Wie man ein Internet auf dem Mars aufbaut.

Wenn Astronauten schließlich, möglicherweise in ein paar Jahrzehnten, zum Mars gelangen, benötigen sie eine Form der Kommunikation. Diese Kommunikation muss sich untereinander, auf alle Geräte auf dem Planeten und in seiner Umlaufbahn und natürlich auch auf die Missionskontrolle auf der Erde erstrecken. Da sie weit von zu Hause entfernt sind, ist eine Verbindung erforderlich, die es ihnen ermöglicht, mit ihren Lieben in Kontakt zu bleiben, ihre Musikwiedergabelisten zu aktualisieren oder ihre Lieblingssendungen zu streamen.

Leider ist es nicht möglich, eine Wi-Fi-Verbindung herzustellen, die eine Verbindung zum Internet der Erde herstellt. Da die Entfernung zwischen den beiden Planeten je nach Position auf ihrer Umlaufbahn etwa 55 bis 400 Millionen Kilometer beträgt, benötigen Astronauten eine andere Lösung.

Laut Claire Parfitt, einer Systemingenieurin bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die derzeit in Noordwijk, Niederlande, lebt, ist es angesichts bemannter Missionen zum Mars von entscheidender Bedeutung, über eine robuste Kommunikationsinfrastruktur zu verfügen. Sie verrät, dass mit der Erforschung dessen, was das bedeutet, begonnen wurde.

Wissenschaftler erforschen derzeit die Verbesserung bestehender Netzwerke sowie radikalere Alternativen. Ein Beispiel ist die Psyche-Mission der NASA, die im Oktober mit dem Ziel gestartet wurde, einen zwischen Mars und Jupiter positionierten Asteroiden zu untersuchen. Diese Mission wird auch die interplanetare Kommunikation mithilfe von Lasern testen, die im Vergleich zu Radiowellen, dem Kommunikationsmedium, das seit den Anfängen der Raumfahrt verwendet wird, weitaus größere Datenmengen übertragen können.

Allerdings gibt es keine bekannten Strategien, die die Kommunikationsverzögerung zwischen Erde und Mars aufgrund der Entfernung beseitigen können. Eine Nachricht, die mit Lichtgeschwindigkeit transportiert wird, kann für eine einfache Fahrt zwischen vier und 24 Minuten dauern. Eine schnelle Kommunikation mit der Einsatzleitung ist daher neben einem WhatsApp-Anruf nach Hause nicht möglich.

Astronauten müssen sich auch mit der Sonnenkonjunktion auseinandersetzen, einem Phänomen, bei dem die Sonne zwischen Erde und Mars gelangt, erklärt Parfitt. Dieser Vorfall unterbricht die Kommunikation etwa alle zwei Jahre für einige Wochen, wobei die letzte Störung bereits im November auftrat.

Die Erforschung neuer Ansätze könnte den Weg für mehr erdähnliche Kommunikationsmöglichkeiten auf dem Mars ebnen. Einige Forscher spekulieren bereits über ein mögliches Mars-Internet.

Mehrere Raumfahrtbehörden haben Lander, Rover und Satelliten auf dem Mars, die mit der Erde kommunizieren müssen.

Nehmen Sie als Beispiel den Perseverance Rover der NASA. Es sendet und empfängt zwei Arten von Daten. Eine davon sind Befehls- und Telemetriefunktionen, die eine Entscheidungsfindung über gesendete Anweisungen und empfangene Informationen von der Erde ermöglichen. Es empfängt täglich über 1.000 Befehle von der Erde. Zweitens gibt es die wissenschaftlichen Daten, zum Beispiel die von Percy gesammelten Gesteinsbilder vom Mars. Sogar die kürzlich abgeschlossenen Ingenuity-Missionen kommunizierten regelmäßig mit dem Rover zur Daten- und Befehlsübertragung zwischen ihm und der Erde. Umlaufende Satelliten wie der Mars Odyssey und der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA übertragen neben dem Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA auch wissenschaftliche Daten zurück zur Erde.

