惑星間通信のためのベストアイデア 10 選

重要なポイント

ここ地球上では、私たちはスマートフォンを取り出して、地球上のほぼどこにいても、会話したり、テキストメッセージを送信したり、写真やビデオを送受信したりできることに慣れてきました。さらに、科学的な研究をする場合でも、約束までの最短ルートを見つける場合でも、私たちはインターネット上の膨大で急増する情報を利用して自分を導くことにますます依存しています。

しかし、私たちが慣れ親しんでいるような瞬時のアクセスや帯域幅は、宇宙にはまだ存在していません。たとえば、宇宙までの距離が非常に遠いため、電子通信には大きな遅れが生じ、信号は別の惑星の表面から透明度を低下させる宇宙放射線の難題を通って地球に戻らなければなりません。さらに難しいのは、惑星自体が継続的に運動しており、その質量 (または太陽の質量) が信号を遮断する可能性がある位置に入る可能性があることです。

あなたが火星に植民地を設立するために派遣された宇宙飛行士であると想像すると、地球からの距離は 3,500 万マイルから 1 億 4,000 万マイル (5,600 万キロメートルから 2 億 2,600 万キロメートル) の間で変化します。これらの通信の障害は、気が遠くなるような問題になる可能性があります。そして、最近のアップグレードを行ったとしても、火星のロボット探査車は毎秒約 256 キロビットのデータ送信速度しか達成できません [出典: ]。これは地球、つまり 1990 年代半ばの地球では高速でしょう。人々がまだダイヤルアップ接続を使用していた頃。クラウド アプリを実行したり、Google の高解像度火星の地図を調べて道順を調べたりすることは、ほぼ不可能でしょう。

もしあなたが冥王星を越えて、近隣の太陽系にある地球に似た惑星に到達しようと試みるなら、その困難は気が遠くなるほど大きくなるだろう。だからこそ、科学者たちは何十年も頭を悩ませ、昔の電話会社の広告でよく言われていたような、気が遠くなるような宇宙の彼方に手を伸ばして誰かに触れる方法を考え出そうと努力してきたのだ。ここでは、彼らが長年にわたって思いついた 10 のアイデアを紹介します。

10: 通信衛星の惑星間ネットワークを構築する

水星から冥王星までの太陽系の全長 37 億マイル (60 億キロメートル) のほぼ全体に広がる衛星ネットワークを構築するという考えは、少々気が遠くなるように聞こえます。しかし、1945 年に英国の科学者であり SF 作家のアーサー C. クラークが、軌道衛星による世界規模の通信ネットワークを構想する雑誌の記事を書いたとき、おそらくそれもかなり奇抜に思えたでしょう。それにもかかわらず、今日では衛星があちこちにあり、地球上のほぼどこにでも電話をかけたり、テキストや電子メールを送信したりすることが可能になっています[出典]。そして実際、先見の明のある人々は、最初の地球通信衛星が軌道に打ち上げられる前から、クラークの世界通信ネットワークの惑星間バージョンを夢見ていました。

1959 年に遡ると、宇宙科学者のジョージ E. ミュラーとジョン E. テイバーは、サンフランシスコで開催されたエレクトロニクス コンベンションで「惑星間通信システム」と題したプレゼンテーションを行い、無線を介して宇宙で長距離デジタル通信を確立する方法について説明しました。波[出典: ]。 40年後、2人の科学者、ステヴァン・ダビドヴィッチとジョエル・ウィッティントンは、3つの衛星を太陽の周りの極軌道に配置し、他の衛星を静止軌道またはさまざまな惑星の周りの極軌道に配置する精巧なシステムを構想しました。

その後、衛星は有人宇宙船やロボット探査機からの無線メッセージを受信できるネットワークに接続され、地球に到達するまで、それらのメッセージをある惑星から上下に中継することになる[出典: ]。しかし、遠く離れた天体の周回軌道に複数の衛星を乗せるには莫大な費用がかかりそうなためか、これまでのところそのようなシステムを構築する動きはない。

