Kosmiczny streaming wideo

W październiku 2023 rakieta Falcon Heavy wyniosła w przestrzeń sondę Psyche. O misji Psyche, bardzo skądinąd interesującej, pisał wcześniej Mirosław Dworniczak. Ja jednak chciałbym napisać na temat bardzo ważnego eksperymentu, który miał być w ramach Psyche przeprowadzony. Mowa o Deep Space Optical Communications (DSOC), nowej technologii przekazu danych na kosmiczne odległości.

Na czym polega nowatorstwo DSOC?

Dotychczas w łączności kosmicznej wykorzystywano zwykły modulowany sygnał radiowy, używając nadajników różnej mocy, a efektywna prędkość transmisji była dość niska. Na przykład łaziki Curiosity (2012) i Mars Perseverance Rover (2021) korzystały z nadajników o mocy około 125 watów, a prędkość transmisji wahała się od kilku do kilkuset kb/s. Technologia ta wystarczała do przesyłania krótkich komunikatów, danych i sygnałów sterujących z Ziemi, ale do transmisji obrazów (a tym bardziej filmów w czasie rzeczywistym) niekoniecznie. Obrazy przesyłały się długo i były niskiej jakości. DSOC ma zamiar złamać ten obowiązujący dotychczas paradygmat i wykorzystując celowany promień lasera podczerwonego, transmitować dane z prędkością liczoną w setkach megabitów na sekundę, czyli 10-100 razy szybciej niż do tej pory. Czyli z prędkością dobrej jakości ziemskiego internetu szerokopasmowego.

Ryc. 1. 15-sekundowy film przesłany w obie strony w ramach eksperymentu DSOC. Źródło: NASA/JPL-Caltech.
Link do filmu na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=GvJtVOmFs5Q

Eksperyment

Seans łączności odbył się 11 grudnia 2023. Do przetestowania łączności posłużył (wcześniej nagrany) 15-sekundowy film wysokiej rozdzielczości z kotem Tatersem uganiającym się za wskaźnikiem laserowym w roli głównej. Film został przesłany z Ziemi do urządzenia nadawczo-odbiorczego na Psyche, skąd natychmiast odesłano go z powrotem na Ziemię. Odległość sondy od Ziemi wynosiła wtedy około 30 milionów kilometrów, więc czas transmisji wyniósł 101 sekund. Prędkość maksymalna transmisji wyniosła 267 megabitów na sekundę (Mb/s). Podczas całej sesji łączności przesłano w sumie 1,3 terabita danych. Dla porównania – misja NASA Magellan na Wenus w latach 1990-1994 przesłała łącznie 1,2 terabita. Właśnie ze względu na potrzebę przesyłania ogromnych ilości danych pomiarowych, a nie medialnie atrakcyjnej transmisji live video projekt DSOC jest tak ważny. Znakomita większość odległych lotów kosmicznych to misje bez powrotu i nie ma sensu gromadzenie danych na nośnikach, które nigdy nie powrócą i nie będą odczytane. Zebrane dane muszą być przesyłane na Ziemię na bieżąco, inaczej przepadną. Alternatywą jest selekcja i wstępne przetwarzanie danych na miejscu.

Oczywiście był to jedynie test skomplikowanego, przyszłego systemu łączności; wiele prób jeszcze przed Psyche, ale można już być pewnym, że po usunięciu błędów i udoskonaleniu technologii będzie to rewolucja w łączności kosmicznej. Sonda po dotarciu do celu, którym jest metalowa asteroida Psyche znajdująca się w odległości 2,5-3,3 jednostki astronomicznej (j.a.), czyli około 500 milionów kilometrów od Ziemi, do przesyłania danych „produkcyjnych” będzie wykorzystywała klasyczną łączność radiową.

