Die Lösung für ein überflüssiges Problem: Die Kommunikation mit den Marssiedlern

Langfristiges Ziel von SpaceX ist ja die Besiedlung des Mars, und wenn es erst mal das Starship gibt, dass überall landen kann (genauso wie die Dragon) dann geht das ja auch endlich mal los. Ich will mich heute mit der Frage beschäftigen, wie gut die Kommunikation mit den Marssiedlern sein wird.

Doch zuerst einige Grundlagen:

In Bezug auf die Kommunikation im Weltraum kann das Konzept von Entfernung, Signalstärke und Datenrate noch komplexer sein, da Radiowellen durch den Weltraum reisen müssen und unter den Bedingungen im Weltraum beeinflusst werden können.

Ein wichtiger mathematischer Zusammenhang bei der Übertragung von Radiowellen ist die Invers-Quadrat-Regel. Diese besagt, dass die Signalstärke proportional zur Inversen des Quadrats der Entfernung ist. Das bedeutet, dass wenn die Entfernung verdoppelt wird, die Signalstärke um den Faktor 4 abnimmt.Mathematisch kann diese Beziehung wie folgt dargestellt werden:

I = I0 / (d^2)

wobei I0 die anfängliche Signalstärke, I die Signalstärke in einem Abstand d und d der Abstand zwischen Sender und Empfänger ist

In Bezug auf die Datenrate gibt es auch einen Zusammenhang mit der Signalstärke und der Entfernung. Die Datenrate kann in einigen Fällen proportional zur Signalstärke sein, während in anderen Fällen eine maximale Datenrate vorliegt, die nicht überschritten werden kann, unabhängig von der Signalstärke.

Während der Übertragung von Radiowellen durch den Weltraum müssen auch andere Faktoren wie Interferenzen, elektromagnetische Störungen und Strahlungsbedingungen berücksichtigt werden. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Übertragung von Daten zuverlässig und sicher ist, insbesondere bei Missionen, bei denen Informationen über große Entfernungen hinweg übertragen werden müssen.

Der Zusammenhang zwischen Entfernung, Signalstärke und Datenrate ist besonders relevant, wenn es darum geht, Kommunikation mit Missionen auf dem Planeten Mars zu unterstützen. Da sich die Entfernung zum Planeten Mars ständig ändert, kann sich auch die Signalstärke und Datenrate ändern.

Während der Mars in seiner Umlaufbahn um die Sonne wandert, ändert sich die Entfernung zur Erde, was eine Veränderung der Signalstärke und Datenrate zur Folge hat. Die maximale Entfernung zwischen der Erde und dem Mars beträgt ungefähr 400 Millionen Kilometer, während die minimale Entfernung bei etwa 55 Millionen Kilometern liegt. Während sich die Entfernung zum Mars verdoppelt, verringert sich die Signalstärke um den Faktor 4.

Um den Verlust der Signalstärke auszugleichen, kann eine höhere Sendeleistung oder eine höhere Empfindlichkeit des Empfängers erforderlich sein. Es kann auch notwendig sein, die Datenrate zu reduzieren, um sicherzustellen, dass die Daten erfolgreich übertragen werden, wenn sich die Entfernung zum Mars vergrößert.

Insgesamt ist es wichtig, die Veränderungen in der Entfernung, Signalstärke und Datenrate bei der Planung und Durchführung von Missionen zum Mars zu berücksichtigen, um eine zuverlässige und effektive Kommunikation aufrechterhalten zu können.

Auch die Signallaufzeit spielt bei direkten Gesprächen zwischen Erde und Mars eine wichtige Rolle. Die Signallaufzeit ist die Zeit, die ein Signal benötigt, um von einem Punkt zum anderen zu gelangen. Je größer die Entfernung ist, desto länger ist die Signallaufzeit.