9: 無線信号からレーザーへの切り替え

冒頭で述べたように、現在、宇宙でのデータ伝送は、私たちが慣れ親しんでいる地球上でのブロードバンド インターネットよりも大幅に遅い速度で止まっています。その理由は、複雑な計算には立ち入りませんが、電波が動作する相対周波数のせいで、扱えるデータ量が限られているためです。 (自宅やオフィスにワイヤレス インターネット ルーターがある場合は、この影響に気づいたかもしれません。有線接続ほど高速でも信頼性でもありません。)

対照的に、周波数が短いレーザー光の集中エネルギーは、より多くのデータを処理できます。さらに、レーザーは無線送信ほど拡散しないため、データ送信に必要な電力が少なくなります。しかし、レーザー通信を宇宙で機能させるのは簡単なことではありません。 NASA は、宇宙でレーザー データ伝送の小規模かつ低データ レートのデモンストレーションを実施しており、最終的には月周回軌道上の衛星でテストされる予定のレーザー通信システムの開発に取り組んでいます。

8: 探査機とローバーを惑星間通信ネットワークにパッチする

以前、太陽系全体に広がる専用通信衛星の巨大なネットワークを構築するというアイデアについて触れましたが、これは大事業になります。しかし、そのようなネットワークを構築する、より小規模で、より低コストで、より漸進的な方法があるかもしれません。これまで、私たちが宇宙船や衛星を宇宙に送り出すときは、通常、地球上のステーションと直接通信し、その特定のミッションのために特別に設計された（そしてその後廃棄されることが多い）ソフトウェアや機器を利用してきました。

しかし、科学者や技術者が、宇宙ステーション、軌道望遠鏡、火星や他の惑星の周回軌道上の探査機、さらには異星人の風景を探索するロボット探査車に至るまで、宇宙に打ち上げられるすべての航空機や物体に通信できるように装備していたらどうなるでしょうか。相互に連携し、広大な惑星間ネットワークのノードとして機能するのでしょうか？地球上の比喩を探している場合は、ラップトップ コンピューター、タブレット、スマートフォン、ゲーム機、ウェブカメラ、ホーム エンターテイメント センターがすべてワイヤレス インターネット ルーターにリンクし、相互にコンテンツを共有する様子を想像してください。

情報を中継するだけでなく、理想的には、このような惑星間ネットワークは地球上のインターネットに接続され、現在 NASA の Web サイトにアクセスするのと同じ方法で、科学者が軌道上の衛星や探査車に接続して、見ているものを確認できるようになります。 。

「NASA​​が間もなく構築するネットワークは、科学者たちが火星の地質、木星の極寒の衛星エウロパの氷の下の海洋条件、あるいは金星の乱流雲の覆いなどの驚くべき詳細を解明するネットワークになる可能性が非常に高い」と、2005年の論文工学出版物 IEEE Spectrum で説明されています。 「それはおそらく、ホームシックになった宇宙探検家が故郷に電子メールを送信する方法かもしれません。」[出典: ]。

7: 宇宙でも使えるインターネット

科学者がインターネット上の Web サイトに接続するのと同じように、宇宙船と探査機を宇宙の広大なネットワークに接続するというアイデアについてはすでに述べました。しかし、一部の批評家が指摘しているように、インターネットの基本設計は宇宙ではうまく機能しないため、このアプローチは最善ではない可能性があります。私たちが地球上で使用しているインターネット プロトコルは、テキスト、音声、ストリーミング ビデオなど、送信するすべてのものを小さなデータに分割し、他の人が見ることができるように相手側で再組み立てされることに依存しています。で、またはそれを聞いてください。これは、遅延やデータパケットの損失がほとんどなく、すべての情報が高速で移動する限り、物事を行うには非常に良い方法であり、地球上でこれを実行するのはそれほど難しいことではありません。

