星际通信的10个最佳想法

2003年，科幻作家阿瑟·C·克拉克。

路易斯恩里克Ascui /盖蒂图片社

建立一个卫星网络，从水星到冥王星，几乎覆盖整个太阳系37亿英里(60亿公里)的长度，这个想法听起来有点令人难以置信。但是，回到1945年，当英国科学家和科幻小说作家阿瑟·c·克拉克(Arthur C. Clarke)在杂志上写了一篇文章，设想了一个全球通信网络轨道卫星这看起来也很奇怪。然而，今天，我们到处都有卫星，这使得我们可以在地球上几乎任何地方打电话、发送短信或电子邮件:美国空军航空大学]．事实上，早在第一颗地球通讯卫星被发射进入轨道之前，有远见的人就在梦想着克拉克的全球通讯网络的星际版本。

早在1959年，太空科学家乔治·e·穆勒(George E. Mueller)和约翰·e·泰伯(John E. Taber)在旧金山的一次电子会议上做了一个题为“星际通信系统”的报告，描述了如何通过无线电波在太空建立远距离数字传输[来源:穆勒和坦纳]．四十年后，两位科学家，Stevan Davidovich和Joel Whittington勾勒出了一个精心设计的系统，其中三颗卫星将被放置在围绕太阳的极轨道上，其他卫星将被放置在地球同步轨道或围绕不同行星的极轨道上。

然后，这些卫星将被连接到一个网络中，该网络可以接收来自载人宇宙飞船或机器人探测器的无线电信息，然后从一个或另一个行星上将它们转发到或向下的线路，直到它们到达地球[来源:Davidovich和惠廷顿]．不过，到目前为止，还没有任何建立这样一个系统的行动，可能是由于多重设置的成本卫星在轨道上遥远的天体可能是巨大的。

使用无线电波会限制数据传输的速度。

格罗夫·帕斯利/摄影师的选择/盖蒂图片社

正如我们在介绍中提到的，目前太空中的数据传输速度比宽带互联网我们在地球上已经习惯了。原因是，由于无线电波运行的相对频率，它们能够处理的数据量有限。(如果你有一个无线网络路由器在你的家里或办公室——它只是没有有线连接快或可靠。)

相比之下，频率较短的激光的集中能量可以处理更多的数据。此外，由于激光不像无线电传输那样分散，因此传输数据所需的功率较低[来源：Ruag.com]这就是为什么美国宇航局正在进行深空光通信项目，该项目将转而使用激光而不是无线电发射器和接收器。这将使传输的数据量比最先进的无线电设备增加10到100倍，这将使星际互联网的速度大致与典型的宽带互联网一样快和地球上的连接[来源：美国国家航空航天局]．但在太空中使用激光通信并非易事。美国宇航局已经在太空中进行了小规模、低数据率的激光数据传输演示，并正在努力开发一种激光通信系统，最终将在月球轨道上的一颗卫星上进行测试[来源:美国国家航空航天局]．最终，激光数据传输可能会使从火星发送高清实时视频成为可能[来源:克洛茨]．

2012年8月20日，美国宇航局的“好奇号”火星探测器首次在火星上展开机械臂。是否有那么一天，每个太空物体都能相互通信，而不仅仅是与地球上的空间站通信?

美国航天局/姓名/盖蒂图片社

之前，我们提到了建立一个巨大的专用通信网络的想法卫星这将是一项巨大的任务。但或许有一种更小、成本更低、增量更大的方式来构建这样一个网络。到目前为止，每当我们向太空发射航天器和卫星时，它们通常都是直接与地球上的空间站进行通信，并使用专门为这一特殊任务设计的软件和设备(通常之后就会被丢弃)。

但如果科学家和工程师装备了发射到太空的每一个飞行器或物体——从空间站比如，轨道望远镜、绕火星或其他行星轨道运行的探测器，甚至探索外星景观的机器人漫游者——以便它们都能相互交流，并充当庞大的星际网络的节点。如果你在地球上寻找一个比喻，想象一下你的笔记本电脑，平板电脑，智能手机，游戏机，网络摄像头和家庭娱乐中心都可以连接到你的无线网络路由器，彼此分享内容。

