گہری خلا میں کال کریں: ناسا بین سیاروں کے مواصلات کو کیسے تیز کر رہا ہے۔

"ریڈیو فریکوئنسی ٹیکنالوجی میں بہتری کی عملی طور پر کوئی گنجائش نہیں ہے۔ آسان حل ختم"

26 نومبر 2018 کو ماسکو کے وقت کے مطابق 22:53 پر، NASA نے دوبارہ ایسا کیا - InSight پروب فضا میں داخل ہونے، نزول اور لینڈنگ کی چالوں کے بعد کامیابی سے مریخ کی سطح پر اتری، جسے بعد میں "ساڑھے چھ منٹ کی ہولناکی" کے طور پر بپتسمہ دیا گیا۔ " ایک مناسب تفصیل، چونکہ ناسا کے انجینئر فوری طور پر یہ نہیں جان سکے کہ آیا زمین اور مریخ کے درمیان تقریباً 8,1 منٹ کی کمیونیکیشن کی تاخیر کی وجہ سے خلائی تحقیقات سیارے کی سطح پر کامیابی کے ساتھ اتری ہے۔ اس ونڈو کے دوران، InSight اپنے زیادہ جدید اور طاقتور اینٹینا پر بھروسہ نہیں کر سکتی تھی - ہر چیز پرانے زمانے کی UHF کمیونیکیشنز پر منحصر تھی (ایک طریقہ جو طویل عرصے سے براڈکاسٹ ٹیلی ویژن اور واکی ٹاکیز سے لے کر بلوٹو ڈیوائسز تک ہر چیز میں استعمال ہوتا ہے)۔

نتیجے کے طور پر، انسائٹ کی حیثیت سے متعلق اہم ڈیٹا ریڈیو لہروں پر 401,586 میگا ہرٹز کی فریکوئنسی کے ساتھ دو سیٹلائٹس کو منتقل کیا گیا۔کیوب سیٹWALL-E اور EVE، جس نے پھر 8 Kbps پر ڈیٹا کو زمین پر واقع 70-میٹر اینٹینا میں منتقل کیا۔ کیوب سیٹس کو انسائٹ کے طور پر اسی راکٹ پر لانچ کیا گیا تھا، اور وہ اس کے ساتھ مریخ کے سفر میں لینڈنگ کا مشاہدہ کرنے اور فوری طور پر گھر واپس ڈیٹا منتقل کرنے کے لیے گئے تھے۔ دیگر مریخ کے مدار، جیسے مریخ کا جاسوسی سیٹلائٹ (MRS)، ایک عجیب حالت میں تھے اور اصل وقت میں لینڈر کے ساتھ پہلے پیغامات کا تبادلہ نہیں کر سکتے تھے۔ یہ کہنا نہیں کہ پوری لینڈنگ کا انحصار دو تجرباتی کیوب سیٹس پر تھا جس میں ہر ایک سوٹ کیس کا سائز تھا، لیکن MRS صرف ایک طویل انتظار کے بعد InSight سے ڈیٹا منتقل کر سکے گا۔

InSight لینڈنگ نے اصل میں ناسا کے پورے مواصلاتی فن تعمیر، مارس نیٹ ورک کا تجربہ کیا۔ مدار میں گردش کرنے والے مصنوعی سیاروں کو بھیجے جانے والے انسائٹ لینڈر کا سگنل بہرحال زمین تک پہنچ جاتا، چاہے سیٹلائٹ ناکام ہو جائیں۔ WALL-E اور EVE کو فوری طور پر معلومات کی ترسیل کی ضرورت تھی، اور انہوں نے یہ کر دکھایا۔ اگر ان کیوب سیٹس نے کسی وجہ سے کام نہ کیا ہوتا تو MRS اپنا کردار ادا کرنے کے لیے تیار تھا۔ ہر ایک انٹرنیٹ جیسے نیٹ ورک پر نوڈ کے طور پر کام کرتا ہے، مختلف آلات پر مشتمل مختلف ٹرمینلز کے ذریعے ڈیٹا پیکٹ کو روٹنگ کرتا ہے۔ آج، ان میں سے سب سے زیادہ مؤثر MRS ہے، جو 6 Mbit/s تک کی رفتار سے ڈیٹا منتقل کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے (اور یہ بین سیاروں کے مشنوں کا موجودہ ریکارڈ ہے)۔ لیکن NASA کو ماضی میں بہت سست رفتار سے کام کرنا پڑا ہے اور مستقبل میں ڈیٹا کی منتقلی کی بہت زیادہ ضرورت ہوگی۔