宇宙に入ると、距離が非常に遠いため、天体が邪魔になることもあり、信号を混乱させる大量の電磁放射があちこちに存在します。データ フローの遅延や中断は避けられません。そのため、一部の科学者は、中断耐性ネットワーキング (DTN) と呼ばれる新しい種類のプロトコルを使用する、インターネットの修正バージョンの開発に取り組んでいます。地球上で使用されているプロトコルとは異なり、DTN は継続的なエンドツーエンド接続が存在することを想定しておらず、接続が再確立されるまで、すぐに送信できないデータ パケットを保留します。これがどのように機能するかを説明するために、 NASA はバスケットボールに例えています。プレーヤーは、パニックになって乱打したりボールを投げたりするのではなく、別のプレーヤーがバスケットの下に空くまで辛抱強くボールを握り続けるだけです。 2008 年、NASA は DTN の最初のテストを実施し、DTN を使用して地球から約 2,000 万マイル (3,218 万 7 千キロメートル) 離れた宇宙船から数十枚の画像を送信しました [出典: ]。

6: 他の惑星への衛星と中継局の構築

火星基地と通信する際の大きな課題の 1 つは、火星が動いていることです。場合によっては、基地が地球から背を向けることもあり、火星と地球の間には太陽が直接位置することがあり、地球の 780 日におよそ 1 回の頻度で存在します。この調整はコンジャンクションと呼ばれ、潜在的に通信機能を低下させ、一度に数週間にわたって通信を遮断する可能性があります。これは、もしあなたが宇宙飛行士や火星の入植者だったら、かなり孤独で恐ろしい見通しになるでしょう。幸いなことに、ヨーロッパとイギリスの研究者は、この困難なジレンマに対する解決策を見つけたかもしれません。

衛星は通常、 ケプラー軌道で惑星の周りを周回します。この軌道は、衛星がどのように移動するかを記述する数学的方程式を書いた 17 世紀の天文学者ヨハネス ケプラーにちなんで名付けられました。しかし、ヨーロッパと英国の研究者らは、火星の周りに一対の通信衛星を非ケプラー軌道と呼ばれる軌道に置くことを提案している。これは基本的に、火星の周りを円形または楕円形の軌道で移動する代わりに、火星の側面から外れることを意味する。惑星が中心にならないように少し。しかし、その位置に留まるためには、衛星は火星に向かって引き寄せられる重力の影響に対抗する必要がある。それらを所定の位置に維持するために、科学者らは、太陽光発電で電力を供給し、推進剤として微量のキセノンガスを使用する電気イオン推進エンジンをそれらに装備することを提案した。そうすれば、火星と地球が結合している期間中であっても、衛星は継続的に無線信号を中継できるようになる[出典: ]。

5: リレーのブレッドクラム軌跡を残す

もちろん、惑星間通信は必ずしも私たちの太陽系だけに関するものではありません。 1995 年に天文学者が太陽に似た恒星の周りを公転する最初の惑星を発見して以来、科学者は他の多数の系外惑星(太陽系外の世界を 系外惑星 と呼びます) を発見してきました。

確かに、それは気の遠くなるような大きな距離です。しかし、それでも、一部の宇宙科学者は、いつか、本質的に移動する自己完結型の地球のミニチュア版となる巨大な宇宙船を打ち上げ、他の居住可能な惑星や惑星に到達するために星間空間を冒険する宇宙飛行士を何世代にもわたって生き延びることができると構想している。もしかしたら地球外文明との接触さえあるかもしれない。

このようなミッションの青写真を考案する宇宙科学者と未来学者による最近の取り組みであるイカロス計画では、そのような宇宙船が未知の領域にどんどん入っていく中で、どのようにして地球と通信を続けるのかという問題を熟考した。彼らは、1 つの興味深い解決策を思いつきました。その途中で、巨大な宇宙船は、信号中継装置を備えた空の燃料容器を定期的に投棄し、宇宙船から地球にメッセージを送り返すチェーンを形成しました。 「アイデアは、イカロスと地球の間の一連の中継により、信号の各『ホップ』が数光年の全距離よりもはるかに短い距離になるということです」と、設計プロジェクトに参加した英国人エンジニアのパット・ガレア氏は言う。 「したがって、潜在的に、送信機の電力要件、または Icarus のアンテナ サイズを削減するか、あるいはリンク経由で送信できるデータ レートを増加できる可能性があります。」 [出典: ]