Opisywany test DSOC to nie pierwsza próba łączności laserowej w kosmosie, ale pierwsza, której celem jest łączność długodystansowa, docelowo podczas przyszłych misji na Marsa. Pierwszy test dwukierunkowej komunikacji laserowej miał miejsce w grudniu 2021 r., kiedy NASA przetestowała łączność z obiektem orbitalnym w odległości 35 406 kilometrów od Ziemi. Także załogowa misja Artemis, która okrąży Księżyc, będzie wykorzystywała łączność laserową do bieżącego przesyłania nagrań wideo wysokiej jakości.

Przed wykonaniem opisywanego rekordowego testu, 14 listopada przeprowadzono wstępną próbę łączności, która miała na celu synchronizację i kalibrację urządzeń, a sygnał odebrany przez Psyche z Ziemi pozwolił na dokładniejsze wycelowania jej lasera w teleskop Hale’a.

Na czym polega kosmiczna łączność laserowa DSOC?

Ryc. 2. Architektura planowanego systemu łączności laserowej DSOC. Źródło: NASA/JPL, domena publiczna.

System komunikacyjny DSOC składa się z trzech podstawowych elementów. Na pokładzie Psyche znajduje się urządzenie nadawczo-odbiorcze z laserowym nadajnikiem o mocy 4 watów. Na Ziemi – nadajnik laserowy o mocy 5 kilowatów i odległy od niego o kilkadziesiąt kilometrów odbiornik zintegrowany z teleskopem Hale’a, największym teleskopem w obserwatorium Palomar. Na potrzeby projektu zaprojektowano bardzo czułe detektory (liczniki) fotonów umieszczone na obu końcach kosmicznej linii transmisyjnej.

Temat nadprzewodzących detektorów pojedynczych fotonów (NSNPD) jest interesujący sam w sobie, gdyż 64-pikselowa matryca jest zdolna do zliczania ponad 1 miliarda fotonów na sekundę przy rozdzielczości czasowej poniżej 100 ps (pikosekund), co jest rekordem świata.

Ryc. 3. Matryca SNSPD firmy MDL.
Źródło: https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/

Do łączności DSOC użyto lasera pracującego w bliskiej podczerwieni. Ważnym elementem systemu jest korekcja błędów, zwłaszcza separacja szumu tła, czyli fotonów pochodzących ze Słońca i ziemskiej atmosfery. Korekcji podlegają też różnego rodzaju wibracje.

Wymiary poszczególnych elementów systemu to: nadajnik na Ziemi – 1 m, ziemski odbiornik – 5,1 m (teleskop Hale’a), teleskop na Psyche – 22 cm. Projektując test, oczekiwano, że prędkość przekazu z Ziemi na Psyche powinna osiągnąć 292 kbit/s w odległości 0,4 j.a. (60 000 000 km), a transmisja powrotna 100 Mb/s.

Ryc. 4. Teleskop Hale’a w obserwatorium Palomar.
Źródło zdjęcia: NASA/JPL-Caltech/Obserwatorium Palomar

Co dalej?

Przed eksperymentem DSOC jeszcze wiele podobnych seansów łączności. Oczekuje się, że próby będą powtarzane aż do osiągnięcia maksymalnej odległości od Ziemi, a czas transmisji wydłuży się do 20 minut. Jest to wystarczająca odległość, aby przetestować wszelkie aspekty przyszłej łączności z Marsem, bo to Mars jest ostatecznym celem misji. Aby uświadomić skalę wyzwań technologicznych, należy pamiętać o tym, że w czasie tej 20-minutowej transmisji Psyche i Ziemia będą się przemieszczać i obracać, a wąska wiązka laserowa z Psyche musi zachować ciągłą łączność z maleńkim (w skali kosmicznej) teleskopem Hale’a.

Harmonogram testowania systemu:

  • Około 20 dni po wystrzeleniu: faza I – kalibracja DSOC, przygotowanie do następnego etapu fazy 1.
  • Około 50 dni po wystrzeleniu: pierwsza transmisja testowa (opisywana w tym tekście).
  • Czerwiec 2024: zakończenie fazy I (300 mln kilometrów od Ziemi).
  • Styczeń 2025: II faza testów.
  • Październik 2025: zakończenie testów DSOC.