Perseverance und andere Marsrover empfangen Befehle von der Erde in der Regel über X-Band-Radiowellen. Obwohl Percy kleine Datenmengen direkt senden kann, verwendet er typischerweise Ultrahochfrequenz-Radiowellen (UHF), um Daten an die Orbiter des Mars Relay Network weiterzuleiten, die über umfangreiche Antennen zur Datenübertragung zur Erde verfügen. Percy übernahm auch Kommunikationsweiterleitungsaufgaben mit dem Ingenuity-Hubschrauber.

Wie die NASA beschreibt, wird ein Großteil der Marskommunikation in einem „eng choreografierten Tanz“ über das Mars Relay Network übertragen. Das Relaisnetzwerk umfasst fünf Orbiter, nämlich MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey und Mars Express, die Informationen über auf die Erde gerichtete Antennen übertragen. Ein Rover, der Daten zur Erde senden möchte, kommuniziert zunächst mit einem Orbiter über Ultrahochfrequenz-Funkübertragung. Sollte dieser Orbiter keine Sichtverbindung zur Erde haben, kann er die Daten speichern, bis er wieder Sichtverbindung hat, und sie dann an die Erde weiterleiten. Es gibt zahlreiche leistungsstarke globale Funkantennen, die ständig nach Pings aus dem Weltraum Ausschau halten.

Dieses System wird jedoch nicht ausreichen, wenn eine menschliche Besatzung auf dem Mars landet. Vincent Chan, ein MIT-Forscher im Bereich Glasfaser- und Satellitenkommunikation, sieht in der Kommunikation am Boden keine große Herausforderung. Die Marsbesatzung könne Radiofrequenzen und vorhandene drahtlose Technologien nutzen, sagt Chan. Zwei Mini-Mobilfunkmasten könnten ausreichen, wenn die Besatzung nahe beieinander ist, während eine Relaisstrategie eingesetzt werden könnte, wenn die Besatzung weit voneinander entfernt ist und Nachrichten über den Horizont gesendet werden müssen. Dies sind Methoden, die regelmäßig von Menschen angewendet werden, die in abgelegenen Teilen der Erde leben. „Diese Dienste sind bereits im Einsatz“, sagt Chan, und „sehr wirtschaftlich“.

Das erste Stück Infrastruktur, das die Marsforscher wahrscheinlich aufbauen werden, wäre laut Chan eine große Antenne an ihrem Landefahrzeug, die auf die Erde ausgerichtet ist. Von da an würden die Herausforderungen jedoch wahrscheinlich zunehmen. Bodengestützte Antennen ohne direkte Sichtverbindung erfordern möglicherweise den Einsatz orbitaler Relais, ähnlich dem Mars Relay Network, um eine Verbindung zur Erde herzustellen. Die Bereitstellung einer Abdeckung rund um die Uhr würde die Verfügbarkeit zahlreicher Orbiter erfordern, die für eine umfangreiche Datenübertragung optimiert sind.

Derzeit überlegt die ESA, wie sie das heutige Relaisnetzwerk stärken kann. Es befindet sich in der Vorphase der Evaluierung eines Konzepts namens Mars Communication and Navigation Infrastructure (MARCONI). Unter der Annahme, dass das Projekt voranschreitet, besteht das Ziel darin, eine Reihe von Nutzlasten für Kommunikation und Navigation zu entwickeln, die huckepack auf jede Mission zum Mars mitgenommen werden können.

Parfitt erklärt, dass diese Nutzlasten, sobald sie in die Umlaufbahn gebracht werden, wie Knoten funktionieren und marsianische Funkkommunikationsdienste bereitstellen würden. Sie würden dann für zukünftige Missionszwecke aufbewahrt. Sie fügt hinzu: „Angesichts der höheren Kosten für die Landung von mehr Masse wäre es nicht ideal, dauerhaft riesige Kommunikationssysteme auf dem Mars zu landen.“

Herkömmliche Funkfrequenzen könnten für niedrige Datenraten ausreichend sein, eine Laserverbindung könnte jedoch potenziell 10 bis 100 Mal mehr Daten im gleichen Zeitraum übertragen. Aufgrund der höheren Frequenzen optischer Wellen, die hunderttausendmal höher sind als die von Radiowellen, können sie viel mehr Informationen aufnehmen. Folglich könnte die Zukunft der Weltraumkommunikation wahrscheinlich in dieser Art von optischen Signalen liegen.