4: メッセージを受信するために巨大なアンテナのアレイをセットアップする

約 2 兆 3500 億マイル (3 兆 7800 億キロメートル) 離れた最も近い隣の星系に到達できる宇宙船を設計する投機的な試みであるイカロス計画に取り組んでいる科学者と 未来学者は、そのような船がどのように機能するかを考えるのに多くの時間を費やしました。広大な星間空間を旅する地球との接触を保ちます。このリストの前の項目で、宇宙船が航跡に残す通信リンクのパンくずのような痕跡の概念について言及しました。しかし、地球に戻っても、ミッションを監視している人々は、宇宙船からの信号を拾い、宇宙の周囲の電磁ノイズを除去するという課題に直面することになる。地球の大気が信号を弱めることになるため、この作業はさらに困難になる。 。

その能力を最大限に高めるために、プロジェクト・イカロスの計画者らは、地球上のさまざまな場所に何マイルにもわたって伸びる巨大なアンテナのアレイとなるいくつかの太陽系受信局を建設することを提案した。このようなアレイ内のアンテナは相乗効果を発揮して、宇宙船のメッセージを含む微弱な信号を見つけて捕捉します。 (この例えを考えてください。野球選手が野球場のスタンドにホームランを打った場合、スタンドが人でいっぱいであれば、ボールがファンに捕らえられる可能性が高くなります。) 地球は回転しているので、アンテナは回転します。特定の SSRS が遠くの宇宙船を指しているのは毎日ほんの一部だけであり、地球上のその場所の天候が受信を妨げる可能性があります。そのため、地球上のさまざまな場所に複数のアンテナ アレイを構築し、ほぼ継続的な通信を維持できるようにすることが賢明かもしれません [出典: ]。

3: 太陽を信号ブースターとして使用する

ここに、プロジェクト イカロスの研究者が考案したもう 1 つのアイデアがあります。アインシュタインの相対性理論によると、非常に巨大な物体の重力は、手持ちの虫眼鏡と同じように、実際に物体の近くを通過する光を偏向させて集中させることができます。そのため、プロジェクト イカロスのシンクタンクは、その効果を利用して、遠く離れた宇宙船からの送信を集中させ、強化するというアイデアを思いつきました。確かに、彼らがそれを行う方法は、非物理学者には理解するのが少し難しいです。通信送信を受信できる宇宙船は、宇宙船が進行する方向とは反対側の約510億マイル（820億マイル）離れた星間空間に配置されることになります。キロメートル）太陽から離れています。それは本当に、本当に遠い――実際、冥王星と太陽の間の距離の約18倍――だが、地球から何兆マイルも離れたところに宇宙船を送ることができる地球文明がそれを実現できると仮定してみよう。次に、通信機は太陽をレンズとして使用して、遠くの宇宙船から受信した信号を拡大し、レーザーリンクを備えた衛星ネットワークなどの他のシステムを通じて地球に送信します。

「これによって得られる潜在的な利益は計り知れない」とエンジニアのパット・ガレア氏は2012年にDiscovery Newsに説明した。「イカロスの送信電力は、利用可能なデータレートに影響を与えることなく、あるいは電力を同じに保てば、はるかに低いレベルまで下げることができる」 、直接リンクが提供するよりもはるかに多くのデータを受信する可能性があります。」独創的に見えるかもしれませんが、この計画には木星サイズの複雑な問題もいくつかあります。たとえば、宇宙船から信号を受信する受信機宇宙船を常に完璧に近い位置に保つ必要があるが、その状態を維持するのは非常に難しいことが判明する可能性がある。

2: 宇宙からの非常に微弱な信号を受信する超高感度電子耳

遠く離れた宇宙船からの送信信号が地球に到達するまでに、信号の劣化は進み、実際には信号に含まれるエネルギーが光子 1 個未満になる可能性があります。宇宙の抑えがたい不協和音から、気が遠くなるような微かな信号を拾い上げ、それを理解することは、たとえば、地球の海のどこかに浮かぶ瓶の中に浮かぶメッセージを見つけるのと同じくらい難しいかもしれません。しかし、その種の問題解決を支援するNASAの宇宙技術プログラム Web サイトによると、研究者たちは興味深い解決策を考え出したという。