Zwischen der Erde und dem Mars kann die Signallaufzeit bis zu 20 Minuten betragen. Dies bedeutet, dass eine Verzögerung von mindestens 20 Minuten bei der Kommunikation besteht. Dies kann besonders problematisch sein, wenn schnelle Entscheidungen getroffen werden müssen oder wenn es um die Übertragung von sensiblen Daten oder Befehlen geht.

Klar wird das meiste innerhalb der Kolonien erfolgen und selbst, wenn diese über den Mars verstreut sind, reichen einige geostationäre Satelliten diese zu verbinden. Die geostationäre Bahn ist beim Mars sogar näher, sodass die Funkverzögerungen nur halb so groß sind. Aber die Siedler werden sicher mit der Erde kommunizieren wollen und das vielleicht nicht nur per Email, was wegen der kleinen Datenmenge problemlos ist, sondern per Voice Mail oder sogar Videos schicken. Auf der anderen Seite wollen sie sicher die neuesten irdischen Serienbuster anschauen und das Internet studieren. Noch leben viel mehr Menschen immer noch auf der Erde, dort werden die Verwandten sein und dort wird auch viel mehr zum Konsumieren produziert.

Woran man nichts ändern kann, ist die Distanz und das Signal nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit sind. Der Mars kann sich der Erde auf 56 bis 100 Millionen km nähern (das hängt von der Position in der Umlaufbahn ab, ein Minimum wird alle 13/15 Jahre im Wechsel erreicht) und sich bis auf 400 Millionen km entfernen. Das entspricht Signallaufzeiten von 187 – 334 s bei minimalem Abstand und 1.334 s (das sind über 22 Minuten) bei maximalem Abstand. Eine Unterhaltung wir es also nicht geben, stattdessen wird man Botschaften schicken. Wahrscheinlich werden aber auch die nicht sofort beantwortet, man kann ja nicht erwarten, dass die Leute dann stundenlang nur mit der Kommunikation beschäftigt sind und zwischen jeder Nachricht bis zu 40 Minuten (Hin- und Rückweg) warten.

Datenrate

Zuerst gilte es einmal die Datenrate von einer Marskolonie zur erde zu ermitteln.

Ich nehme als Basis für einen Vergleich das Sendesystem des Exomars Trace Gas Orbiter. Dies hat folgende Eckdaten:

• Durchmesser Sendeantenne: 2,20 m
• Durchmesser Empfangsantenne: 35 m (ESA Deep Space Network)
• Sendeleistung: 65 Watt
• Datenrate: 150 kbit bei maximaler Entfernung, 900 kbit bei minimaler Entfernung des Mars von der Erde.

Wenn man von einigen Ausnahmen absieht, dann haben die größten frei beweglichen Radioantennen rund 64 bis 70 m Durchmesser. Die Sendeleistung dieser Anlagen beträgt in der Regel 20 kW. Es gibt bei einer DSN-Antenne in Goldstone einen 400 kW Sender, doch der wird in der Regel nicht für die Kommunikation genutzt, sondern als Radargerät. Damit entstanden schon „Aufnahmen“ vorbeifliegender NEOs.

Aufgrund der Physik – die Datenrate ist proportional zur Sendeleistung und nimmt quadratisch mit dem Durchmesser der Antennen zu – ist bei einer 64 m Antenne beim Senden und Empfang und 20 kW Sendeleistung die Datenrate um den Faktor 870.000 höher als beim Exomars Tracve Gas Orbiter. In der Praxis ist die Datenrate wahrscheinlich kleiner, weil anders als bei einer Raumsonde die Datenblöcke bei Fehlern erneut übertragen, kann man bei einem dauernden Stream diesen nicht wiederholen will oder kann und man nicht noch weitere Verzögerungen für die erneute Übertragung addieren will.

