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.

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 schirken. 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

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

Wenn man von einigen Ausnahmen absieht, dann haben die größten frei beweglichen Radioantennen rund 64 bis 70 m Durchmesser. Die Sendeleistung beträgt in der Regel 20 kW. Es gibt bei einer DSN-Antenne 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. In der Praxis 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 wären das 130,5 Gbit/s. Bei 900 kbit/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.

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).

3 thoughts on “Die Lösung für ein überflüssiges Problem: Die Kommunikation mit den Marssiedlern

  1. Ich sehe jetzt nicht wirklich ein Problem.
    – email und news (oder eine Neuauflage davon) kann per uucp (oder einer Neuauflage davon) übertragen werden. Man wird ggf. ein relay verwenden, welches alles bis auf text/plain und optional text/rtf strippt.
    – auch Filme können per Batch übertragen werden. (Alternativ mit der nächsten Versorgungsrakete.)
    – alles bisherige kann mit der höchst möglichen Datenrate übertragen werden, fehlende Pakete werden dann ca. eine Stunde später wiederholt.
    Interaktive Sachen funktionieren halt nicht. Ein WWW wäre dann Mars lokal. Bestimmte Webseiten könnten eine Kopie auf dem Mars bekommen, Änderungen am Inhalt haben dann ein entsprechendes Delay, welches auch mal zwei Jahre betragen kann.

    MfG

  2. Bevor man sich Gedanken macht, wie man auf dem Mars irgendwelche Filme per Internet von der Erde streamt, sollten die Pioniere nicht erstmal versuchen, einen Prototypen ihrer modernen Mayflower in den Erdorbit zu bringen, geschweige denn ihn nicht gleich explodieren zu lassen?

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