Internet in de ruimte: Is er internet op Mars?

Het internet heeft inmiddels praktisch alle hoeken van de aarde bereikt — en niet alleen het oppervlak daarvan. Online zijn aan boord van een vliegtuig is inmiddels alweer oude koek, en zelfs het internationale ruimtestation heeft verbinding met het internet. Ruimteverkenningsorganisaties zijn klaar om verder te gaan en andere planeten in ons zonnestelsel te verbinden. Het ruimte-web draait ook niet alleen om werk; het helpt mensen die zich ver van Moeder Aarde af bevinden om contact te houden met hun thuis. Deze post vertelt u hoe dit nu werkt en hoe dit zich verder zal gaan ontwikkelen.

WWW op het ISS

De crew van het internationale ruimtestation kreeg voor de eerste keer toegang tot het web in 2010. Deze toegangsdienst werd door NASA aangeboden. De astronauten maakten gebruik van een satellietlink om verbinding te maken met een computer in Houston in remote desktop-modus, en raakten daarvandaan online. Op die manier is het veiliger: zelfs als er een schadelijke link of bestand wordt geopend door een bemanningslid van het ISS, brengt dat alleen de computer op aarde in gevaar.

NASA-astronaut T.J. Creamer eerde de komst van het web op het ISS door de eerste tweet ooit vanuit te ruimte te publiceren:

Hello Twitterverse! We r now LIVE tweeting from the International Space Station — the 1st live tweet from Space! 🙂 More soon, send your ?s

— TJ Creamer (@Astro_TJ) January 22, 2010

Russisch ruimte-internet

Het lijkt erop dat het ISS binnenkort meer dan één internetprovider zal hebben: Rusland is ook van plan om een segment van het station binnenkort verbonden te krijgen. Deze taak wordt geïmplementeerd door het gebruik van een netwerk van de Luch-communicatiesatelliet, die momenteel een upgrade ondergaat.

Vorige jaar voerden kosmonauten Aleksandr Misoerkin en Anton Sjkaplerov een upgrade door aan de ISS-antenne zodat deze grote volumes aan satellietgegevens kon ontvangen, en hij vestigde zo tegelijkertijd een Russisch record voor buitenboords werk gedurende 8 uur en 12 minuten.

Volgens Sergej Krikaljov, kosmonaut en Roscosmos woordvoerder, is de nieuwe uitrusting al getest, dus het ISS zal spoedig online gaan dankzij Luch-satellieten.

Satelliet-haperingen

Natuurlijk is het internet op het ISS lang niet zo snel en zonder vertragingen als wat u thuis hebt. Satellietcommunicatie biedt voordelen ten opzichte van onze bedrade technologieën — zoals de beschikbaarheid op plekken waar geen kabels kunnen worden gebruikt, uiteraard — maar er zijn ook uitdagingen.

 Hoge ping, lage snelheid

Hoewel het ISS ronddraait op een hoogte van zo’n 400 km, overbrugt de data een veel langere afstand om de aarde te bereiken. Eerst stuurt het ISS het signaal naar boven, naar een communicatiesatelliet die op een hoogte van 35.786 km boven de grond vliegt. En daarvandaan kan het weer naar beneden reizen naar een ruimtecommunicatiestation op de grond.

Dus de totale afstand die de data aflegt van aan boord het ISS en het responssignaal dat wordt teruggestuurd is net iets minder dan 150.000 kilometer. Dat duurt even. Volgens een NASA-werknemer heeft gegevensuitwisseling met het ISS een transmissievertraging van ongeveer een halve seconde — wat circa 20 keer zo veel is als die van de gemiddelde kabelverbinding.

Daar komt bij dat de astronauten de satellietlink voor meer zaken moeten gebruiken dan alleen internet. Deze verbinding wordt ook gebruikt om veel wetenschappelijke gegevens en videocontent (die hun collega’s op de grond naar het internet verzenden zodat gebruikers het leven aan boord van het ISS en de uitzichten kunnen volgen) naar het missiecontrolecentrum te streamen. Dezelfde satellietverbinding maakt audio- en videoconferenties met de aarde mogelijk voor ISS-bewoners.

Het gevolg is dat er slechts een fractie van de bandbreedte kan worden gebruikt voor tweets en op het internet surfen. En hoewel de downlink van de satelliet zo breed is als 300 Mbps, is de uplink beperkt tot 25 Mbps. Wat betreft snelheid, is de beschikbare verbinding van het ISS te vergelijken met die van stokoude modems.