Die im vergangenen Oktober gestartete Raumsonde Psyche ist darauf programmiert, auf ihrem Weg zu Psyche, dem metallreichen Asteroiden, den sie erforschen soll, die Machbarkeit der Laserkommunikation über große Entfernungen zu testen. Das Raumschiff ist mit der Deep Space Optical Communications (DSOC)-Technologie der NASA ausgestattet.

Obwohl der Einsatz von Lasern für die Weltraumkommunikation keine Neuheit ist, wurden sie noch nie aus größeren Entfernungen als dem Mond getestet. Mitte November übermittelte Psyche Daten aus einer 40-mal größeren Entfernung als der Mond – 16 Millionen Kilometer – zur Erde und übertrug im Dezember ein Video einer Katze namens Taters aus 31 Millionen Kilometern Entfernung.

Die ESA untersucht auch das Potenzial für die optische Fernkommunikation. Ein solches Forschungs- und Entwicklungsprogramm namens ScyLight (ausgesprochen „Skylight“ und Kurzform für „Secure and Laser Communication Technology“) unterstützt die Erforschung optischer und Quantentechnologien zur Bereitstellung einer sicheren und schnelleren weltraumgestützten Datenkommunikation.

Trotz ihrer Vorteile erfordert die optische Kommunikation eine hochpräzise Signalausrichtung. Im Gegensatz zur Funkkommunikation werden optische Signale in einen schmalen Strahl geleitet, der genau auf den Empfänger ausgerichtet sein muss. Darüber hinaus können Laser auch durch atmosphärische Einflüsse und Wolkenbedeckung beeinträchtigt werden.

Ein Übergang zur optischen Kommunikation würde Modernisierungen des Deep Space Network – der derzeitigen Funkantennen, die Weltraumnachrichten empfangen – oder den Aufbau einer neuen Infrastruktur erfordern.

Obwohl der Mond näher als der Mars ist, bietet er wertvolle Lehren für die zukünftige Konnektivität. Im Rahmen des Artemis-Programms, das darauf abzielt, die menschliche Präsenz auf dem Mond wiederherzustellen, hat die NASA private Unternehmen damit beauftragt, ein 4G-Mondnetzwerk für die Telekommunikation aufzubauen. Dieses Netzwerk würde auf Funkwellen basieren und die Installation von Antennen und Basisstationen erfordern, die robust genug sind, um der rauen Mondumgebung standzuhalten.

Das ESA-Programm Moonlight ermutigt private Raumfahrtunternehmen, ein Kommunikationssatellitennetzwerk rund um den Mond aufzubauen, auch für Gebiete ohne direkte Sicht auf die Erde. Die erste Phase des Programms umfasst den Start des Lunar Pathfinder-Orbiters, der für 2026 geplant ist.

Tomas Navarro, ein bei der ESA in London ansässiger Ingenieur für Zukunftsprojekte, erklärt: „Alles, was für den Mond getan wird, zielt darauf ab, Menschen- und Missionsreisen zum Mars zu unterstützen.“

Abgesehen von der einfachen Kommunikation benötigen Marsforscher und spätere Siedler wahrscheinlich so etwas wie das Internet der Erde für Aktivitäten, die vom Teilen von Fotos bis zum Zugriff auf riesige Datenbanken reichen. Bereits im Juni 2023 brachten Tobias Pfandzelter und David Bermbach von der Technischen Universität Berlin die Idee eines Mars-Satellitennetzwerks vor, das den Roten Planeten mit einem eigenen Internet versorgen soll.

Die meisten Menschen auf der Erde stellen über ihre Telefone eine Verbindung zum Internet her, entweder über Funkstrahlung in drahtlosen 4G- oder 5G-Netzwerken oder über WLAN-Router. Diese Verbindungen sind über globale Glasfaserkabel miteinander verbunden. Das vorgeschlagene Mars-Netzwerk würde jedoch Starlink ähneln, einer von SpaceX verwalteten Satellitenkonstellation in einer erdnahen Umlaufbahn. Obwohl satellitengestütztes Breitband-Internet und Mobilfunkabdeckung auf der Erde teuer sind, könnte ein solches System auf dem Mars kostengünstiger und einfacher aufzubauen sein als ein umfassendes, belastbares Bodennetzwerk.