Następny test systemu przewidziany jest więc na czerwiec 2024, kiedy odległość sondy Psyche od Ziemi wyniesie około 300 milionów kilometrów, czyli 2 jednostki astronomiczne (sonda będzie dwa razy dalej od Ziemi niż Ziemia od Słońca). Taką odległość światło przebywa w 1000 sekund, czyli nieco ponad 15 minut. Dla porównania, odległość Marsa od Ziemi to 56-400 milionów kilometrów (średnio 225 mln km); światło pokonuje ją w ok. 200-1300 sekund.

Czekamy więc do czerwca.

Co by było, gdyby (8)…

ludzkość zamieszkała na Marsie?

Kiedy zabierałam się za ten wpis, zrobiłam na Twitterze sondę z pytaniem o najbardziej kłopotliwy element eksploracji Marsa w dobie kolonizacji. Spojrzałam na temat jak astrofizyczka, a nie psycholożka – tymczasem sonda sondą, a w komentarzach niemal każdy pisał o tym, że co tam promieniowanie, marsjański pył czy wiatr, brak gleby, problemy z wodą i atmosferą: najważniejsze będzie to, czy mieszkańcy nowej kolonii będą potrafili ze sobą współpracować i czy psychicznie dadzą radę. Odłóżmy zatem na moment kwestie technologiczne i spójrzmy na to, jak agencje kosmiczne realizują program przystosowania do długich lotów, z czym wiąże się pobyt w kosmosie pod kątem zachowania, jakie zagrożenia może nieść ze sobą przebywanie z dala od Ziemi przez dłuższy czas, a także czy w razie ewentualnego „buntu na Bounty” kolonii groziłoby realne niebezpieczeństwo.

Oczywiście od samego początku podbój kosmosu i psychologia wiązały się ze sobą nierozerwalnie. To, że w kosmos do lat 80. w zasadzie latali wojskowi piloci, nie było przypadkiem, i wcale nie chodziło tu głównie o ich umiejętności związane z lataniem: podróże kosmiczne już od zarania odbywały się na pokładzie skomputeryzowanych statków; obecnie na przykład Dragon lecący na ISS wszystko „robi sam”. Wojskowi piloci mieli jednak zestaw umiejętności oraz cech fizycznych (i poziom wytrenowania), a także predyspozycje do tego, by jednocześnie nie bać się wykonać zadanie, ale też by mieć na tyle respektu i wglądu w samych siebie, by być w stanie oceniać sytuację, w razie potrzeby samodzielnie decydować, a także wiedzieć, kiedy mieć ograniczone zaufanie do automatyki i przyrządów.

Musimy też pamiętać, że choć pierwsi kosmonauci i astronauci nie byli naukowcami, to jednak mieli wykształcenie techniczne, uczestniczyli w budowie i testowaniu statków kosmicznych (czasami niestety też podczas tych prób ginęli), mieli solidne podstawy fizyki, chemii, nawigacji i astrofizyki.

Wśród pierwszych naukowców, którzy polecieli w kosmos, było dwóch Rosjan: Borys Jegorow (lekarz) i Konstanty Feoktysztow (biolog) udali się na orbitę 12 października 1964 roku wraz z doświadczonym pilotem, Komarowem. Do dzisiaj nie mogę uwierzyć, że naukowcy sami zdecydowali się na lot, podczas którego NIE MIELI skafandrów (bo po prostu by się w nich nie zmieścili na pokład w trójkę) ani opcji ewakuacji. Cóż, Rosja to stan umysłu.

Misje Apollo na początku również składały się z wojskowych (co było zrozumiałe również ze względów bezpieczeństwa państwa), a jedynym człowiekiem na Księżycu bez wcześniejszej służby wojskowej był Harrison Hagan Schmitt, geolog, który poleciał na Księżyc z misją Apollo 17.