بالکل آپ کے انٹرنیٹ سروس فراہم کنندہ کی طرح، NASA انٹرنیٹ صارفین کو اجازت دیتا ہے۔ چیک آؤٹ حقیقی وقت میں خلائی جہازوں کے ساتھ مواصلت۔

گہری خلائی مواصلاتی نیٹ ورک

جیسا کہ خلا میں NASA کی موجودگی میں اضافہ ہوا، بہتر مواصلاتی نظام مسلسل زیادہ سے زیادہ جگہ کا احاطہ کرنے کے لیے ابھرتے رہے: پہلے زمین کے نچلے مدار میں، پھر جیو سنکرونس مدار اور چاند میں، اور جلد ہی مواصلات خلا میں گہرائی میں چلے گئے۔ یہ سب ایک خام پورٹیبل ریڈیو ریسیور کے ساتھ شروع ہوا جسے ایکسپلورر 1 سے ٹیلی میٹری حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا تھا، یہ پہلا سیٹلائٹ تھا جسے 1958 میں امریکیوں نے نائیجیریا، سنگاپور اور کیلیفورنیا میں امریکی فوجی اڈوں پر کامیابی سے لانچ کیا تھا۔ آہستہ آہستہ لیکن یقینی طور پر، یہ بنیاد آج کے جدید پیغام رسانی کے نظام میں تیار ہوئی۔

ڈگلس ابراہم، NASA کے انٹرپلینیٹری نیٹ ورک ڈائریکٹوریٹ میں اسٹریٹجک اینڈ سسٹمز فارسائٹ ڈویژن کے سربراہ، خلا میں پیغامات کی ترسیل کے لیے تین آزادانہ طور پر تیار کردہ نیٹ ورکس پر روشنی ڈالتے ہیں۔ نیر ارتھ نیٹ ورک زمین کے کم مدار میں خلائی جہاز کے ساتھ کام کرتا ہے۔ ابراہیم کہتے ہیں، "یہ انٹیناوں کا مجموعہ ہے، زیادہ تر 9 سے 12 میٹر۔ کچھ بڑے ہیں، 15 سے 18 میٹر،" ابراہیم کہتے ہیں۔ پھر، زمین کے جیو سنکرونس مدار کے اوپر، کئی ٹریکنگ اور ڈیٹا ریلے سیٹلائٹس (TDRS) ہیں۔ ابراہیم بتاتے ہیں، "وہ زمین کے نچلے مدار میں سیٹلائٹس کو دیکھ سکتے ہیں اور ان کے ساتھ بات چیت کر سکتے ہیں، اور پھر یہ معلومات TDRS کے ذریعے زمین پر منتقل کر سکتے ہیں،" ابراہیم بتاتے ہیں۔ "اس سیٹلائٹ ڈیٹا ٹرانسمیشن سسٹم کو ناسا اسپیس نیٹ ورک کہا جاتا ہے۔"

لیکن یہاں تک کہ TDRS خلائی جہاز کے ساتھ بات چیت کرنے کے لیے کافی نہیں تھا، جو چاند کے مدار سے بہت آگے دوسرے سیاروں تک پہنچا تھا۔ "لہذا ہمیں ایک ایسا نیٹ ورک بنانا پڑا جو پورے نظام شمسی کا احاطہ کرے۔ اور یہ ڈیپ اسپیس نیٹ ورک [DSN] ہے، ابراہیم کہتے ہیں۔ مریخ نیٹ ورک ایک توسیع ہے۔ ڈی این ایس.

اس کی لمبائی اور ترتیب کو دیکھتے ہوئے، DSN درج کردہ نظاموں میں سب سے پیچیدہ ہے۔ بنیادی طور پر، یہ بڑے اینٹینا کا ایک سیٹ ہے، جس کا قطر 34 سے 70 میٹر ہے۔ تینوں DSN سائٹس میں سے ہر ایک 34 میٹر کے کئی اینٹینا اور ایک 70 میٹر اینٹینا چلاتی ہے۔ ایک سائٹ گولڈ اسٹون (کیلیفورنیا) میں، دوسری میڈرڈ (اسپین) کے قریب اور تیسری کینبرا (آسٹریلیا) میں واقع ہے۔ یہ سائٹس دنیا بھر میں تقریباً 120 ڈگری کے فاصلے پر واقع ہیں، اور جغرافیائی مدار سے باہر تمام خلائی جہازوں کو XNUMX گھنٹے کی کوریج فراہم کرتی ہیں۔

