Internet nello spazio: c’è rete su Marte?

16 Set 2019

Al giorno d’oggi, Internet ha raggiunto quasi tutti gli angoli del nostro pianeta, e ormai non riguarda solo la sua superficie. Avere Internet a bordo di un aereo non è niente di nuovo e perfino la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è provvista di connessione a Internet. Le agenzie spaziali internazionali stanno lavorando per portare Internet anche sugli altri pianeti del sistema solare. Internet nello spazio non è solo una questione di lavoro, ma aiuta anche le persone lontane dalla Terra a restare in contatto con i loro cari. In questo post vi parliamo di come funziona adesso e di come evolverà.

 Internet sulla Stazione Spaziale Internazionale

La squadra della ISS ha avuto accesso a Internet per la prima volta nel 2010. L’acceso al servizio è stato fornito dalla NASA. Gli astronauti usano un collegamento satellitare per connetteresti da remoto a un computer situato a Houston. Questo è un modo più sicuro: anche se un link dannoso viene aperto da un membro della stazione spaziale, solo il computer che si trova sulla Terra verrà compromesso.

L’astronauta della NASA T.J. Creamer ha inaugurato l’arrivo di Internet sulla Stazione Spaziale Internazionale pubblicando il primo tweet dallo spazio:

Internet spaziale russo

Sembra che la ISS avrà presto più di un provider Internet: anche la Russia prevede di collegare il suo segmento della stazione molto presto. Questa operazione sarà realizzata utilizzando una rete di satelliti relay Luch, attualmente in fase di aggiornamento.

L’anno scorso, i cosmonauti Alexander Misurkin e Anton Shkaplerov hanno effettuato un aggiornamento dell’antenna della ISS in modo da poter ricevere un gran numero di dati satellitari, stabilendo al tempo stesso un record russo per la durata del lavoro extraveicolare di 8 ore e 12 minuti.

Secondo Sergey Krikalev, cosmonauta e portavoce di Roscosmosmos, la nuova apparecchiatura è già stata testata, per cui la Stazione Spaziale Internazionale sarà presto online attraverso i satelliti Luch.

Le difficoltà del satellite

Naturalmente, la rete Internet di cui sono dotati sulla ISS non è così veloce come quella di casa. Le comunicazioni via satellite presentano vantaggi rispetto alle tecnologie cablate, come ad esempio la disponibilità in luoghi dove i cavi non possono essere utilizzati, ma implicano anche delle sfide.

 Buon ping, velocità bassa

Anche se la Stazione Spaziale Internazionale è in orbita ad un’altitudine di circa 400 km (circa 250 miglia), i dati coprono una distanza molto più lunga per raggiungere la Terra. In primo luogo, la ISS invia il segnale ad un satellite che vola fino a 35.786 km (22 mila miglia) dal suolo. Solo da lì può scendere verso una stazione di comunicazione spaziale a terra.

Quindi, la distanza totale coperta dai dati a bordo della ISS e il segnale di risposta ad essa inviato è di poco meno di 150 mila km, o quasi 100 mila miglia. Questo processo richiede del tempo. Secondo un dipendente della NASA, lo scambio di dati con la stazione ha una latenza di trasmissione di circa mezzo secondo, circa 20 volte superiore rispetto alla connessione via cavo.

Inoltre, gli astronauti hanno bisogno di avere a disposizione un collegamento satellitare non solo per Internet, ma anche per la trasmissione di molti dati scientifici e contenuti video al centro di controllo della missione (che i loro colleghi sulla Terra trasmettono su Internet per permettere agli utenti di seguire la vita a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e la vista che si ammira da lì). Lo stesso collegamento satellitare consente ai membri della stazione di realizzare conferenze audio e video con la Terra.

Quindi, solo una piccola parte della larghezza di banda può essere utilizzata per i tweet e la navigazione. Inoltre, sebbene il downlink del satellite sia di 300 mbps, l’uplink è limitato a 25 mbps. In termini di velocità, la connessione disponibile nella ISS è paragonabile a quella dei modem antichi.

