Comment construire un internet sur Mars

Lorsque les astronautes atterriront sur Mars, peut-être dans une ou deux décennies, ils devront trouver un moyen de communiquer entre eux, avec l'équipement sur et autour de la planète, et avec le contrôle de mission sur Terre. Malgré le fait de vivre si loin de chez eux, ils voudront sans aucun doute rester connectés avec leurs proches, mettre à jour leurs listes de lecture ou diffuser les derniers épisodes de leurs émissions préférées.

Cependant, établir une connexion Wi-Fi à Internet en provenance de la Terre ne sera pas une option. La Terre est tout simplement trop éloignée - environ de 55 à 400 millions de kilomètres, selon les positions des planètes sur leurs orbites. Les explorateurs de l'espace devront trouver une autre stratégie.

Établir une bonne infrastructure de communication est essentiel pour les missions humaines vers Mars, déclare Claire Parfitt, ingénieure systèmes à l'Agence spatiale européenne, ou ESA, basée à Noordwijk, aux Pays-Bas. "Pour le moment, nous sommes au stade préliminaire de ce que cela signifie."

Les chercheurs testent des moyens d'améliorer les réseaux existants, ainsi que des alternatives originales. Par exemple, la mission Psyche de la NASA, qui a décollé en octobre avec pour objectif d'explorer un astéroïde entre Mars et Jupiter, testera également la communication interplanétaire à l'aide de lasers. Les lasers pourraient transporter beaucoup plus de données que les ondes radio utilisées depuis les premiers jours des voyages spatiaux.

Aucune stratégie connue ne peut éliminer le délai de communication entre la Terre et Mars ; un message se déplaçant à la vitesse de la lumière met entre quatre et vingt-quatre minutes pour un aller simple. En d'autres termes, un simple ping vers le contrôle de mission est hors de question, sans parler d'un appel WhatsApp à la maison.

Il y a aussi le problème de la conjonction solaire, explique Parfitt, lorsque le soleil se trouve entre la Terre et Mars. Cela se produit pendant quelques semaines tous les deux ans environ, coupant les communications entre les planètes. La dernière conjonction a eu lieu en novembre.

Mais de nouvelles approches pourraient ouvrir des possibilités qui rendraient les communications sur Mars plus semblables à celles que nous connaissons ici sur Terre. Au moins une équipe de recherche s'est demandée : et si Mars avait son propre Internet ?

Plusieurs agences spatiales ont déjà des atterrisseurs, des rovers et des satellites sur Mars qui doivent communiquer avec la Terre.

Prenons par exemple le rover Perseverance de la NASA. Il envoie et reçoit deux types d'informations. L'un est la commande et la télémétrie, où les opérateurs sur Terre envoient des instructions, reçoivent des informations et prennent des décisions sur la suite à donner. Percy reçoit généralement plus de 1000 commandes de la Terre chaque jour. Le deuxième type d'informations est les données scientifiques - des images de roches martiennes, par exemple - que Percy collecte. L'hélicoptère Ingenuity, qui a terminé sa mission plus tôt cette année, envoyait également régulièrement des signaux au rover, qui servait de station de base pour relayer les données et les commandes entre Ingenuity et la Terre. Les orbiteurs en orbite autour de la planète, dont le Mars Odyssey et le Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA, ainsi que le Trace Gas Orbiter (TGO) de l'ESA, envoient également des données scientifiques vers la Terre.

Perseverance et les autres rovers martiens reçoivent la plupart des commandes directement de la Terre via des ondes radio de bande X. Bien que Percy puisse envoyer de petites quantités de données directement, il utilise souvent des ondes radio de fréquence ultra-haute, ou UHF, pour transmettre des données à l'un des orbiteurs du réseau de relais de Mars, qui disposent de grandes antennes pour l'envoi de données vers la Terre. Percy a également servi de station de base pour la communication avec l'hélicoptère Ingenuity.

Une grande partie de la communication avec Mars passe par le réseau de relais de Mars, que la NASA décrit comme une "danse parfaitement orchestrée". Ce réseau des cinq orbiteurs autour de Mars - MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey et Mars Express - transmet des informations via des antennes pointées vers la Terre.