Harrison Hagan Schmitt. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Z czasem w kosmosie znalazło się miejsce dla naukowców, cywili czy celebrytów – jednak zawsze przechodzą oni szkolenie, pozostają w ścisłym kontakcie z centrum kontroli lotów, są starannie monitorowani i muszą zdawać regularne raporty dotyczące samopoczucia fizycznego i psychicznego.

Udajmy się jednak dalej, w ośmiomiesięczną podróż na Marsa, zakończoną co najmniej dwuletnim pobytem przed otwarciem kolejnego korzystnego okna przelotowego. Jaki rys osobowościowy („charakter”) powinni mieć koloniści i na jakie niespodzianki psychologiczne trzeba ich przygotować?

Wszyscy pewnie już widzieli lub czytali „Marsjanina”, jednak książka (i film na jej podstawie) przedstawiają sytuację ekstremalną: jednego człowieka, swego rodzaju Robinsona Crusoe, który musi poradzić sobie z obcą planetą, która chce go zabić na każdym kroku. Jest sam, więc przynajmniej nie musi się użerać z fochami innych osób, prawda?

Doskonały serial o Marsie wyprodukowało studio National Geographic. Choć serial ma wiele uproszczeń i błędów, to trzeba przyznać, że całkiem dobrze skupia się na relacjach międzyludzkich. Możemy dzięki niemu zrozumieć, że bycie genialnym naukowcem nie gwarantuje sukcesu we współpracy z innymi, że czasami trzeba wyciągnąć rękę do „wroga”, a także że spędzanie czasu na planecie odległej od Ziemi wiąże się z ryzykiem starym jak świat, zwanym swojsko cabin fever.

Cabin fever to coś więcej niż klaustrofobia: to złożone zjawisko obejmujące kwestie psychofizyczne związane z przedłużającym się pobytem w niewielkiej przestrzeni lub w izolacji (w tym ekstremalnej izolacji od świata zewnętrznego, na przykład na łodzi podwodnej) samotnie lub z grupą innych osób. Do objawów zaliczamy rozdrażnienie, problemy ze snem, zanik zaufania do innych osób i samego siebie, a także irracjonalną potrzebę uwolnienia się z tej stresującej sytuacji, nawet kosztem życia własnego lub innych. I właśnie o tym zjawisku traktował jeden z odcinków serialu: kiedy po awarii zasilania dr Paul Richardson musiał pogodzić się ze zniszczeniem upraw, zaczął doświadczać na tyle trudnych emocji, że pojawiły się u niego objawy cabin fever; zanim na Marsa dotarła jego dokumentacja psychiatryczna, było za późno: wiedziony omamami (słonecznym ogrodem pełnym roślin) otworzył śluzę, zabijając nie tylko siebie, ale i kilka innych osób, i omal nie niszcząc całego habitatu.

John Light jako egzobotanik, dr Paul Richardson, w serialu Mars produkcji National Geographic.
Rysunek Paula, który był wstępem do tragedii.

Oprócz tak ekstremalnych przypadków najważniejsze oczywiście jest zarządzanie relacjami, które z czasem mogą stać się skomplikowane: kiedy pokłócimy się z kimś, często mamy potrzebę pozostania w samotności czy wyjścia na spacer, co w naturalny sposób pozwala nam przetrawić emocje i rozładować gniew czy żal: na Marsie, a tym bardziej na statku kosmicznym, może to być znacząco utrudnione. Dlatego właśnie astronauci przechodzą intensywne szkolenia z zarządzania emocjami, rozwiązywania konfliktów – i uczą się rosyjskiego i angielskiego.

W Stanach Zjednoczonych problemem tym zajmuje się National Space Biomedical Research Institute (NSBRI) we współpracy z wieloma psychologami i instytutami. Pierwszym badaniem prowadzonym na szeroką skalę było badanie dotyczące stacji kosmicznej Mir, podsumowane w roku 2000 i dotyczące lat 1995–1998. Podczas tego badania okazało się, że Amerykanie, którzy na stację lecieli zawsze w mniejszej liczbie i zawsze znajdowali się tam pod dowództwem Rosjanina (a także musieli komunikować się po rosyjsku), narzekali na dyskomfort psychiczny spowodowany problemami z komunikacją, przydzielaniem zadań, a także brakiem niezależności. Na Mirze zwykle znajdowała się załoga złożona z dwóch kosmonautów i jednego astronauty, co wprowadzało ten właśnie brak równowagi i poczucie bycia piątym kołem u wozu.

