Наличие атмосферной пыли на Марсе серьезно осложняет применение лазерной связи между его поверхностью и околопланетными орбитами. Согласно результатам моделирования, качество прохождения сигнала напрямую связано с географическим положением, временем года и уровнем пыли в атмосфере.
Одной из ключевых проблем предстоящих марсианских экспедиций, особенно с участием людей, является обеспечение оперативной и надежной связи с Землей. Время задержки сигнала между нашей планетой и Марсом может составлять от четырех до 24 минут, а пропускная способность существующих радиоканалов ограничена. В настоящее время для коммуникаций используется сеть дальней космической связи NASA Deep Space Network, но в перспективе планируется внедрение современных лазерных систем, которые позволят передавать данные с гораздо большей скоростью.
Основная проблема для оптических лазерных сигналов заключается в марсианской пыли. Поверхность Марса покрыта тонким слоем мелкой пыли, которую ветер легко поднимает, формируя пылевые бури. В некоторых случаях эти бури могут достигать планетарного масштаба, охватывая всю планету и длящаяся неделями или даже месяцами.
В такие периоды солнечный свет едва проникает к поверхности, а видимость снижается почти до нуля. Пылевые частицы, размеры которых значительно меньше диаметра человеческого волоса, способны подниматься на высоту до 60 километров. Любая система связи должна функционировать надежно в подобных непростых условиях, поэтому необходимо внимательно изучить воздействие пыли на оптические сигналы.
Группа исследователей из Нидерландской организации прикладных научных исследований оценила, какое влияние оказывает марсианская пыль на оптическую связь между поверхностью планеты и спутниками, находящимися на ее орбите. О результатах их исследования сообщается на сайте, посвященном предварительным публикациям arXiv.
Для построения карт ослабления света пылью в атмосфере при стандартных условиях и в условиях повышенной запыленности («теплый» сценарий) ученые применили климатические данные из базы Mars Climate Database (MCD). Эта база содержит сведения о марсианской атмосфере, полученные на основе наблюдений, сделанных в течение более чем десяти марсианских лет с использованием различных орбитальных аппаратов и роверов.
В ходе исследования ученые определили, каким образом частицы пыли воздействуют на лазерный сигнал с длиной волны 1,55 микрометра. Проведен анализ оптической толщины пыли, которая характеризует степень затухания света.
Данные, полученные с помощью MCD, характеризуют оптическую толщину для вертикального столба атмосферы на длине волны 0,67 микрометра. Проведя сопоставление этих значений с длиной волны 1,55 микрометра, исследователи определили, что оптическая толщина увеличится примерно на 1,1. Для расчета оптической толщины вдоль наклонных траекторий, то есть под разными углами к поверхности, была разработана модель, поскольку спутник не всегда находится непосредственно над наземной станцией.
Для гипотетической системы был определен энергетический баланс канала связи, то есть соотношение мощности, передаваемой и принимаемой, с учётом всех возникающих потерь. При расчётах исследователи использовали параметры, схожие с наземной оптической станцией TNO: мощность передатчика – 200 милливатт, расходимость луча – 380 микрорадиан, диаметр приемной антенны – 800 миллиметров.
Было установлено, что максимальный угол наклона трассы связи, при котором уровень сигнала остается на три децибела выше минимально допустимого, определяется командой. Вычисления выполнялись для всей поверхности Марса и охватывали различные месяцы, включая как периоды с минимальным количеством пыли, так и месяцы с повышенной запыленностью.
При анализе запыленности были рассмотрены два сценария, основанных на данных MCD: типичный год без крупных пылевых бурь и «теплый» сценарий, предполагающий повышенную запыленность, соответствующую максимальным зарегистрированным значениям, увеличенным на 50%. Сценарий, характеризующийся глобальной пылевой бурей, не был включен в анализ, поскольку при таких условиях оптическая толщина становится настолько высокой, что связь практически отсутствует.
Моделирование выявило, что эффективность лазерной связи существенно зависит от концентрации пыли и расположения наземной станции. В сценарии «климатология» связь обеспечивается практически на всей планете, хотя угол наклона трассы меняется. В «теплом» сценарии, особенно в зимние месяцы в северных равнинных областях и постоянно в обширной низине Равнина Эллады, уровень пыли может достигать такой величины, что связь становится невозможной, даже если спутник находится непосредственно над станцией.
Напротив, в полярных областях и на возвышенностях, например, на плато Фарсида, качество связи остается высоким, что позволяет поддерживать её при значительных углах наклона. Исследование конкретных мест посадки выявило, что на площадке аппарата Phoenix (в высоких северных широтах) связь доступна практически на протяжении всего года даже в условиях «теплых» периодов, в то время как на площадке марсохода Curiosity (вблизи экватора) и, особенно, на Равнине Эллады часто возникают затруднения, связанные с запылённостью, особенно в «теплых» сценариях. Так, на Равнине Эллады связь отсутствует в течение 260 из 360 марсианских дней в году при «теплых» сценариях.
Согласно результатам исследования, лазерная связь представляется многообещающей технологией для использования на Марсе, однако её эффективность во многом определяется погодными условиями и рельефом местности. Выбор места расположения наземной станции имеет решающее значение: для обеспечения стабильной связи лучше выбирать высокогорные или полярные области, а не равнинные, где происходит накопление пыли. Даже в наиболее чистых зонах возможность прерывания связи сохраняется во время масштабных пылевых бурь.
Чтобы гарантировать стабильную и постоянную связь с Землей, что особенно важно для будущих полетов с участием людей, требуется создание комбинированных систем связи, объединяющих лазерные и радиоволны, а также проработка структуры сети, возможно, с использованием ретрансляторов, расположенных на большой высоте или на околоземной орбите.