除了传递信息，理想情况下，这样的星际网络还可以连接到地球上的互联网，这样科学家就可以连接轨道卫星或漫游者，查看他们所看到的东西，就像现在登陆NASA网站一样。

“NASA很快将建立的网络很可能是科学家们研究火星地质、木星寒冷的卫星木卫二冰层下的海洋条件或金星动荡的云层覆盖的惊人细节的网络，”2005年工程出版物《IEEE Spectrum》上的一篇文章解释道。“这很可能是一个想家的太空探险家给家里发电子邮件的方式”[来源:杰克逊]．

互联网的基本设计并不适合太空——这就是为什么科学家们正在开发一种使用新协议的改进版本。

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我们已经提到了将宇宙飞船和探测器连接在一个横跨太空的巨大网络中的想法，这样科学家就可以像连接互联网上的网站一样连接它们。但正如一些批评人士指出的那样，这种方法可能不是最好的，因为互联网的基本设计在太空中不能很好地工作。我们在地球上使用的互联网协议依赖于破坏我们传输的所有东西——无论是文本、语音还是流媒体视频——分成小块数据，然后在另一端重新组合，让其他人可以看或听。这是一种很好的方法，只要所有的信息都在高速移动，几乎没有延迟或丢失数据包，这在地球上并不难做到。

一旦你进入太空——距离非常遥远，天体有时会挡住你的去路，到处都是电磁辐射干扰信号——数据流的延迟和中断是不可避免的ses是一种新的协议，称为中断容忍网络（DTN）。与地球上使用的协议不同，DTN不假设存在连续的端到端连接，它挂起数据包，在重新建立连接之前无法立即发送。为了解释这一工作原理，美国国家航空航天局使用一个篮球在这个比喻中，一个球员只是耐心地抓住球，直到另一个球员在篮下空挡，而不是惊慌失措地投出一个疯狂的球或把球扔出去。2008年，美国国家航空航天局对DTN进行了第一次测试，用它从距离地球约2000万英里(3218.7万公里)的航天器上传输了数十张图像。美国国家航空航天局]．

卫星漂浮在太空中，月球在前，地球在后。

原尺寸的/盖蒂图片社

在和一个火星基地火星在运动有时，可能会有一个基地远离地球，而且每隔一段时间——大约每780个地球日——火星和地球之间就会有太阳直射。对齐,称为结合，可能会降低沟通能力，甚至一次中断几周，如果你是一个年轻人，这将是一个相当孤独、可怕的前景宇航员或者火星殖民者。幸运的是，欧洲和英国的研究人员可能已经找到了解决这个令人生畏的困境的办法。

卫星通常绕行星运行开普勒轨道开普勒以17世纪天文学家约翰内斯·开普勒的名字命名，开普勒写了描述卫星运动的数学方程。但欧洲和英国的研究者提出将一对通信卫星在火星上一个叫做non-Keplerian轨道,这基本上意味着,而不是朝着一个圆形或椭圆路径在火星,他们会去的,所以,地球不会中心。然而，为了保持这个位置，卫星必须抵消引力的影响，引力会把它们拉向火星。为了保持它们的位置，科学家们建议给它们配备电力离子推进引擎，由太阳能发电并使用微量的氙气作为推进剂。这将使卫星能够连续不断地转播无线电信号，即使是在火星和地球在一起的时候[来源:Phys.org]．

如果星际飞船和地球之间有一个继电器链呢?