Do innych znanych przykładów należy trwająca jedenaście dni misja Apollo 7, podczas której niemal doszło do buntu na pokładzie: astronauci ciągle pamiętali o wypadku Apollo 1, byli zmęczeni, zdenerwowani – i na koniec odmówili założenia hełmów podczas powrotu na Ziemię (głównie z powodu potwornego problemu Schirry z zatokami: okazuje się, że zatkany nos potrafi w kosmosie być problemem niemal nie do przeskoczenia). Członkowie załogi zakończyli w zasadzie po tym locie karierę astronautów.

Załoga Apollo 7: Eisele, Schirra i Cunningham. Źródło: NASA. Domena publiczna.

NASA oczywiście zdaje sobie sprawę z tego, że misje kosmiczne to nie tylko doskonałe przygotowanie techniczne i fizyczne, ale także kwestie behawioralne. Mapa drogowa badań (znajdziecie ją tutaj) zawiera zatem takie punkty, jak ryzyko problemów behawioralnych i zaburzeń zdrowia psychicznego, a także problemy wynikające z nieodpowiedniego przygotowania do współpracy z członkami załogi i kontrolą lotów. Najczęściej pojawiającym się ryzykiem jest izolacja, zwłaszcza ta związana z brakiem możliwości szybkiego powrotu na Ziemię.

Taka izolacja wiąże się z wieloma skutkami nie tylko emocjonalnymi, ale i poznawczymi: zaczynają się tarcia między członkami załogi, pojawiają się objawy depresji, wykonywanie zadań może zostać zarzucone lub przerwane albo spowolnione – a na stacji kosmicznej czy statku nie można sobie tak po prostu odłożyć na potem na przykład konserwacji czy odkurzania.

Na Ziemi często prowadzi się eksperymenty badawcze, takie jak Mars 500: podczas tego badania członkowie załogi (troje Rosjan, dwoje Europejczyków i jeden Chińczyk, sami mężczyźni) spędzili najpierw 105 dni we wstępnej izolacji w celu zbadania zdrowia i spełniania warunków eksperymentu, a następnie 520 dni w specjalnie przygotowanym module izolacyjnym, w którym symulowano zarówno pobyt na statku lecącym na Marsa, jak i lądowniku. Członkowie „załogi” mogli komunikować się z kontrolą lotów, czasami z rodziną, wszystko z około 20-minutowym symulowanym opóźnieniem, mogli też korzystać z maili. Największym problemem okazało się zaburzenie cyklu snu.

Aby jeszcze dokładniej zbadać wpływ izolacji na człowieka, prowadzi się też bardziej rygorystyczne badania w rejonach arktycznych, gdzie dodatkowo uczestnicy mają świadomość, że za drzwiami nie ma „cywilizacji”.

Najciekawszym jednak, i na razie niemożliwym do zbadania, jest efekt „Earth-out-of-view” w kontraście do efektu „Overview” (efektu oglądu). Efekt ten, polegający na utracie widoku Ziemi jako planety (z daleka będzie jedynie świecącym punktem na niebie, a przy podróżach poza nasz układ słoneczny nie będzie jej widać), może znacząco przyczynić się do pogorszenia stanu psychicznego załogi, która będzie mieć świadomość braku połączenia z tymi, którzy zostali tak daleko.

Pale Blue Dot. Źródło: Voyager 1, NASA. Domena publiczna.