Inoltre, la stazione lascia la zona di copertura satellitare a intervalli regolari. Per ogni 1,5 ore che impiega la ISS a girare attorno alla Terra, può non avere alcuna copertura anche fino a 15 minuti.

Carburante limitato

I satelliti mantengono un contatto continuo con la Terra, girando esattamente alla stessa velocità con cui ruota il nostro pianeta per rimanere sempre sullo stesso punto. Eppure, l’orbita deve essere regolata di tanto in tanto, altrimenti i satelliti rischiano di uscir fuori dall’orbita e diventare irraggiungibili. Le manovre vengono eseguite con il propulsore, ma i satelliti non sono automobili o aerei, non possono semplicemente tornare sulla Terra per fare rifornimento.

Per risolvere questo problema, le aziende di tutto il mondo sono alla ricerca di modi per rifornire i satelliti direttamente nello spazio. Sistemi che mirano a portare il carburante in orbita sono in fase di test nel segmento statunitense della ISS, da parte della canadese MDA Corporation e della British-Israeli Effective Space Solutions; e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha sviluppato un motore che può utilizzare le molecole d’aria degli strati superiori dell’atmosfera terrestre come combustibile.

Carenza di energia elettrica

Il problema del propellente può essere risolto in parte con l’elettricità, che può ridurre il consumo di carburante ed è rinnovabile attraverso i pannelli solari. L’elettricità è necessaria anche per comunicare con la Terra e con altri veicoli spaziali, ma i satelliti non ricevono la luce solare buona parte del tempo per colpa della Terra, quindi funzionano con batterie che hanno una capacità limitata.

Gli scienziati russi hanno proposto una soluzione che coinvolge diverse decine di robot in orbita che ricaricano i satelliti a corto di energia. I robot ricaveranno elettricità sia dall’emissione solare che dalle trasmissioni radio dalla Terra. La tecnologia può prolungare la vita dei veicoli spaziali di 1,5 volte, ma anche renderli più leggeri scaricando le batterie e i pannelli solari in eccesso.

Il surriscaldamento

I ripetitori spaziali o i satelliti relay che lavorano sempre a piena capacità, riscontrano il problema del surriscaldamento. Poiché lo spazio in orbita è privo di aria, i ventilatori utilizzati per raffreddare i computer a terra sarebbero inutili. Quindi, anche se nello spazio fa molto più freddo che sulla superficie del pianeta, la dissipazione del calore è in realtà un problema molto più impegnativo.

I veicoli spaziali utilizzano radiatori di grandi dimensioni, unità che trasformano il calore in emissioni irradiate, per evitare il surriscaldamento. Più potente è il satellite, più grande è il radiatore necessario per il raffreddamento. Così, per fornire raffreddamento ai satelliti di comunicazione di nuova generazione da 25 kW, i ricercatori hanno creato un radiatore di grandi dimensioni (4 × 1 m.).

I raggi cosmici

Un altro problema sono i raggi cosmici, che ostacolano tutto ciò che è elettronico. Qui a terra, la protezione proviene dal campo magnetico e dall’atmosfera del pianeta. Ma tale protezione non esiste in orbita, per cui i componenti elettronici utilizzati nei veicoli spaziali sono costruiti per resistere alle radiazioni, anche se le radiazioni continuano ad essere un problema chiave per i satelliti.

Secondo il cosmonauta Pavel Vinogradov, sulla Stazione Satellitare Internazionale i computer portatili vanno fuori uso molto rapidamente, nonostante i moduli siano protetti abbastanza bene. Anche le telecamere ne risentono: le immagini vengono rapidamente cosparse di pixel non attivi. Inoltre, le radiazioni interferiscono gravemente con i segnali trasmessi dai satelliti e possono danneggiare singoli segmenti di memoria nei dispositivi di bordo.

Radiazione VS cifratura

Le radiazioni sono una delle ragioni per cui le informazioni tra la Terra e molti veicoli spaziali vengono scambiate senza cifratura. Se le radiazioni danneggiano l’area di immagazzinamento utilizzata per la chiave di cifratura, la comunicazione sarà interrotta.

