اینترنت در اعماق فضا؛ فضانوردان آرتمیس ۲ چگونه با زمین ارتباط برقرار می‌کنند؟

فضانوردان ماموریت آرتمیس ۲ ناسا، بامداد پنجشنبه به وقت ایران پس از مدت‌ها انتظار سرانجام با پرتاب برفراز موشک غول‌پیکر اسپیس لانچ سیستم (SLS)، اولین سفر انسانی به ماه در بیش از نیم‌قرن گذشته را آغاز کردند. آن‌ها اکنون در چهارمین روز ماموریت، بیش از نیمی از مسیر ماه را پیموده‌اند و انتظار می‌رود که تا بامداد سه‌شنبه ۱۸ فروردین به وقت ایران، به مقصد برسند.

ماموریت تاریخی آرتمیس ۲ درحالی به‌پیش می‌رود که ایرانیان در ۳۷امین روز قطعی سرتاسری اینترنت به‌سر می‌برند و حتی امکان ساده‌ترین کارها، نظیر جستجو در گوگل یا چک‌کردن ایمیل‌ها را از دست داده‌اند. در مقابل، خدمه آرتمیس ۲ در چهار روز گذشته، حجم چشمگیری از اطلاعات ازجمله داده‌های علمی، پخش زنده از درون فضاپیمای اوراین و عکس‌های خیره‌کننده از سیاره زمین، ماه و خودشان را به زمین ارسال کرده‌اند.

اکنون این پرسش مطرح می‌شود که فضانوردان چگونه داده‌های خود را از فاصله‌ی ده‌ها هزار کیلومتری به زمین می‌فرستند؟ آیا آن‌ها مثل ما به اینترنت دسترسی دارند؟ آیا می‌توانند مستقیم در گوگل سرچ کنند، در اینستاگرام اسکرول کنند یا به تماشای ویدئوهای یوتیوب بپردازند؟ پاسخ به این پرسش‌ها، دریچه‌ای به‌سوی درک پیشرفته‌ترین زیرساخت‌های مخابراتی دنیا می‌گشاید.

برای درک شکوه سامانه‌های ارتباطی آرتمیس ۲، ابتدا باید به دهه‌ی ۶۰ میلادی و عصر آپولو بازگردیم؛ زمانی که تمام ارتباطات فضایی میان زمین و ماه برعهده‌ی سیستم‌هایی بود که امروزه حتی از کنترل‌ از راه دور پارکینگ خانه‌هایمان نیز ضعیف‌تر به‌نظر می‌آیند.

در ماموریت‌های آپولو، پهنای باند به قدری محدود بود که ناسا مجبور بود بین ارسال صدای فضانورد یا ارسال تصاویر تلویزیونی، یکی را انتخاب کند. آن تصاویر نمادین و لرزانِ سیاه‌وسفیدی که از قدم‌گذاشتن نیل آرمسترانگ بر ماه دیدیم، با نرخ فریم بسیار پایین و روی فرکانس‌های رادیویی بسیار باریک ارسال شده بودند که امروزه حتی برای بازکردن یک صفحه‌ی وب ساده هم کافی نیستند.

در عصر آپولو، ناسا برای حفظ ارتباطات حیاتی در فضا، سامانه‌ای به نام شبکه فضای دوردست (Deep Space Network) یا به اختصار DSN را بنا نهاد. این سیستم که هنوز هم قلب تپنده ارتباطات فضایی را تشکیل می‌دهد، شامل سه مجتمع آنتن عظیم رادیویی در سراسر جهان است: گلدستون در کالیفرنیا، مادرید در اسپانیا و کانبرا در استرالیا. این توزیع جغرافیایی (با فاصله‌ی تقریبی ۱۲۰ درجه از یکدیگر) تضمین می‌کند که با چرخش زمین، همیشه حداقل یک آنتن رو به فضاپیما باشد تا ارتباط هرگز قطع نشود.

دیش‌های غول‌پیکر DSN که قطر بزرگ‌ترین آن‌ها به ۷۰ متر می‌رسد، باید سیگنال‌هایی را شکار کنند که پس از پیمودن مسافت‌های نجومی، توانشان به کمتر از یک‌میلیاردم توان باتری ساعت مچی رسیده است. در طول دهه‌ها، شبکه فضای دوردست از سه باند اصلی برای صحبت با فضاپیماها استفاده کرده است که هر کدام محدودیت‌های فنی خاص خود را دارند:

باند S (فرکانس ۲ تا ۴ گیگاهرتز): این باند که در دوران آپولو ستاره میدان بود، امروزه حکم «تلفن اضطراری» را دارد. باند S به دلیل طول موج بلندش، به راحتی از جو زمین می‌گذرد و در برابر باران و ابرها مقاوم است، اما نرخ انتقال داده در آن به قدری پایین است که برای ارسال یک عکس باکیفیت از ماه، ممکن است چندین ساعت زمان نیاز داشته باشد.