Bei 150 kbit die der TGO in Maximaldistanz erreicht,  wären das 130,5 Gbit/s. Bei 900 kbit/bei der Minimaldistanz sind es s sogar 783 Gbit/s. Das klingt doch schon mal gut, solange sich nicht allzu viele Siedler diese Datenrate teilen müssen. Doch selbst bei Upstreams von HD-Videos reden wir von zigtausenden parallel laufenden Streams. Relevant für die Datenmenge ist der mittlere Abstand des Mars von der Erde der bei 270 Millionen km liegt, das sind dann 330 kbit/s.

Auf dem Mars benötigt man mehrere dieser Antennen, da der Planet rotiert, ähnlich wie beim Deep Space Network von ESA und NASA es drei Antennenkomplexe auf drei Kontinente gibt. ´Zwischen den Antennen können geostationäre Satelliten die Daten zu der Station transferieren, die gerade Funkkontakt hat. Satelliten schaffen das: Viasat 2 erreicht schon 300 Gbit/s. Bei der kleineren Distanz beim Mars und geringerer atmosphärischer Absorption dürften es noch mehr sein. Notfalls braucht man eben mehr als einen Satelliten für den Transfer zwischen zwei Bodenstationen.

Die Rechnung gilt für das X-Band in dem Exomars sendet. Da liegt die Sendefrequenz bei etwa 8 GHz. In Erprobung seit fast zwei Jahrzehnten ist das Ka-Band, bei dem die Sendefrequenz bei 32 GHz liegt. Je höher die Frequenz bei gleicher Antenne und Sendeleistung ist desto höher die Datenrate, da der Strahl dann stärker gebündelt wird. Auf der anderen Seite ist das Band schon durch atmosphärische Störungen, vor allem Wasserdampf stark gestört und deutlich weniger lang verfügbar. Das wäre wichtiger, denn man wird wohl nicht angefangenen Übertragungen wiederholen wollen. Eventuell weicht man auch auf eine Frequenz aus, die noch weniger gestört wird, auch wenn die Datenrate dann noch weiter sinkt. Im S-Band sandten z.B. die Sender der Pioneer Venus Sonden und der Galileo Atmosphärensonde, also Sonden, die aus einer stark abschirmenden Atmosphäre sandten. Hier liegt die Sendefrequenz bei 2,2 GHz.

Wegen der Signallaufzeit wird man wohl ein Proxysystem implementieren. Das heißt alle anfragen gehen an einen Computer der schaut, ob es eine Kopie auf einem Massenspeicher gibt. Das gilt sowohl für Multimediainhalte wie Fernsehshows wie auch Internetinhalte. Was es nicht gibt, wird nachgeladen und der Benutzer bekommt dann zuerst eine „Jetzt gerade nicht, aber in 20 Minuten“ Nachricht angezeigt. Die wichtigsten Inhalte, wie News-Portale, Soziale Medien etc. werden wohl automatisch aktualisiert. Für Seitenänderungen wird man um Bandbreite zu sparen, zuerst einen Hashcode oder Datumsstempel anfordern, der informiert ob es überhaupt Änderungen gab. Der Computercomplex wird auch überwachen, wie viele Benutzer eine Seite hat und die Aktualisierung nach Priorität machen. Damit selten gefragte Seiten nicht durch das Raster fallen, wird wohl jeder Nutzer ein Kontingent haben, das er frei verwenden kann, um Seiten, die seinen Interessen genügen, abzurufen.

So denke ich könnte die Kommunikation mit den Siedlern aussehen. Bei der optischen Datenübertragung wird es nicht viel anders sein, wobei ich nicht denke das diese überlegen ist. Optische Datenübertragung hat Vorteile, wenn bei einem Segment das Gewicht eine große Rolle spielt, in allen Projekten: das Sendesystem an Bord einer Raumsonde. Doch es ist viel einfacher möglich eine große Antenne mit einem starken Sender zu bauen als ein großes Teleskop mit einem starken Laser, denn auch hier reden wir dann von einigen Kilowatt Leistung (und zwar Sendeleistung nicht Aufnahmeleistung des Lasers).