Wszystkie te kwestie trzeba brać pod uwagę już na etapie planowania misji, wyboru astronautów, a nawet projektowania samego statku kosmicznego. Trzeba uwzględnić nie tylko potrzebę spędzania czasu z innymi członkami załogi, ale także prywatność, o którą tak trudno w ciasnych pomieszczeniach. Podczas samego lotu, a także ewentualnego pobytu na innej planecie, niezmiernie ważne jest stałe monitorowanie samopoczucia, prowadzenie sesji terapeutycznych, a także dbanie o dobrostan bliskich załogi: osoby na Ziemi bowiem również mogą doświadczać ogromnego stresu związanego z misją, a przecież jednym z ich zadań jest udzielanie wsparcia tym, którzy są daleko.

Reasumując: pobyt na Marsie będzie wiązać się z wieloma wyzwaniami nie tylko pod względem technologii – dlatego właśnie potrzebujemy jak najwięcej psychologów zajmujących się kosmosem!

Dalsza lektura:

Opis eksperymentu LUNARK.

Kwestie behawioralne i psychologiczne związane z mieszkaniem na Marsie.

April Fools, czyli o tym, jak robi się żarty w kosmosie

Kosmiczne żarty, dowcipy, śmieszne teksty – bez nich podbój kosmosu nie byłby kompletny. Astronauci ciężko pracują, by móc polecieć na przykład na ISS: od zawsze szkolenia były trudne, długie i wymagające wiedzy, umiejętności i skupienia. Nic więc dziwnego, że czasami ulegali pokusie pożartowania sobie nawet w trudnych sytuacjach.

Wszyscy chyba pamiętają historię o słynnej przemyconej kanapce, choć ten akurat żart mógł mieć poważne konsekwencje, bo okruszki mogły znacząco zaszkodzić misji. Z kolei w każdym zapisie misji (na przykład Apollo 11) można znaleźć sporo wesołych momentów, żartów, wygłupów, które na pewno pomagały poradzić sobie ze świadomością przebywania naprawdę daleko od domu. W rozweselaniu kolegów (kiedy jeszcze w kosmos nie latały kobiety) celował Pete Conrad:

Pete Conrad. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Jako trzecia osoba, która postawiła stopę na Księżycu, Conrad udowodnił, że jest odważny, kompetentny i nadaje się doskonale na astronautę, ale to nie przeszkodziło mu w żartach w stylu wymyślanie tajnego kodu do nadawania świńskich dowcipów przez radio, wygłupiania się podczas testów psychologicznych czy dostarczania próbek kału w ozdobnych opakowaniach. Koledzy nie pozostawali dłużni: kiedy członkowie misji Apollo 12 zajrzeli do instrukcji już po dotarciu na Księżyc, ze zdziwieniem odkryli, że w środku znajdują się zdjęcia z czasopism dla dorosłych.

Ale które dowcipy zapamiętamy najlepiej?

Tim Peake na pewno na długo zapamięta… goryla, który wyłonił się z ładunku. Scott Kelly przemycił na pokład ISS przebranie, które zrobiło furorę.

W 2010 roku astronauci 1 kwietnia wyszli sobie z ISS na spacer… bez skafandrów, co zarejestrował oficjalny stream.

Źródło: NASA TV. Domena publiczna.

Moim jednak ulubionym dowcipem był prank z… 1973 roku, kiedy na pokładzie Skylaba „pojawiła się” znienacka Helen Garriott, żona astronauty, która ucięła sobie pogawędkę z kontrolą lotów.

Garriott zaplanował żart z Bobem Crippenem z kontroli lotów: przed misją Helen nagrała na taśmie, z odpowiednimi przerwami, swoje kwestie, a Crippen dzięki temu mógł zadawać jej pytania na żywo – pracownicy widzieli, że damski głos zdecydowanie pochodzi ze Skylaba! Helen opowiedziała o tym, że poleciała sobie z chłopakami, gotuje obiady, sprząta i podziwia Ziemię z wysoka, a na koniec szybko urwała rozmowę, informując, że nie powinna była dotykać interkomu i będzie miała kłopoty.

Owen opisał kulisy żartu dopiero po 23 latach:

Jakie macie plany na 1 kwietnia?