34-میٹر اینٹینا DSN کا بنیادی سامان ہیں، اور اس کی دو اقسام ہیں: پرانے اعلیٰ کارکردگی والے اینٹینا اور نسبتاً نئے ویو گائیڈ اینٹینا۔ فرق یہ ہے کہ گائیڈ ویو اینٹینا میں پانچ درست RF آئینے ہوتے ہیں جو پائپ کے نیچے زیر زمین کنٹرول روم میں سگنلز کی عکاسی کرتے ہیں، جہاں ان سگنلز کا تجزیہ کرنے والے الیکٹرانکس مداخلت کے تمام ذرائع سے بہتر طور پر محفوظ رہتے ہیں۔ 34 میٹر کے اینٹینا، انفرادی طور پر یا 2-3 ڈشوں کے گروپوں میں کام کرتے ہیں، ناسا کی زیادہ تر مواصلات فراہم کر سکتے ہیں۔ لیکن خاص صورتوں کے لیے جب ایک سے زیادہ 34-میٹر اینٹینا کے لیے بھی فاصلے بہت طویل ہو جاتے ہیں، DSN کنٹرول 70-میٹر مونسٹرز کا استعمال کرتا ہے۔

"وہ متعدد ایپلی کیشنز میں ایک اہم کردار ادا کرتے ہیں،" ابراہیم بڑے اینٹینا کے بارے میں کہتے ہیں۔ پہلا وہ ہے جب خلائی جہاز زمین سے اتنا دور ہو کہ چھوٹی ڈش کا استعمال کرتے ہوئے اس سے رابطہ قائم کرنا ناممکن ہو جائے۔ "اچھی مثالیں نیو ہورائزنز مشن ہوں گے، جو پہلے ہی پلوٹو، یا وائجر خلائی جہاز، جو نظام شمسی سے باہر واقع ہے، سے بہت آگے جا چکا ہے۔ صرف 70 میٹر کے اینٹینا ہی ان میں گھس سکتے ہیں اور اپنا ڈیٹا زمین تک پہنچا سکتے ہیں،‘‘ ابراہیم بتاتے ہیں۔

70 میٹر کی ڈشیں اس وقت بھی استعمال ہوتی ہیں جب خلائی جہاز بوسٹنگ انٹینا کو نہیں چلا سکتا، یا تو کسی منصوبہ بند نازک صورتحال جیسے کہ مدار میں داخل ہونے کی وجہ سے، یا اس وجہ سے کہ کچھ بہت غلط ہو جاتا ہے۔ مثال کے طور پر 70 میٹر کا اینٹینا اپولو 13 کو زمین پر محفوظ طریقے سے واپس کرنے کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔ اس نے نیل آرمسٹرانگ کی مشہور سطر کو بھی اپنایا، "ایک آدمی کے لیے ایک چھوٹا قدم، انسان کے لیے ایک بڑا قدم۔" اور آج بھی، DSN دنیا کا سب سے جدید اور حساس مواصلاتی نظام ہے۔ "لیکن بہت سی وجوہات کی بنا پر یہ پہلے ہی اپنی حد کو پہنچ چکا ہے،" ابراہیم نے خبردار کیا۔ - ریڈیو فریکوئنسی پر چلنے والی ٹیکنالوجی کو بہتر بنانے کے لیے عملی طور پر کہیں نہیں ہے۔ آسان حل ختم ہو رہے ہیں۔"

تین گراؤنڈ اسٹیشن 120 ڈگری کے فاصلے پر

کینبرا میں DSN پلیٹس

میڈرڈ میں DSN کمپلیکس

گولڈ اسٹون میں ڈی ایس این

جیٹ پروپلشن لیبارٹری میں کنٹرول روم

ریڈیو اور اس کے بعد کیا ہوگا۔

یہ کہانی نئی نہیں ہے۔ گہری خلائی مواصلات کی تاریخ تعدد کو بڑھانے اور طول موج کو مختصر کرنے کے لیے ایک مستقل جدوجہد پر مشتمل ہے۔ ایکسپلورر 1 نے 108 میگاہرٹز فریکوئنسی استعمال کی۔ NASA نے پھر بڑے، بہتر فائدہ حاصل کرنے والے اینٹینا متعارف کرائے جو L-band، 1 سے 2 GHz میں تعدد کو سپورٹ کرتے تھے۔ اس کے بعد S-band کی باری تھی، جس میں 2 سے 4 GHz تک کی فریکوئنسی تھی، اور پھر ایجنسی نے X-band پر سوئچ کیا، جس کی فریکوئنسی 7-11,2 GHz تھی۔