Un rover qui doit envoyer ses dernières observations vers la Terre transmet d'abord les données à l'un des orbiteurs par des transmissions radio à ultra-haute fréquence. Si cet orbiteur n'a pas de ligne de vue sur la Terre, il peut conserver les informations jusqu'à ce qu'il en ait une. Les données sont ensuite relayées vers la Terre, où de puissantes antennes radio distribuées à travers le monde écoutent toujours les signaux de l'espace lointain.

Lorsqu'un équipage humain atterrira sur Mars, ce système ne suffira pas. Vincent Chan, chercheur en communications par fibre optique et satellite au MIT, ne voit pas la communication locale et au sol comme un défi. Selon lui, un équipage martien peut interagir en utilisant des fréquences radio et des technologies sans fil existantes. Deux mini-antennes suffiraient lorsque les astronautes sont proches les uns des autres, et un relais quelconque pourrait être utilisé lorsque les astronautes sont suffisamment éloignés pour que les messages doivent être envoyés au-delà de l'horizon. Les personnes vivant dans des régions éloignées de la Terre communiquent de la même manière tout le temps. "Ces services sont déjà en place," dit Chan, et "très économiques."

Une grande antenne sur le véhicule d'atterrissage de l'équipage, pointée vers la Terre, serait probablement la toute première infrastructure que les explorateurs martiens mettraient en place, explique Chan, mais les choses pourraient ensuite devenir plus difficiles. Lorsque cette antenne terrestre n'a pas de ligne de vue directe, les astronautes pourraient utiliser des relais orbitaux similaires au réseau de relais martien pour communiquer avec la Terre. Plusieurs satellites en orbite devraient être disponibles pour une couverture 24 heures sur 24, et ils devraient être optimisés pour le transfert de données intensif. L'ESA examine actuellement la possibilité de rendre le réseau de relais actuel plus robuste. Elle en est aux premières étapes de l'étude d'un concept appelé Mars Communication and Navigation Infrastructure, ou MARCONI. Si le projet se concrétise, il développera un ensemble de charges utiles liées à la communication et à la navigation qui pourraient être embarquées sur toute mission à destination de Mars. Une fois déployées en orbite, ces charges utiles agiraient comme des nœuds pour fournir une communication radio sur et avec Mars, explique Parfitt. Elles pourraient ensuite rester en place pour être utilisées lors de futures missions. "Plus vous déposez de masse, plus cela devient cher, donc vous ne voudriez pas nécessairement déposer des systèmes de communication massifs sur Mars à chaque fois", dit-elle. Bien que les fréquences radio traditionnelles suffiraient pour des débits de données faibles, l'utilisation d'une liaison laser pourrait transporter de 10 à 100 fois plus de données dans le même laps de temps. En raison des fréquences plus élevées des ondes optiques, des centaines de milliers de fois celles des ondes radio, beaucoup plus d'informations peuvent être intégrées. Ainsi, ce type de signal optique est précisément où la communication spatiale pourrait se diriger. La sonde Psyche, lancée en octobre dernier, testera la faisabilité des communications laser à longue distance pendant qu'elle se dirige vers Psyche, l'astéroïde riche en métaux qu'elle s'apprête à explorer. La sonde est équipée de la technologie de communication optique en profondeur de la NASA, appelée DSOC. L'utilisation des lasers pour la communication spatiale n'est pas nouvelle, mais ils n'ont jamais été testés à des distances plus éloignées que la Lune. Mi-novembre, Psyche a transmis des données vers la Terre depuis une distance de 16 millions de kilomètres - 40 fois plus loin que la Lune. En décembre, elle a envoyé une vidéo d'un chat nommé Taters depuis 31 millions de kilomètres de distance. L'ESA explore également la communication optique à longue distance. Un programme appelé ScyLight, abréviation de Secure and Laser Communication Technology et prononcé skylight, soutient la recherche et le développement de technologies optiques et quantiques pour la communication de données sécurisée et rapide depuis l'espace. Malgré les avantages, la communication optique nécessite une précision ultrapr

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.”