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Come funziona Internet nello spazio?
5 Aprile 2022
10 minuti di lettura
“Salve Twitterverso!”
Con questo saluto aveva inizio il tweet condiviso da Timothy John Creamer, astronauta a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Era il 22 gennaio 2010 e non si trattava solamente del primo post condiviso dallo spazio in autonomia: era la prima volta che un astronauta in orbita si connetteva al web.
Perché Twitter veniva usato durante le missioni interplanetarie anche prima del 2010, ma a condividere i post erano soggetti terzi che dalla Terra comunicavano a nome degli astronauti; oggi, invece, la connessione ad Internet è disponibile anche all’interno della Stazione Spaziale Internazionale, in orbita a ben 400 chilometri da noi. E se può sembrare quasi incredibile immaginare che la rete riesca ad arrivare così lontano, pensate che i ricercatori comunicano con i rover lanciati su Marte dal 1997: e il pianeta rosso dista oltre 200 milioni di chilometri!
Vediamo allora come funzionano le telecomunicazioni nello spazio e quali tecnologie vengono applicate.
Lo Space Network della NASA
La prima crew a vivere all’interno della Stazione Spaziale Internazionale iniziò la sua missione in orbita il 2 novembre 2000.
Sin da allora è stato dunque fondamentale garantire un’adeguata struttura comunicativa tra gli astronauti e il team terrestre di supporto. Per rendere questo possibile, agli inizi degli anni Ottanta la NASA ha realizzato uno Space Network, una rete spaziale composta da satelliti in orbita e antenne sulla Terra, oggi gestita operativamente dal Goddard Space Flight Center del Maryland (USA) e funzionante 24 ore al giorno per 365 giorni l’anno.
Il sistema di costellazione satellitare che compone lo Space Network è denominato TDRS, ossia Tracking and Data Relay Satellites (Satelliti di Tracciamento e Trasmissione Dati), e opera nello spazio allo stesso modo dei nostri ripetitori telefonici. I satelliti sono situati a oltre 35.000 km dalla Terra e all’interno di un’orbita geosincrona, ovvero un’orbita caratterizzata da un periodo orbitale perfettamente combaciante con il tempo di rotazione terrestre. In questo modo, i satelliti si troveranno sempre nello stesso punto e la Stazione Spaziale Internazionale rimarrà in contatto con loro ovunque essa si trovi.
Cosa succede, quindi, quando un astronauta vuole inviare una comunicazione alla Terra?
Innanzitutto, il computer di bordo converte il dato in un segnalo radio. L’antenna posta sulla Stazione trasmetterà poi il segnale a un satellite TDRS, il quale lo indirizzerà al White Sands Complex, una struttura NASA situata in New Mexico (USA) e composta da antenne a banda Ku ampie dai 10 ai 19 metri. Quando il complesso non risulta visibile, il segnale viene inviato al Guam Remote Ground Terminal, nell’Oceano Pacifico, controllato da remoto dal New Mexico. Una linea fissa trasmetterà infine il segnale dal White Sands Complex ai computer dello Johnson Space Center di Houston, Texas (USA), dove verrà riconvertito in dati leggibili. Tutto questo accade nel giro di pochi millesimi di secondo e non viene avvertito nessun ritardo nella comunicazione.
Ma come si comunicava quando lo Space Network non esisteva ancora?
Prima degli anni Ottanta, gli astronauti e i veicoli spaziali potevano comunicare con la Terra solamente quando risultavano visibili ad una delle antenne terrestri e questo comportava un tempo massimo di comunicazione inferiore a 15 minuti ogni ora e mezza.
La costruzione dello Space Network e il graduale progresso delle telecomunicazioni ha poi consentito la straordinaria possibilità agli astronauti di accedere anche al World Wide Web direttamente dallo spazio, grazie ad uno speciale upgrade del software. Questo tipo di accesso è stato denominato Crew Support LAN e sfrutta proprio le linee di telecomunicazione già esistenti. La sua implementazione è stata ideata a fini soprattutto personali, per migliorare la qualità di vita degli astronauti a bordo e limitarne il senso di isolamento causato dal tipo di ambiente inevitabilmente chiuso e ristretto.
Seppur l’accesso al web sia limitato principalmente alla mail, alle news e a Twitter, gli astronauti hanno a disposizione sia computer portatili che tablet, da utilizzare anche per videochiamate con la Terra. Per navigare, le crew utilizzano un desktop remoto collegato ai computer di Houston, in modo tale che eventuali problematiche, quali malware o simili, non influenzino direttamente i dispositivi di bordo.
Notevole è anche la larghezza di banda di cui sono forniti, la quale si aggira attorno ai 300 Mbps. Tuttavia, a causa della distanza che il segnale deve percorrere per raggiungere i satelliti, la velocità di connessione non è altrettanto prestante: prima di ricadere sulle antenne terrestri, il segnale deve essere lanciato verso l’alto e percorrere migliaia di chilometri. Nonostante tutto, gli astronauti sono comunque in grado di inviare quotidianamente numerosi giga di video e di guardare alcuni programmi TV in tempo reale.
Dalla Terra a Marte: lo Space Network diventa Deep
Marte è il quarto pianeta del Sistema Solare più vicino al Sole, subito dopo la Terra. Le sue dimensioni sono circa la metà di quelle terrestri e, vista la sua lontananza dal Sole, un anno su Marte dura ben 687 giorni.