地球と通信しようとする宇宙船は、単一の信号またはエネルギーパルスを送信する代わりに、その信号の多数のコピーを一度に送信します。弱まった信号が地球に到達すると、ミッション管制は構造化光受信機、またはグハ受信機（この概念を発明した科学者サイカット・グハにちなんで）と呼ばれる装置を使用して、生き残ったすべての微弱な断片を本質的に再組み立てします。これらの重複した信号を結合してメッセージを再構築します。このように想像してみてください。紙にメッセージをタイプし、それを 1,000 部印刷し、すべてシュレッダーにかけて、結果として得られる小さな断片を混ぜ合わせます。たとえそれらの小さな断片のほとんどをゴミ箱に捨てたとしても、残った断片から紙上のメッセージを再構成するのに十分な情報が得られる可能性があります。

1: 超光速ニュートリノフォン

深宇宙から私たちに届くのに苦労している微弱な通信信号をつなぎ合わせるために、気が遠くなるような複雑なガジェットをどれだけ開発しても、私たちは依然として別の、さらに困難な問題に直面しています。私たちの太陽系内では距離が非常に遠いので、私たちが地球上で慣れ親しんでいる種類の簡単で瞬時の往復通信、たとえばSkypeスタイルのビデオ会話は実際には実現不可能です。少なくとも現在の技術では。そして、もし私たちが太陽系の外の惑星に旅行するつもりなら、それはほとんど不可能になるでしょう。宇宙船が私たちの最も近い星間隣人、数兆マイル離れたケンタウルス座アルファ星系に到達した場合、音声、ビデオ、またはテキスト送信の両側がその驚くべき距離を越えるのに 4.2 年かかります。だからこそ、先見の明のある人々は、光よりも速く伝わる亜原子のビームを介してメッセージを送信するというアイデアに長い間興味をそそられてきました。

うわー、それは簡単な修正のように聞こえますね?しかし、もう一度推測してください。この計画が機能するには、 光速を超える速度で移動することを禁止するアインシュタインの特殊相対性理論に大きな穴をあけなければならないようです。一方で、そうではないかもしれません。 2012 年、2 人の数学者が英国の科学雑誌に論文を発表し、アインシュタインの計算を解読し、光より速い速度が実際に可能であることを示す方法があると主張しました [出典: ]。しかし、これらの反対者が正しいことが判明したとしても、粒子が光速よりも速く移動できるという何らかの証拠を実際に見つける必要がありますが、今のところまだ見つかっていません。

2011 年に大々的に報道された実験があり、ヨーロッパの CERN 粒子加速器の研究者らが、アインシュタインの速度制限よりも極めてわずかに速く移動するニュートリノと呼ばれる粒子を計測したとされています。しかし、結局のところ、研究者の機器の光ファイバーケーブルの不具合が、明らかに誤った測定値を引き起こしたようです（完全に接続されていませんでした）[出典: ]。これにより、少なくとも当面は、宇宙ニュートリノフォンの可能性が薄れてきました。

著者メモ: 惑星間通信のための 10 のベストアイデア

たとえば、火星から地球にライブ ストリーミング ビデオを送信するという概念は、地球の反対側の誰かと携帯電話で会話する時代に育ったミレニアル世代にとっては、それほど遠い話ではないかもしれません。惑星なんて大したことないよ。しかし、私にとってそれは依然としてかなり気が遠くなるような話である。おそらく私は、東海岸からカリフォルニアに昔ながらのアナログ長距離電話をかけるだけで、かつてはどれほど困難で高価だったかを思い出す年齢になったからかもしれない。数年前、ある記事の情報源に電子メールで連絡を取ったところ、ビジネスプロジェクトのために旅行していたアフガニスタンからスカイプ経由で折り返し電話をもらったとき、私は少しショックを受けた。それ以来、増え続ける接続性にも少し慣れてきました。実は先日、私は現在フランスに住んでいる昔の同僚と 30 分ほどメールのやり取りをしていましたが、イングランド北部にいる別の友人からのインスタント メッセージで中断されました。ですから、私は、上空の軌道にいる誰かと機知に富んだ言葉を交わしたり、天気について不平を言ったりする避けられない日を楽しみにしています。