出租车/盖蒂图片社

当然，行星际通信并不一定只是关于我们自己的太阳系。自从1995年天文学家发现第一颗围绕类似太阳的恒星运行的行星以来，科学家们已经发现了许多其他的系外行星，因为我们太阳系外的世界被称为[来源:美国国家航空航天局]．2012年10月，他们甚至发现了一颗大约地球大小的行星，围绕着半人马座阿尔法星B运行，这颗恒星位于离地球最近的星系中星星，大约2.35万亿英里(3.78万亿公里)远[来源:贝茨]．

当然，这是一个令人生畏的巨大距离。但即便如此，一些太空科学家设想有一天发射一艘巨大的星际飞船，它本质上是一个移动的、自给自足的微型地球，有能力供养一代又一代的宇航员，他们将穿越星际空间，努力到达其他可居住的行星，甚至可能与地外文明接触。

伊卡洛斯计划(Project Icarus)是太空科学家和未来学家最近为这一任务制定蓝图的一项努力。该计划考虑的问题是，这样的飞船在不断深入未知世界的同时，如何继续与地球通信。他们想出了一个有趣的解决方案:在途中，这艘巨大的飞船会周期性地丢弃装有信号中继设备的空燃料罐，形成一条将信息从宇宙飞船传回地球的链条。参与该设计项目的英国工程师帕特·加利亚(Pat Galea)在2012年写道:“我们的想法是，通过伊卡洛斯和地球之间的中继链，信号的每一跳距离都比整个数光年的距离短得多。”“因此，我们有可能降低发射机的功率需求，或者减小伊卡洛斯(Icarus)上的天线尺寸，或者增加可以通过链路发送的数据速率”[来源:最低潮]．

科学家们建议建造几个太阳系接收站，这将是一个巨大的天线阵列，在地球上的不同位置延伸数英里。

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科学家和未来学家在伊卡洛斯项目——投机试图设计一艘星际飞船能够到达最近的邻近的恒星系统,大约2.35万亿英里(3.78万亿公里)远,花了很多时间思考如何与地球这样的船可能会保持联系,因为它横穿星际空间的巨大。在这个列表的前一项中，我们提到了一个概念，即星际飞船将在它的身后留下一条面包屑一样的通信连接痕迹。但在地球上，那些执行这项任务的人仍将面临挑战，即试图接收来自星际飞船的信号，并过滤掉太空中的环境电磁噪声——由于地球的大气层会削弱信号，这项任务变得更加困难。

为了最大限度地实现这一目标，伊卡洛斯计划的规划者建议建造几个太阳系接收站，这些接收站将是巨大的天线阵列，在地球上的不同位置延伸数英里。这种阵列的天线将协同工作，以发现和捕捉包含星际飞船信息的微弱信号。(想象一下这个类比:如果一个棒球运动员打了一个本垒打在看台上棒球场如果看台上坐满了人，球更有可能被球迷接住。)由于地球在旋转，特定SSRS中的天线每天只会在一小部分时间指向遥远的星际飞船，而地球上那个位置的天气可能会阻碍接收。出于这个原因，在地球上不同的位置建立多个天线阵列可能是明智的，以确保我们可以保持近乎连续的通信[来源:最低潮]．

如果通讯飞船使用太阳作为透镜放大来自星际飞船的信号并将其传输到地球上会怎么样？

罗布·阿特金斯/影像银行/盖蒂图片社

这是伊卡洛斯计划的研究人员提出的另一个想法。根据爱因斯坦的相对论理论在美国，超大质量物体的引力实际上可以使经过它们附近的光线偏转并集中，就像手持放大镜一样。这给了伊卡洛斯计划智囊团的想法，利用这种效应来聚焦和推动来自遥远宇宙飞船的传输。无可否认，他们将采用的方法对于非物理学家来说有点难以理解:一艘能够接收通信信号的宇宙飞船将被安置在星际空间中，与星际飞船的行进方向相反，距离地球约510亿英里(820亿公里)太阳. 这真的非常远——实际上大约是冥王星和太阳之间距离的18倍——但是让我们假设一个地球文明能够将一艘星际飞船发射到离地球数万亿英里的地方。然后，这艘通讯飞船将利用太阳作为透镜，放大它从遥远的星际飞船获得的信号，然后通过其他一些系统，如带有激光链路的卫星网络，将信号传回地球。

