Come costruire una rete internet su Marte.

Quando gli astronauti arriveranno su Marte, forse tra un paio di decenni, avranno bisogno di una forma di comunicazione. Questa comunicazione deve estendersi tra loro, a qualsiasi attrezzatura presente sul pianeta e in orbita e, ovviamente, al controllo della missione sulla Terra. La distanza da casa richiederà una connessione che consenta loro di rimanere in contatto con i propri cari, aggiornare le proprie playlist musicali o trasmettere in streaming i propri programmi preferiti.

Sfortunatamente, creare una connessione Wi-Fi che si colleghi a Internet sulla Terra non è fattibile. Con una distanza che varia da circa 55 milioni a 400 milioni di chilometri tra i due pianeti, a seconda della loro posizione nelle loro orbite, gli astronauti avranno bisogno di una soluzione diversa.

Considerando le missioni umane su Marte, è fondamentale disporre di una solida infrastruttura di comunicazione, secondo Claire Parfitt, ingegnere di sistema dell'Agenzia spaziale europea (ESA) che attualmente risiede a Noordwijk, Paesi Bassi. Rivela che è iniziato il lavoro per esplorare ciò che ciò comporta.

Gli scienziati stanno attualmente esplorando il potenziamento delle reti esistenti e alternative più radicali. Un esempio è la missione Psyche della NASA, lanciata a ottobre con l'obiettivo di studiare un asteroide posizionato tra Marte e Giove. Questa missione testerà anche la comunicazione interplanetaria utilizzando i laser, che sono in grado di trasportare quantità di dati molto più elevate rispetto alle onde radio, il mezzo di comunicazione utilizzato fin dagli albori dei viaggi spaziali.

Tuttavia, nessuna strategia conosciuta può eliminare il ritardo nella comunicazione tra la Terra e Marte dovuto alla distanza. Un messaggio che viaggia alla velocità della luce può impiegare dai quattro ai 24 minuti per un viaggio di sola andata. Di conseguenza, una comunicazione rapida con il controllo missione è irraggiungibile, oltre a una chiamata WhatsApp a casa.

Gli astronauti devono fare i conti anche con la congiunzione solare, un fenomeno in cui il sole si frappone tra la Terra e Marte, spiega Parfitt. Questo evento interrompe la comunicazione per alcune settimane circa ogni due anni, con l’ultima interruzione avvenuta a novembre.

L’esplorazione di nuovi approcci potrebbe aprire la strada a capacità di comunicazione più simili a quelle terrestri su Marte. Alcuni ricercatori già ipotizzano una potenziale Internet marziana.

Molte agenzie spaziali hanno lander, rover e satelliti presenti su Marte che devono comunicare con la Terra.

Prendiamo come esempio il rover Perseverance della NASA; trasmette e riceve due tipi di dati. Uno è il comando e la telemetria che consentono il processo decisionale tramite istruzioni inviate e informazioni ricevute dalla Terra. Riceve oltre 1.000 comandi dalla Terra ogni giorno. In secondo luogo ci sono i dati scientifici, ad esempio le immagini delle rocce marziane raccolte da Percy. Anche le missioni Ingenuity recentemente concluse comunicavano regolarmente con il rover per trasmettere dati e comandi tra lui e la Terra. Anche i satelliti in orbita come Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) della NASA, oltre al Trace Gas Orbiter (TGO) dell'ESA, trasmettono dati scientifici alla Terra.

Perseverance e altri rover su Marte tendono a ricevere comandi dalla Terra con onde radio in banda X. Sebbene Percy possa inviare direttamente piccoli volumi di dati, in genere utilizza onde radio ad altissima frequenza (UHF) per trasmettere i dati agli orbitanti della Mars Relay Network, che dispongono di antenne sostanziali per la trasmissione dei dati sulla Terra. Percy ha anche svolto compiti di ritrasmissione delle comunicazioni con l'elicottero Ingenuity.

Come descritto dalla NASA, gran parte della comunicazione su Marte viene trasferita attraverso la Mars Relay Network in una "danza strettamente coreografata". La rete di relè contiene cinque orbiter, vale a dire MRO, TGO, MAVEN, Mars Odyssey e Mars Express, che trasmettono informazioni tramite antenne puntate verso la Terra. Un rover con dati da inviare sulla Terra comunica prima con un orbiter utilizzando la trasmissione radio ad altissima frequenza. Se l'orbiter non ha una linea di vista con la Terra, può memorizzare i dati finché non ha la linea di vista, dopodiché trasmette i dati alla Terra. Esistono numerose potenti antenne radio globali che sono continuamente alla ricerca di ping dallo spazio profondo.

Questo sistema però non sarà sufficiente quando un equipaggio umano atterrerà su Marte. Vincent Chan, ricercatore del MIT nel campo delle comunicazioni via fibra ottica e via satellite, non ritiene che la comunicazione terrestre sia una sfida significativa. L'equipaggio marziano può utilizzare la radiofrequenza e le tecnologie wireless esistenti, afferma Chan. Due mini torri cellulari potrebbero essere sufficienti quando l’equipaggio è molto vicino, mentre una strategia di ritrasmissione potrebbe essere impiegata quando l’equipaggio è distante e i messaggi devono essere inviati oltre l’orizzonte. Questi sono metodi utilizzati regolarmente da individui che vivono in parti remote della Terra. "Questi servizi sono già in uso", dice Chan, e "molto economici".