Eine große Antenne auf dem Landefahrzeug der Besatzung, die auf die Erde zeigt, wäre wahrscheinlich die allererste Infrastruktur, die die Marsforscher aufbauen würden, sagt Chan, aber dann könnte es schwieriger werden. Wenn diese bodenbasierte Antenne keinen direkten Sichtkontakt hat, könnten Astronauten für die Kommunikation mit der Erde Orbitrelais nutzen, ähnlich dem Mars Relay Network. Mehrere Orbiter müssten für eine Rund-um-die-Uhr-Abdeckung verfügbar sein und müssten für den schnellen Datentransfer optimiert sein.

Die ESA prüft derzeit, wie das bestehende Relaisnetzwerk robuster gemacht werden kann. Sie befindet sich in den frühen Phasen der Prüfung eines Konzepts namens Mars Communication and Navigation Infrastructure, oder MARCONI. Wenn es vorangeht, wird das Projekt eine Reihe von Kommunikations- und Navigationstools entwickeln, die auf jeder Mission zum Mars mitreisen können.

Einmal im Orbit eingesetzt, würden diese Tools als Knoten dienen, um Funkkommunikation auf und mit dem Mars bereitzustellen, erklärt Parfitt. Sie könnten dann für zukünftige Missionen genutzt werden. "Je mehr Masse man landet, desto teurer ist es, daher würde man nicht unbedingt bei jeder Landung enorme Kommunikationssysteme auf den Mars bringen wollen", sagt sie.

Für niedrige Datenraten könnten herkömmliche Funkfrequenzen ausreichen, aber mit einer Laser-Verbindung könnten 10 bis 100 Mal so viele Daten in derselben Zeitspanne übertragen werden. Aufgrund der höheren Frequenzen optischer Wellen, die hunderttausendmal höher sind als die von Funksignalen, können wesentlich mehr Informationen übermittelt werden. Daher könnte die Raumkommunikation in diese Richtung gehen.

Die im vergangenen Oktober gestartete Raumsonde Psyche wird die Machbarkeit von Laserkommunikation über große Entfernungen testen, während sie sich Psyche, dem metallreichen Asteroiden, den sie erkunden wird, nähert. Die Raumsonde führt die Technologie der optischen Kommunikation im Weltraum des Deep Space Optical Communications (DSOC) der NASA mit sich.

Die Nutzung von Lasern für die Raumkommunikation ist nicht neu, aber sie wurden bisher nicht aus Entfernungen jenseits des Mondes getestet. Mitte November übermittelte Psyche Daten aus einer Entfernung von 16 Millionen Kilometern - 40 Mal weiter als der Mond. Im Dezember wurde ein Video einer Katze namens Taters aus einer Entfernung von 31 Millionen Kilometern übertragen.

Auch die ESA erforscht die optische Kommunikation über große Entfernungen. Ein Programm namens ScyLight, kurz für Secure and Laser Communication Technology und ausgesprochen skylight, unterstützt die Forschung und Entwicklung optischer und quantenbasierter Technologien für sichere und schnelle Datenkommunikation aus dem Weltraum.

Trotz der Vorteile erfordert die optische Kommunikation eine äußerst präzise Ausrichtung des Signals. Im Gegensatz zur Funkkommunikation werden optische Signale in einem schmalen Strahl gesendet, der genau auf den Empfänger ausgerichtet sein muss. Außerdem werden Lasersignale durch Wolkenbedeckung und atmosphärische Effekte gestört.

Jede Verlagerung hin zur optischen Kommunikation würde eine Aufrüstung der vorhandenen Funkantennen erfordern, die Nachrichten aus dem tiefen Weltraum empfangen - dem sogenannten Deep Space Network - oder eine neue Infrastruktur.

Obwohl der Mond näher als der Mars ist, bietet er Lernmöglichkeiten für zukünftige Konnektivität. Im Rahmen des Artemis-Programms, das darauf abzielt, Menschen zum Mond zurückzubringen, hat die NASA private Unternehmen damit beauftragt, ein 4G-Netzwerk für Telekommunikation auf dem Mond einzurichten. Solche Netzwerke basieren auf Funkwellen und umfassen die Installation von Antennen und Basisstationen, die der rauen Mondoberfläche standhalten können.