Ook moet rekening gehouden worden met het feit dat het station het gebied met bereik van de satelliet met tussenpozen verlaat. Voor elke 1,5 uur die het het ISS kost om rond de aarde te cirkelen, kan het tot wel 15 minuten lang geen enkel bereik hebben.

Beperkte brandstof

Satellieten staan continue in contact met de aarde, en draaien precies even snel als dat onze planeet zelf draait, om te allen tijde boven dezelfde plek te hangen. De baan moet af en toe wel worden aangepast, anders bestaat het risico dat de satellieten eruit vallen en onbereikbaar worden. Deze manoeuvres worden verricht met gebruik van drijfgas. Maar satellieten zijn geen auto’s of vliegtuigen, en kunnen dus niet simpelweg terug naar de aarde vliegen voor extra brandstof.

Om dit probleem op te lossen, zoeken bedrijven over de hele wereld naar manieren om satellieten rechtstreeks in de ruimte van extra brandstof te voorzien. Systemen die als doel hebben om dit drijfgas de ruimte in te krijgen worden getest in het Amerikaanse segment van het ISS; door de Canadese MDA Corporation, en het Brits-Israëlische Effective Space Solutions. En de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) heeft een motor ontwikkeld die luchtmoleculen van de bovenste laag van de atmosfeer van de aarde kan gebruiken voor brandstof.

Stroomtekort

Het drijfgasprobleem kan deels worden opgelost door elektriciteit te gebruiken, wat het brandstofverbruik kan verminderen en hernieuwbaar is via zonnepanelen. Elektriciteit is ook nodig om met de aarde en andere ruimtevaartuigen te communiceren. Maar satellieten worden soms door onze planeet afgeschermd van de zon, dus werken ze op batterijen, en die hebben een beperkte capaciteit.

Russische wetenschappers hebben een oplossing voorgesteld met gebruik van tientallen rondcirkelende robots die de satellieten die geen stroom meer hebben opnieuw opladen. De robots halen de elektriciteit uit zowel zonne-emissie en radio-transmissies van de aarde. Deze technologie kan de levensduur van een ruimtevaartuig 1,5 keer uitbreiden, terwijl het er ook voor zorgt dat ze lichter worden door overtollige batterijen en zonnepanelen te dumpen.

Oververhitting

Voor ruimte-repeaters of communicatiesatellieten, die constant op volle kracht werken, bestaat ook het probleem van oververhitting. Omdat er in deze baan in de ruimte geen lucht is, zijn ventilators die op aarde worden gebruikt om computers af te koelen hier nutteloos. Dus hoewel het in de ruimte veel koeler is dan op het oppervlak van de aarde, is warmteafvoer hier toch een veel grotere uitdaging.

Ruimtevaartuigen gebruiken grote radiators — eenheden die hitte in uitgestraalde emissie omzetten — om oververhitting te voorkomen. Hoe krachtiger de satelliet, hoe groter de radiator die nodig is voor afkoeling. Dus om verkoeling te bieden voor de nieuwe 25 kW communicatiesatellieten, creëerden onderzoekers een radiator — een grote, van 4 × 1 m.

Kosmische stralen

Een ander probleem zijn de komische stralen, die alles wat elektronisch is verstoren. Hier op de grond is er bescherming door het magnetische veld van de atmosfeer van de planeet. Maar dit soort bescherming bestaat niet in de ruimte, dus de elektronische componenten die in ruimtevaartuigen worden gebruikt, worden gebouwd om bestand te zijn tegen deze straling — maar de straling blijft echter een groot probleem vormen voor satellieten.

Volgens kosmonaut Pavel Vinogradov houden laptops erg snel op met werken op het ISS, hoewel de ISS-modules vrij goed beschermd zijn. Camera’s lijden hier ook onder: beelden worden al snel bezaaid met dode pixels. Daar komt bij dat de straling ernstige storing veroorzaakt bij signalen die worden verzonden door satellieten en dit kan individuele segmenten van het geheugen van apparaten die zich aan boord bevinden beschadigen.