Secondo Chan, la prima infrastruttura che probabilmente verrà installata dagli esploratori marziani sarebbe una grande antenna sul loro veicolo di atterraggio puntata verso la Terra. Tuttavia, le sfide probabilmente aumenterebbero da lì. Le antenne terrestri prive di linea visiva diretta potrebbero richiedere l'uso di relè orbitali simili alla Mars Relay Network per connettersi con la Terra. La fornitura di una copertura 24 ore su 24, 7 giorni su 7 richiederebbe la disponibilità di numerosi orbiter, ottimizzati per un intenso trasferimento di dati.

Attualmente, l'ESA sta valutando come rafforzare l'attuale rete di collegamento. È nelle fasi preliminari la valutazione di un concetto chiamato Mars Communication and Navigation Infrastructure, o MARCONI. Supponendo che il progetto proceda, l'obiettivo sarebbe quello di sviluppare una suite di carichi utili relativi alla comunicazione e alla navigazione che possano essere trasportati su qualsiasi missione diretta su Marte.

Parfitt spiega che una volta schierati in orbita, questi carichi utili funzionerebbero come nodi, fornendo servizi di comunicazione radio marziani. Verrebbero quindi conservati per l'utilizzo in missioni future. E aggiunge: "Considerando il costo più elevato per lo sbarco di una massa maggiore, non sarebbe l'ideale far atterrare costantemente massicci sistemi di comunicazione su Marte".

Le frequenze radio tradizionali potrebbero essere adeguate per velocità di dati basse, ma un collegamento laser potrebbe potenzialmente trasferire da 10 a 100 volte più dati nello stesso intervallo di tempo. A causa delle frequenze più elevate delle onde ottiche, che registrano centinaia di migliaia di volte quelle delle onde radio, possono contenere molte più informazioni. Di conseguenza, il futuro della comunicazione spaziale potrebbe probabilmente risiedere in questo tipo di segnale ottico.

La navicella spaziale Psyche, lanciata lo scorso ottobre, è programmata per valutare la fattibilità delle comunicazioni laser a lunga distanza mentre viaggia verso Psyche, l'asteroide ricco di metalli che è destinata ad esplorare. La navicella spaziale è dotata della tecnologia Deep Space Optical Communications, o DSOC, della NASA.

Sebbene l'uso dei laser per le comunicazioni spaziali non sia una novità, non sono mai stati testati da distanze superiori a quelle della Luna. A metà novembre, Psiche ha trasmesso i dati alla Terra da una distanza 40 volte maggiore della Luna – 16 milioni di chilometri, e a dicembre ha trasmesso un video di un gatto di nome Taters da 31 milioni di chilometri di distanza.

L'ESA sta inoltre esaminando il potenziale della comunicazione ottica a lunga distanza. Uno di questi programmi di ricerca e sviluppo denominato ScyLight (pronunciato skylight ed abbreviazione di Secure and Laser Communication Technology) sta supportando l'esplorazione di tecnologie ottiche e quantistiche per fornire una comunicazione dati sicura e più veloce basata sullo spazio.

Nonostante i suoi vantaggi, la comunicazione ottica richiede un puntamento del segnale estremamente preciso. A differenza delle comunicazioni radio, i segnali ottici sono diretti in un raggio stretto, che deve allinearsi esattamente con il ricevitore. Inoltre, i laser possono anche essere influenzati dagli effetti atmosferici e dalla copertura nuvolosa.

Una transizione verso le comunicazioni ottiche richiederebbe aggiornamenti alla Deep Space Network – le attuali antenne radio che ricevono messaggi dallo spazio profondo – o la creazione di nuove infrastrutture.

La Luna, sebbene più vicina di Marte, offre preziose lezioni per la connettività futura. Nell’ambito del programma Artemis, che mira a ripristinare la presenza umana sulla Luna, la NASA ha incaricato aziende private di creare una rete lunare 4G per le telecomunicazioni. Questa rete sarebbe basata sulle onde radio e comporterebbe l’installazione di antenne e stazioni base sufficientemente resistenti da resistere al rigido ambiente lunare.

Il programma Moonlight dell’ESA incoraggia le società spaziali private a stabilire una rete di satelliti di comunicazione attorno alla Luna, anche per le aree prive di visibilità diretta della Terra. La prima fase del programma prevede il lancio dell'orbiter Lunar Pathfinder, previsto per il 2026.

Tomas Navarro, un ingegnere londinese di progetti futuri con sede all’ESA, afferma: “Tutto ciò che viene fatto per la Luna è finalizzato a supportare i viaggi umani e di missione su Marte”.

A parte la semplice comunicazione, gli esploratori marziani e i futuri coloni avranno probabilmente bisogno di qualcosa di simile all’Internet terrestre per attività che vanno dalla condivisione di foto all’accesso a enormi database. Nel giugno 2023, Tobias Pfandzelter e David Bermbach della Technische Universität Berlin hanno avanzato l'idea di una rete satellitare su Marte che fornisse al Pianeta Rosso una propria Internet.

La maggior parte delle persone sulla Terra si connette a Internet tramite i propri telefoni utilizzando le radiazioni in radiofrequenza su reti wireless 4G o 5G o tramite router Wi-Fi. Questi collegamenti sono collegati tra loro tramite cavi in ​​fibra ottica globali. Tuttavia, la rete su Marte proposta assomiglierebbe a Starlink, una costellazione di satelliti in orbita terrestre bassa gestita da SpaceX. Sebbene la copertura Internet a banda larga satellitare e la copertura della telefonia mobile siano costose sulla Terra, un sistema del genere potrebbe essere più conveniente e più semplice da costruire su Marte rispetto a una rete terrestre completa e resiliente.

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.”