Ma quanto è distante da noi? Questo, naturalmente, varia a seconda del punto in cui i due pianeti si trovano nel corso della loro orbita e può dunque mutare da un minimo di circa 55 milioni di chilometri ad un massimo di circa 400 milioni. Ad oggi è stabilito che la distanza attuale tra la Terra e Marte corrisponde a circa 215 milioni di chilometri.
Sebbene la lontananza sia dunque esponenzialmente superiore a quella che ci divide dalla Stazione Spaziale Internazionale, il funzionamento delle telecomunicazioni rimane pressoché il medesimo.
Fino ad ora, sono 5 i rover della NASA che hanno sondato la superficie del celebre pianeta rosso: Sojourner (1997), Spirit e Opportunity (2004), Curiosity (2012) e il recente Perseverance, lanciato il 30 luglio 2020 e giunto a destinazione il 18 febbraio 2021, trasportando sulla sua pancia anche il piccolo elicottero Ingenuity. Attualmente, solo Curiosity e Perseverance sono ancora attivi.
Similmente a quanto avviene per i collegamenti con l’orbita terrestre bassa (dai 300 ai 1000 km), al fine di comunicare con lo spazio più profondo è stato dunque sviluppato un network apposito, una rete internazionale di radiotelescopi denominata per l’appunto Deep Space Network (Rete Spaziale Profonda). Nel caso specifico di Marte, il sistema di comunicazione da e verso la Terra è composto dal Mars Relay Network (Rete di Trasmissione Marziana), satelliti orbitanti attorno al pianeta, e dal Deep Space Network; entrambe le reti sono coordinate e operate dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, un centro di ricerca e sviluppo gestito dal California Institute of Technology che si occupa principalmente della costruzione di sonde spaziali.
Il Mars Relay Network è in realtà un sistema internazionale, in quanto composto da tutti i satelliti orbitali che circondano Marte: sia quelli NASA, ossia Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Odyssey e Mars MAVEN, sia quelli inviati dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ovvero ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) e Mars Express. Tale cooperazione risulta fondamentale soprattutto per la gestione dell’enorme quantità di dati che arrivano continuamente da Perseverance.
I dati e le immagini raccolte dai rover sono gestite sempre dal Jet Propulsion Laboratory: nonostante alcuni comandi e alcune misurazioni possano essere spedite direttamente da o alla Terra, non può accadere lo stesso per la grande mole di informazioni ricevuta regolarmente, la quale impiegherebbe troppo a lungo per essere inviata.
Come accade per la Stazione Spaziale Internazionale, questi dati vengono dunque prima spediti ai satelliti orbitali del Mars Relay Network, con cui i rover comunicano tipicamente dalle 4 alle 6 volte al giorno, e da questi viaggeranno per milioni di chilometri fino a raggiungere le enormi antenne del Deep Space Network, disposte in vari punti del nostro pianeta.
Attraverso il servizio Nasa’s Eyes (gli Occhi della NASA), reso disponibile dall’agenzia spaziale statunitense a questo link, è inoltre possibile visualizzare in tempo reale quali satelliti orbitali di Marte stiano trasmettendo dati.
Anche il DSN è gestito dal Jet Propulsory Laboratory ed è composto da tre complessi di telecomunicazioni, ossia:
- Il Goldstone Deep Space Communications Complex nel deserto del Mojave, in California (USA);
- Il Madrid Deep Space Communication Complex, in Spagna.
- Il Canberra Deep Space Communications Complex, in Australia.
Le tre strutture sono posizionate nel mondo a circa 120 gradi l’una dall’altra, come nell’immagine sottostante:
Questa peculiare distribuzione geografica permette di seguire costantemente le sonde interplanetarie a prescindere dalla rotazione terrestre, mentre la loro ubicazione fisica, all’interno di zone semi-montuose dove il terreno forma una concavità naturale, ha lo scopo di ridurre la possibilità di interferenze.
Tutte loro posseggono non meno di tre antenne, generalmente di diametro di 34 metri e di cui almeno una ampia 70 metri.
Le antenne utilizzano per lo più una banda Ultra High Frequency (UHF, Frequenza Ultra Alta) a circa 400 megahertz, ma l’enorme lontananza non permette ancora una comunicazione immediata: il segnale radio viaggia alla velocità della luce e può impiegare dai 5 ai 22 minuti per percorrere la distanza tra la Terra e Marte. I “piloti” dei rover non sono dunque in grado di vedere in tempo reale cosa stia accadendo e non potrebbero inviare comandi istantanei per impedire eventuali incidenti o collisioni con delle rocce.
Un dettaglio aggiuntivo per i più nerd: dal 1982 è attivo il Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS, Comitato Consultivo per i Sistemi di Dati Spaziali), un’organizzazione fondata dalle principali agenzie spaziali governative per lo sviluppo di standard sui dati e sui framework di sistemi informativi in diverse aree, tra cui i protocolli e le note di rete per la comunicazione nello spazio. Per il trasferimento di file interplanetari, ad esempio tra la Terra e veicoli in orbita, è dunque oggi attivo un protocollo interamente dedicato, il CCDS File Delivery Protocol, definito dagli standard CCSDS 727.0-B-4 e 727.0-B-5, e anche disponibile in standard ISO 17355:2007.
Ciò che è certo è che l’evoluzione delle space communications è sempre più straordinaria.
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