Straling versus cryptografie

Straling is een van de redenen dat informatie tussen de aarde en vele ruimtevaartuigen zonder encryptie uitgewisseld wordt. Als de straling de opslagruimte beschadigt die wordt gebruikt voor de encryptiesleutel, wordt de communicatie verstoord.

Het probleem is niet zo acuut voor de communicatiesatellieten via welke de ISS-bemanning online komt, aangezien die min of meer beschermd zijn. Dat is echter niet het geval bij de meeste andere ruimtevaartuigen in de baan om de aarde.

Een gebrek aan encryptie is een pijnlijk onderwerp, want satellieten vormen net als computers aan de grond potentiële doelwitten voor een aanval. De Europese Ruimtevaartorganisatie lanceerde onlangs een experiment dat bedoeld was om deze situatie op te lossen. Onderzoekers testen twee aanpakken om robuuste versleutelde communicatie te gebruiken bij satellieten, en dat tegen een redelijke prijs.

1. Een tweede reserve-basissleutel die aangesloten is op de hardware. Als de hoofdsleutel in gevaar komt, genereert het systeem een nieuwe die is gebaseerd op de reservesleutel. Er kan echter maar een beperkt aantal van dit soort sleutels worden gecreëerd.
2. Een aantal identieke microprocessor-kernen. Als één kern faalt, kan een andere het op elk moment overnemen terwijl de defecte kern zijn configuratie herlaadt en zich zo herstelt.

Het apparaat om deze methodes te testen werd in april 2019 naar het ISS gevlogen, en naar verwachting zal het gedurende minstens een jaar continue gebruikt worden. Het is gebaseerd op een standaard Raspberry Pi Zero-minicomputer, wat het tot een relatief goedkope oplossing maakt.

Er kan echter niet verwacht worden dat de communicatie met satellieten in de komende jaren veilig wordt, want er is geen eenvoudige manier om de systemen die al de ruimte in gelanceerd zijn te upgraden.

Martiaans internet

Terwijl sommige onderzoekers al druk bezig zijn met het verbeteren van de bescherming en bandbreedte van satellieten, denken anderen al aan een interplanetair internet. De problemen hiervoor zijn in veel opzichten vergelijkbaar met die van de ISS-bemanning, maar dan op een totaal andere schaal.

Het duurt bijvoorbeeld 3 tot 22 minuten voor een signaal Mars bereikt, afhankelijk van de positie van de rode planeet ten opzichte van de aarde. Dat komt nog niet eens in de buurt van de vertraging van een halve seconde op het ISS. Daar komt bij dat directe communicatie tussen Mars en de aarde elke twee jaar gedurende twee weken wordt onderbroken, als de zon tussen de twee planeten in staat en de signalen blokkeert.

Ruimte-internet heeft ook een aantal unieke kenmerken. Alle knooppunten van het netwerk zijn constant in beweging. Omdat de internettechnologieën op aarde waardeloos zijn in zulke omstandigheden, ontwikkelen wetenschappers alternatieve manieren om communicatie tussen de aarde, haar maan, Mars en andere planeten mogelijk te maken. Die kunnen gebaseerd zijn op:

1. Data-overdachtsprotocollen, zoals het data-overdrachtssysteem van NASA, Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), dat gemaakt is om om te gaan met lange vertragingen, substantieel hoge foutenmarges en regelmatige ontoegankelijkheid van knooppunten. Volgens dit model slaan intermediaire knooppunten (bijv. satellieten) data op tot ze in staat zijn om deze over te dragen naar de volgende.
2. Zo wordt de huidige radio-gebaseerde satellietcommunicatie verlaten ten gunste van optische (bijv. laser) data-overdrachtstechnologieën. Ten eerste biedt optische communicatie veel meer bandbreedte, en ten tweede zijn de optische zenders en ontvangers veel compacter en vereisen ze minder stroom, wat op elke communicatiesatelliet een kritiek voordeel is.
3. Satellieten kunnen zo een signaal uitzenden om de zon heen, zelfs als de aarde en Mars (of andere planeten op het ruimte-internet) aan weerszijden van de ster staan.

De toekomst is dichterbij dan het lijkt

Zoals u ziet is het gebruik van sociale netwerken of zelfs videoconferenties met de bewoners van Mars of de maan niet even fantastisch als het leek. Natuurlijk heeft de mensheid nog een lange weg te gaan om het internet naar de diepe ruimte te brengen, maar de eerste stappen zijn gezet.