باند X (فرکانس ۸ تا ۱۲ گیگاهرتز): این باند استاندارد طلایی مأموریت‌های رباتیک مثل مریخ‌نورد پرسویرنس است، پایداری بسیار بالایی دارد و می‌تواند حجم مناسبی از داده‌های تله‌متری (علائم حیاتی فضاپیما) را جابه‌جا کند، اما باز هم برای دوران ویدیوهای 4K و اینترنت پرسرعت، یک گلوگاه محسوب می‌شود.

باند Ka (فرکانس ۲۶ تا ۴۰ گیگاهرتز): این باند که در سال‌های اخیر وارد مدار شده، پهنای باند بسیار بیشتری را فراهم می‌کند (مشابه جهش از نسل دوم به نسل چهارم موبایل). تلسکوپ جیمز وب از این باند برای ارسال تصاویر حجیم خود استفاده می‌کند. بااین‌حال، بزرگ‌ترین نقطه‌ضعف باند Ka حساسیت شدید آن به شرایط جوی است؛ یک لایه ابر ضخیم یا باران شدید در سایت گیرنده روی زمین می‌تواند به راحتی سیگنال را مختل کند.

آرتمیس ۲ در حالی پرتاب شده که هنوز از میراث رادیویی عصر آپولو برای عملکردهای حیاتی و نجات‌بخش استفاده می‌کند؛ اما برای اولین بار، باری که بر دوش آن آنتن‌های بزرگ قدیمی بود، با ظهور «لیزر» سبک شده است. ناسا دریافته که برای تبدیل بشر به موجود چندسیاره‌ای، دیگر نمی‌توان به امواج رادیویی تکیه کرد که از زمان گولیلمو مارکُنی، مهندس برق ایتالیایی و پدر ارتباطات رادیویی، تفاوت ساختاری چندانی نکرده‌اند. اینجاست که اوراین با سیستم نوری نوین خود، عصر جدیدی را در ارتباطات فضایی آغاز می‌کند.

تحول اصلی در آرتمیس ۲، بهره‌گیری از سامانه‌ی ارتباطاتی جدیدی به نام «اوراین اپتیکال کامیونیکیشنز» یا به اختصار O2O است. این فناوری به جای امواج رادیویی، از پرتوهای لیزر فروسرخ برای انتقال داده بهره می‌برد. تفاوت این سیستم با رادیو، مشابه تفاوت کابل مسی با فیبر نوری است.

برای درک عظمت این پیشرفت، باید به یکی از به‌روزرسانی‌های اخیر آرتمیس ۲ اشاره کنیم. ناسا اوایل بامداد یکشنبه ۱۶ فروردین در ایکس اعلام کرد که سامانه O2O فقط در سه روز اول ماموریت بیش از صد گیگابایت داده ارسال کرده است؛ درحالی‌که اگر سامانه‌های ارتباطی رادیویی باند S آپولو می‌خواستند چنین حجمی از داده را بفرستند، احتمالاً چندین سال طول می‌کشید.

بزرگراه ارتباطاتی O2O به فضانوردان امکان می‌دهد تا تصاویر باکیفیت و خیره‌کننده از فضا را بلافاصله به زمین ارسال کنند. عکس‌هایی که روز شنبه از ماموریت آرتمیس ۲ در زومیت منتشر کردیم، به‌لطف همین سیستم پیشرفته به‌دستمان رسیده‌اند.

میلاد میرکانی

تماشا کنید: تصاویر شگفت‌انگیز فضانوردان آرتمیس ۲ از زمین، ماه و خودشان

مطالعه '4

درمقابل، فضانوردان آپولو هیچ راهی برای ارسال فوری عکس‌ها به زمین حین ماموریت‌هایشان نداشتند. درواقع مردم برای دیدن تصاویر نمادینی مثل طلوع زمین، باید صبر می‌کردند تا فضانوردان به خانه بازگردند، چندین روز صرف ظاهرشدن نگاتیوهای ۷۰ میلی‌متری دوربین‌های آنالوگ هاسلبلاد شود و بعد تازه آن‌ها را در مجلات علمی تماشا کنند. درحالی‌که فضانوردان آرتمیس ۲ اکنون به‌لطف سامانه O2O به‌راحتی می‌توانند عکس‌هایشان را در شبکه‌های اجتماعی به اشتراک بگذارند.

ویژگی بعدی O2O بهره‌وری انرژی و فضا است. ترمینال لیزری روی فضاپیما بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر از آنتن‌های رادیویی بزرگ است. از آنجایی که پرتو لیزر بسیار متمرکز است و برخلاف امواج رادیویی پخش نمی‌شود، با مصرف انرژی بسیار کمتر، حجم بسیار بیشتری از داده را به زمین می‌رساند.