Il problema non è così grave per i satelliti di trasmissione attraverso i quali si connette l’equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale, essi sono più o meno protetti. Questo, tuttavia, non è il caso della maggior parte delle altre navicelle nell’orbita terrestre.

La mancanza di cifratura è un tasto dolente, perché i satelliti proprio come i computer di terra, sono potenziali obiettivi di attacco. L’Agenzia Spaziale Europea ha recentemente avviato un esperimento per porre rimedio a questa situazione. I ricercatori stanno sperimentando due approcci per mantenere una solida comunicazione cifrata con i satelliti a un costo ragionevole.

  1. Una chiave secondaria di riserva collegata all’hardware. In caso di compromissione della chiave principale, il sistema ne genererà una nuova basata sulla chiave secondaria. Tuttavia, può essere creato solo un numero limitato di chiavi;
  2. Un certo numero di nuclei di microprocessore identici. Se un nucleo va fuori uso, un altro può intervenire in qualsiasi momento mentre il nucleo difettoso ripristina la sua configurazione, e si ripara da solo.

Il dispositivo per testare questi metodi è stato inviato alla Stazione Spaziale Internazionale nell’aprile 2019, e si prevede che funzionerà ininterrottamente per almeno un anno. Si basa su un minicomputer standard Raspberry Pi Zero, che lo rende una soluzione relativamente economica.

Tuttavia, non ci si può aspettare che la comunicazione con i satelliti diventi sicura negli anni a venire; non c’è un modo semplice per aggiornare i sistemi già lanciati nello spazio.

Internet marziano

Mentre alcuni ricercatori sono impegnati a migliorare la protezione satellitare e la larghezza di banda, altri stanno pensando di creare un Internet interplanetario. Per molti aspetti, i problemi da risolvere sono simili a quelli affrontati dall’equipaggio della ISS, anche se su una scala completamente diversa.

Ad esempio, ci vogliono dai 3 ai 22 minuti affinché il segnale raggiunga Marte, a seconda della posizione del pianeta rosso rispetto alla Terra, niente a che vedere con il ritardo di mezzo secondo sulla ISS. Inoltre, la comunicazione diretta tra Marte e la Terra verrebbe interrotta per due settimane ogni due anni, quando il Sole è posizionato tra i due pianeti e blocca i segnali.

Internet nello spazio ha anche alcune caratteristiche uniche, tutti i nodi della rete sono in costante movimento. Dato che le tecnologie Internet terrestri sono inutili in tali condizioni, gli scienziati sviluppano soluzioni alternative per consentire la comunicazione tra la Terra, la Luna, Marte e gli altri pianeti. Esse possono contare su:

  1. Protocolli di trasferimento dati, come la soluzione di trasferimento dati DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) della NASA, creato per far fronte a lunghi ritardi, tassi di errore abbastanza elevati e frequente inaccessibilità dei nodi. Secondo questo modello, i nodi intermedi (ad esempio, i satelliti) memorizzano i dati fino a quando non sono in grado di trasmetterli a quelli successivi;
  2. Abbandonare le attuali comunicazioni radio satellitari a favore delle tecnologie ottiche (laser ad esempio) di trasferimento dati. In primo luogo, le comunicazioni ottiche offrono una larghezza di banda molto superiore. In secondo luogo, i trasmettitori e ricevitori ottici sono più compatti e richiedono meno potenza, risorse critiche su qualsiasi satellite relay;
  3. Disposizioni satellitari in grado di trasmettere il segnale intorno al Sole, anche se la Terra e Marte (o altri pianeti sulla rete spaziale) si trovano sui lati opposti della stella.

Il futuro è più vicino di quanto sembri

Come potete vedere, i social network o persino le videoconferenze con i residenti di Marte o della Luna non sono più fantascienza come un tempo. Naturalmente, l’umanità ha ancora molta strada da fare per portare Internet nello spazio più profondo, ma i primi passi sono già stati fatti.