne, bez możliwości kontaktowania się ich z załogą wewnątrz stacji, jak i towarzyszącymi im na zewnątrz osobami.

Odrębną sprawą jest poniekąd komunikacja na innych planetach. Pomimo braku próżni należy bowiem wziąć pod uwagę, że panuje na nich odmienna od ziemskiej atmosfera i dźwięk w tamtejszych warunkach może różnić się od naszych oczekiwań oraz potrzeb. Weźmy na przykład nawet nasze naturalne zjawiska, jak mgła, czy też wydawanie dźwięków w jaskiniach. Dźwięk roznosi się w takim przypadku zupełnie inaczej i może na przykład utrudniać nawigację. Chcąc więc dokonywać kolejnych odkryć w przestrzeniach pozaziemskich, czy eksplorować powierzchnie innych planet, kluczowym elementem jest w tym łączność bezprzewodowa. Bez spełnienia tego warunku wszelkie działania w obszarze kosmosu nie są możliwe.

Łączność bezprzewodowa w kosmosie na dużych odległościach

W celu zapewnienia komunikacji na dużych odległościach oraz w warunkach braku możliwości wytworzenia fal dźwiękowych (do powstania dźwięku w klasycznym ujęciu), konieczne są zmiany. Konkretnie, zmiana fal dźwiękowych na fale radiowe. Nie jest to jednak nic nowego, bowiem już od dawna korzystamy z takich technologii, od telegrafu począwszy, przez kablowe radio, telewizję i Internet, aż po bezprzewodową transmisję danych, którą możemy się cieszyć na co dzień. Każdy z nas praktycznie każdego dnia korzysta z dobrodziejstw przesyłania informacji na odległość, a od niedawna możemy to robić w jeszcze nowszej i znacznie udoskonalonej wersji, w postaci 5G. Ta implementowana właśnie rewolucja technologiczna umożliwia szybszą, sprawniejszą, wydajniejszą i bardziej niezawodną transmisję danych, co przełoży się na poprawę funkcjonowania większości obszarów naszego życia [4]. Podobnie jest w przedsięwzięciach kosmicznych – im lepsza łączność bezprzewodowa, tym skuteczniejsze działania.

Bezprzewodowa transmisja danych w kosmosie przebiega na różne sposoby. W przypadku znacznych odległości wykorzystywane są satelity taką łączność umożliwiające, jak również ogromnych rozmiarów anteny naziemne, będące w stanie wysyłać i odbierać sygnał na niewiarygodne wręcz odległości. Do tego celu stosuje się jednak określone fale radiowe – wysyłane z prędkością światła, czyli znacznie szybciej, niż w naszej łączności bezprzewodowej. Muszą być one również nadawane w określonej częstotliwości, ponieważ niektóre z nich są zwyczajnie odbijane przez ziemską atmosferę. [5] Warto przy tym jednak zaznaczyć, że im większy dystans musi pokonać sygnał, tym większe są opóźnienia pomiędzy momentem nadania, a odebrania wiadomości, nawet przy takich prędkościach. Przykładem mogą być sondy kosmiczne badające rubieże naszego Układu Słonecznego. Nadany przez tak odległe urządzenia sygnał potrafi dotrzeć na Ziemię dopiero po kilkunastu godzinach. Co więcej, mowa tu o „w miarę prostych” informacjach, bowiem transfer za pomocą fal radiowych złożonych pakietów danych, jak np. obraz czy też mapa, z Marsa (czyli znacznie bliższego punktu) trwałby przy obecnej technologii nawet kilka lat. Problemem jest jednak nie tylko odległość, ale i sama specyfika funkcjonowania obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej. Weźmy choćby ruch obrotowy Ziemi oraz poruszanie się poszczególnych obiektów w kosmosie względem siebie. [6] Dobrze pokazuje to np. przesył informacji pomiędzy naszą planetą, a łazikami marsjańskimi. Ze względu na specyfikę przedsięwzięcia, urządzenia znajdujące się na Marsie w pierwszej kolejności wysyłają sygnał na satelity znajdujące się na orbicie czerwonej planety, a dopiero stamtąd wychodzi transfer trafiający do naziemnej obsługi misji kosmicznej za pośrednictwem globalnej sieci anten – Deep Space Network (DSN). W odwrotnym kierunku, komunikacja ta odbywa się tą samą drogą. [7] Choć przedstawione rozwiązania się sprawdzają, to jak już wspomniano – nie są one bez wad (zakłócenia i opóźnienia). Dlatego trwają obecnie także prace nad nową metodą komunikacji na wspomniane, duże odległości, a w centrum ich zainteresowania jest laserowy przesył danych. Potencjalnie to rozwiązanie umożliwi nawet dziesięć razy szybszy transfer informacji niż dzisiejszy – za pomocą fal radiowych [8].