“这样做的潜在收益是巨大的，”工程师Pat Galea在2012年向探索新闻解释道。“伊卡洛斯(Icarus)上的发射机功率可以降低到更低的水平，而不影响可用数据速率，或者如果功率保持不变，我们可以接收到比直接连接多得多的数据。”尽管看起来很巧妙，但这个计划也有一些木星大小的复杂之处。例如，有必要让接收信号的宇宙飞船，即从星际飞船接收信号的宇宙飞船，始终保持近乎完美的对齐，而保持这种方式可能会非常非常困难[来源:最低潮,Obousy等]．

加利福尼亚州戈德斯通深空站天线是深空网络（DSN）的一部分，DSN是一个由大型天线和通信设施组成的国际网络，支持星际航天器任务。

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当远距离航天器的传输到达地球时，它们已经退化到信号实际包含的能量可能少于光子的程度[来源：兰博].这真的很弱。请记住，光子，即最小能量单位的无质量微小粒子，非常微小；典型的手机每秒发射10到24次方的光子[来源：伊利诺伊大学]．从难以抑制的太空杂音中分辨出令人难以置信的微弱信号，并弄清楚它的意义，可能就像在地球海洋某处的一个漂流瓶中找到一条信息一样困难。但据《纽约时报》报道，研究人员提出了一个有趣的解决方案美国国家航空航天局该网站为此类问题的解决提供了资金支持。

不是发送一个单一的信号或能量脉冲，一艘试图与地球通信的宇宙飞船会同时发送多个该信号的副本。当弱信号到达地球,任务控制使用一个设备称为结构化光接收机,或古接收机(是谁发明的科学家后,Saikat Guha(概念),来重组幸存的小弱的细枝末节,那些重复的信号,并把它们放在一起重建消息[来源:兰博,古哈]．想象一下:把一条信息打印在一张纸上，然后打印1000份，然后把它们全部放进碎纸机里，然后把结果混合在一起。即使你把这些小碎片中的大部分扔进了垃圾桶，剩下的那些可能会给你足够的信息来重建纸上的信息。

图为位于瑞士日内瓦-迈林的欧洲核子研究中心游客中心的大型强子对撞机(LHC)隧道模型。LHC是世界上最大、最强大的粒子加速器。

约翰内斯·西蒙/盖蒂图片社

无论我们开发出多少令人难以置信的复杂装置来组装难以从外太空到达我们的微弱通信信号，我们仍然面临另一个更具有挑战性的问题。在我们的太阳系里，距离是如此之远，以至于我们在地球上习惯的那种简单、瞬间的来回通信——aSkype比如视频对话，这是不太可行的，至少以目前的技术来看是这样。如果我们要去太阳系外的行星，这几乎是不可能的。如果一艘星际飞船到达距离我们最近的星际邻居，距离我们数万亿英里远的半人马座阿尔法星系，一个声音、视频或文本传输的两边需要4.2年的时间才能跨越这令人震惊的距离。这就是为什么长期以来，梦想家们一直对通过亚原子粒子束传输信息的想法感兴趣，这种粒子束的传播速度将超过光速。

这听起来很容易解决，不是吗?但再猜。要想让这个计划奏效，我们似乎必须挖一个大洞爱因斯坦的狭义相对论，禁止任何东西比光速快的运动．另一方面，也许它没有。2012年，两位数学家在一家英国科学杂志上发表了一篇论文，声称有一种方法可以处理爱因斯坦的计算，并证明超过光速的速度确实是可能的[来源:莫斯科维茨]．但如果这些异议被证明是正确的，我们仍然需要找到一些证据来证明粒子的运动速度可以超过光速，而目前为止我们还没有找到证据。

2011年有一个被高度宣传的实验，在这个实验中，欧洲核子研究中心(CERN)粒子加速器的研究人员记录了一种被称为中微子的粒子，这种粒子的运动速度比爱因斯坦的速度极限快了一点点。但事实证明，一个小故障光纤电缆研究人员的设备显然导致了错误的读数(它没有完全插入)[来源:博伊尔]．这使得宇宙中微子电话的前景破灭，至少目前如此。