Ein von der ESA durchgeführtes Programm namens Moonlight lädt private Raumfahrtunternehmen ein, eine Konstellation von Kommunikationssatelliten um den Mond herum einzurichten, einschließlich Regionen, die keinen direkten Sichtkontakt zur Erde haben. Die erste Phase des Programms umfasst den Start des Lunar Pathfinder Orbiters, der derzeit für 2026 geplant ist.

"Alles, was für den Mond gemacht wird, hat zum Ziel, Menschen und Missionen zum Mars zu bringen", sagt Tomas Navarro, der in London ansässig ist und als Projektingenieur für zukünftige Projekte bei der ESA arbeitet.

Diese Marsforscher und zukünftigen Bewohner werden zweifellos mehr tun wollen, als nur Nachrichten hin und her zu schicken. Sie werden eine Einrichtung ähnlich dem Internet der Erde wünschen, das wir für alles von der gemeinsamen Nutzung von Fotos bis zum Zugriff auf riesige Datenbanken nutzen. Im Juni 2023 schlugen Tobias Pfandzelter und David Bermbach von der Technischen Universität Berlin vor, dass eine Flotte von Satelliten, die den Mars umkreisen, dem Roten Planeten ein eigenes Internet ermöglichen könnte.

Die meisten von uns hier auf der Erde greifen über unsere Handys über Funkfrequenzstrahlung auf das Internet zu, entweder über drahtlose 4G- oder 5G-Netzwerke oder über Wi-Fi-Router. Diese Verbindungen werden über Glasfaserkabel weltweit verknüpft. Das vorgeschlagene Mars-Netzwerk würde statt dessen dem Starlink ähneln, einer Konstellation von Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn, die von SpaceX betrieben wird. Auf der Erde sind Breitbandinternet und die Mobiltelefonabdeckung über Satellit teuer, aber auf dem Mars könnte ein solches System billiger und einfacher zu errichten sein als ein umfangreiches und robustes Netzwerk auf dem Boden.

Pfandzelter and Bermbach are both experts in cloud computing — the delivery of computing services over the internet. For their proposed Martian internet, they extrapolated concepts from edge computing, in which information is processed close to where it is collected.

Michael Clegg, a general manager at the technology company Supermicro, based in San Jose, Calif., has explained edge computing using the analogy of a popular pizza restaurant “that opens smaller branches in more neighborhoods, since a pie baked at the main location would get cold on its way to a distant customer.” Edge computing generally relies on base stations on the ground to store and relay the data, but low Earth orbit satellites are now being seen as an alternative.

Pfandzelter and Bermbach concluded that a constellation of 81 low-orbit satellites around Mars would be good enough for planetwide coverage. They would provide a local communications system that would be an extension of Earth’s internet.

Consider an astronaut on Mars trying to catch up on a Netflix show. “If you were to stream it from Earth, you would have to first wait 10, 15 or even 40 minutes,” Pfandzelter says, and that’s just to connect. It would be a frustrating stop-and-start affair. And if another astronaut on Mars wanted to watch the same movie, they have to go through the same process all over again.

Instead, a cloud data storage system on Mars could make movies easy to access. “You could just have the same experience that you have on Earth, because all your data is locally copied,” he says. Meanwhile, other uploads and downloads to and from Earth, such as science data, could continue in the background.

Putting internet satellites into orbit around Mars would also be economical because it wouldn’t require landing infrastructure on the surface; landing equipment can make up a big chunk of a mission’s budget. “It would be much cheaper to just send a bunch of networking satellites to Mars, and just keep them in orbit,” says Pfandzelter.

It’s similar to a scaled-up version of the MARCONI concept (and could use radio or optical waves, depending on the state of those technologies).

Even if arrival on Mars is decades away, Parfitt says, it’s not too soon to start planning. Live video-chatting between planets is out of the realm of scientific possibility. Unless there is a major upheaval in the laws of physics, messages won’t ever be able to travel faster than the speed of light. “It’s not a problem to be solved. It’s just a problem.”

But other limitations can be overcome. Tackling those challenges may not only benefit future astronauts on Mars but may also help get them there sooner.

“When you put in an infrastructure like that,” Parfitt says, “you see many, many more missions being proposed.”