Bliska komunikacja wcale nie musi być łatwiejsza

Na mniejszych odległościach, czyli na przykład do komunikacji pomiędzy astronautami, stosowane są natomiast sieci wykorzystujące niewielkich rozmiarów odbiorniki. Taki przesył oparty jest na falach radiowych UHF, czyli takich, jak stosowane w transmisji komórkowej czy Bluetooth. Dlatego też podstawowym elementem wyposażenia każdego skafandra kosmicznego jest specjalny zestaw słuchawkowy podłączony do odbiornika, dzięki któremu astronauci mogą porozumiewać się m.in. między sobą poza pojazdem czy stacją [9].

Na powierzchniach planet, które jesteśmy obecnie w stanie fizycznie eksplorować, również sprawdzą się rozwiązania stosowane na Ziemi. Chodzi o stworzenie złożonej infrastruktury opartej m.in. na stacjach nadawczych, a także urządzeniach umożliwiających odbiór sygnałów z nich pochodzących. W przybliżeniu będzie więc ona podobna do infrastruktury ziemskiej, przypominając tą wykorzystywaną chociażby w technologii 5G. W najbliższych planach są misje załogowe na dwa bliskie nam ciała niebieskie – ziemskiego, naturalnego satelitę w postaci Księżyca oraz na Marsa [10]. Dlatego też trwają prężne prace nad opracowaniem systemu komunikacyjnego, odpowiedniego do zastosowania na powierzchni tych konkretnych miejsc. W przypadku budowy infrastruktury komunikacyjnej na Księżycu, Amerykańska Agencja Kosmiczna (NASA) nawiązała współpracę z firmą Nokia. Firma będzie więc odpowiadać za budowę pierwszej sieci bezprzewodowej poza Ziemią i będzie to w tym przypadku sieć 4G. Naukowcy z Nokia Bell Labs opracują także poszczególne rozwiązania w ramach tej nowoczesnej sieci na Księżycu, a pierwsze urządzenie, umożliwiające pozaziemską komunikację za pomocą LTE, ma zostać uruchomione na powierzchni srebrnego globu już na koniec 2022 roku [11].

Ambicje wymagające komunikacji

Jak widać, choć eksploracja kosmosu jest równie perspektywiczna, co fascynująca, to wymaga ona dużego zaangażowania. Dotyczy to wszelkich aspektów tak skomplikowanych przedsięwzięć, jakimi są misje pozaziemskie, więc żadnego szczegółu nie można bagatelizować. Szczególnie, że zależy od tego nie tylko powodzenie prowadzonych działań, ale w przypadku misji załogowych również bezpieczeństwo wielu ludzi. W tym wypadku komunikacja wyrasta więc na jeden z nadrzędnych wymogów związanych z eksploracją kosmosu i wysiłki wkładane w opracowanie najnowocześniejszych rozwiązań technologicznych są zdecydowanie uzasadnione. Wynikiem tego wszystkiego będzie natomiast rozwój całej ludzkiej cywilizacji i to w różnych aspektach, a także zwyczajne… zaspokojenie ludzkiej ciekawości, która w tym przypadku popycha nas aż do gwiazd.