ویژگی جالب دیگر سامانه ارتباطات لیزری اوراین، بهره‌گیری از پروتکل «شبکه‌سازی تحمل تاخیر» یا به اختصار DTN است. این پروتکل به گونه‌ای طراحی شده تا اگر ارتباط به دلیل گذر فضاپیما از پشت ماه یا تداخل ابرها قطع شود، داده‌ها را در حافظه موقت ذخیره کند و به محض برقراری اتصال، از همان نقطه ادامه دهد؛ فرآیندی که در اینترنت معمولی به قطع کامل (Timeout) منجر می‌شود.

اما آیا فضانوردان به‌لطف دسترسی به سامانه‌ی ارتباطاتی پرسرعت O2O، می‌توانند به راحتی در اعماق فضا و در نزدیکی ماه در شبکه‌های اجتماعی اسکرول کنند یا ویدیوهای یوتیوب را ببینند؟ واقعیت این است که حتی با پهنای باند گیگابیتی هم تجربه «وب‌گردی زنده» در فضا همچنان چالش‌برانگیز است. با وجود سرعت انتقال داده‌ی ۲۶۰ مگابیتی، محدودیت در سرعت نور موجب تاخیر در شبکه می‌شود.

سیگنال نوری برای پیمودن فاصله ۳۸۰هزار کیلومتری زمین تا ماه حدود ۱٫۳ ثانیه در راه است. این یعنی هر دستور ساده (مانند کلیک روی یک لینک)، ۱٫۳ ثانیه طول می‌کشد تا به زمین برسد و ۱٫۳ ثانیه دیگر زمان می‌برد تا پاسخ آن به فضاپیما برگردد. این تأخیر رفت و برگشتی دست‌کم ۲٫۶ ثانیه‌ای، وب‌گردی تعاملی و استفاده از اپلیکیشن‌هایی مثل اینستاگرام یا ایکس را چالش‌برانگیز می‌کند؛ البته برای ما که به پینگ‌های بالا عادت کرده‌ایم، این مقدار ممکن است ناچیز به‌نظر برسد.

همچنین تمام فرآیند سنگین بارگذاری سایت‌ها و بافرکردن ویدئوها با کامپیوترهای زمینی انجام می‌شود و فقط خروجی تصویر آن برای فضانوردان ارسال می‌شود. با این روش می‌توان پهنای باند را نیز مدیریت و از بارگذاری محتواهای غیرضروری جلوگیری کرد. نکته‌ی مهم این است که کامپیوترهای هیوستون یک اینترنت فیلترشده را با دسترسی کنترل‌شده‌ی سازمانی ارائه می‌دهند. فیلتر محتوا عمدتاً شامل اسکریپت‌های تبلیغاتی سنگین و موارد غیرسازگار با پروتکل‌های اخلاقی و حرفه‌ای ناسا است.

اکنون این پرسش پیش می‌آید که خدمه آرتمیس ۲ چطور عکس‌هایشان را از فضا در اینستاگرام یا ایکس به اشتراک می‌گذارند؟ برخلاف آنچه به‌نظر می‌آید، فضانوردان نمی‌توانند مثل ما در اکسپلورر اینستاگرام بچرخند و وقت باارزششان را صرف تماشای محتواهای بی‌پایان کنند. به‌گفته‌ی رید وایزمن، فرمانده آرتمیس ۲، هر چهار فضانورد ماموریت، کنترل حساب شبکه‌های اجتماعی خود را دراختیار مسئول هماهنگ‌کننده‌ی شبکه‌های اجتماعی در هر سازمان فضایی قرار داده‌اند.

وایزمن می‌گوید: «ما محتوا را می‌نویسیم، ایده‌هایمان را به آن مسئول می‌دهیم و همچنان که درحال عزیمت به ماه و بازگشت به زمین هستیم، عکس‌هایمان را می‌فرستیم و آنگاه او در پلتفرم‌های مختلف پست می‌گذارد. ما خودمان پست می‌گذاریم، اما نه به‌طور مستقیم.»

محدودیت در انتشار مستقیم محتوا در شبکه‌های اجتماعی همچنین بدین خاطر انجام می‌شود که تیم‌های روابط عمومی ناسا باید محتوا را بررسی کنند تا مطمئن شوند هیچ داده‌ی فنی حساسی از فضاپیمای گران‌قیمت اوراین یا هرگونه نقص فنی که هنوز بررسی نشده، به اشتباه در تصاویر منتشر نشود.

فضانوردان علاوه‌بر انتشار غیرمستقیم پست در شبکه‌های اجتماعی، می‌توانند مستقیم ایمیل بزنند، اخبار را مرور کنند، تماس تصویری با کیفیت HD با خانواده، هرچند با تاخیر دست‌کم ۲٫۶ ثانیه‌ای داشته باشند یا امور بانکی خود را انجام دهند. آرتمیس ۲ ثابت کرده که اینترنت پرسرعت دیگر محدود به سطح زمین نیست. سیستم ارتباطاتی لیزری اوراین، پیش‌درآمدی برای ساخت شبکه «اینترنت میان‌سیاره‌ای» است که در آینده به مریخ خواهد رسید؛ جایی که تأخیر نه ۲ ثانیه، بلکه ۲۰ دقیقه خواهد بود!