آج، خلائی مواصلاتی نظام ایک بار پھر تبدیلیوں سے گزر رہے ہیں - وہ اب 26-40 GHz رینج، Ka-band کی طرف بڑھ رہے ہیں۔ ابراہیم کہتے ہیں، "اس رجحان کی وجہ یہ ہے کہ طول موج جتنی کم ہوگی اور فریکوئنسی جتنی زیادہ ہوگی، ڈیٹا کی منتقلی کی شرح اتنی ہی تیزی سے حاصل کی جاسکتی ہے،" ابراہیم کہتے ہیں۔

رجائیت کی وجوہات ہیں، یہ دیکھتے ہوئے کہ تاریخی طور پر ناسا میں مواصلات کی رفتار کافی تیز رہی ہے۔ جیٹ پروپلشن لیبارٹری کا 2014 کا ایک تحقیقی مقالہ موازنہ کے لیے درج ذیل تھرو پٹ ڈیٹا فراہم کرتا ہے: اگر ہم مشتری سے ایک عام آئی فون تصویر کو زمین پر منتقل کرنے کے لیے ایکسپلورر 1 کی کمیونیکیشن ٹیکنالوجیز کا استعمال کریں، تو یہ موجودہ دور کی کائنات سے 460 گنا زیادہ وقت لے گا۔ 2 کی دہائی سے پائنیئرز 4 اور 1960 کے لیے، اس میں 633 سال لگے ہوں گے۔ 000 سے میرینر 9 نے اسے 1971 گھنٹوں میں انجام دیا ہوگا۔ آج اس میں MRS تین منٹ لگیں گے۔

صرف ایک مسئلہ، یقیناً، یہ ہے کہ خلائی جہاز کو موصول ہونے والے ڈیٹا کی مقدار اتنی ہی تیزی سے بڑھ رہی ہے، جتنی تیزی سے نہیں، تو اس کی ترسیل کی صلاحیتوں میں اضافہ۔ آپریشن کے 40 سالوں میں، Voyagers 1 اور 2 نے 5 TB معلومات تیار کیں۔ NISAR ارتھ سائنس سیٹلائٹ، جو 2020 میں لانچ ہونے والا ہے، ہر ماہ 85 TB ڈیٹا تیار کرے گا۔ اور اگر زمین کے سیٹلائٹ اس کے قابل ہیں تو سیاروں کے درمیان ڈیٹا کے اتنے حجم کو منتقل کرنا بالکل مختلف کہانی ہے۔ یہاں تک کہ ایک نسبتاً تیز MRS 85 سال تک 20 TB ڈیٹا زمین پر منتقل کرے گا۔

ابراہیم کہتے ہیں، "2020 کی دہائی کے آخر اور 2030 کی دہائی کے اوائل میں مریخ کی تلاش کے لیے متوقع ڈیٹا کی شرحیں 150 Mbps یا اس سے زیادہ ہوں گی، تو آئیے ریاضی کرتے ہیں۔" - اگر ہم سے مریخ تک زیادہ سے زیادہ فاصلے پر ایک MRS کلاس خلائی جہاز زمین پر 1 میٹر کے اینٹینا پر تقریباً 70 Mbit/s بھیج سکتا ہے، تو 150 Mbit/s کی رفتار سے مواصلات کو منظم کرنے کے لیے 150 70 میٹر کی ایک صف ہے۔ اینٹینا کی ضرورت ہوگی. ہاں، بلاشبہ، ہم اس مضحکہ خیز رقم کو تھوڑا سا کم کرنے کے لیے ہوشیار طریقے تلاش کر سکتے ہیں، لیکن مسئلہ واضح طور پر موجود ہے: 150 Mbps کی رفتار سے بین السطور مواصلات کو منظم کرنا انتہائی مشکل ہے۔ اس کے علاوہ، ہمارے پاس اجازت شدہ فریکوئنسی ختم ہو رہی ہے۔"

جیسا کہ ابراہام ظاہر کرتا ہے، ایس بینڈ یا ایکس بینڈ میں کام کرتے ہوئے، ایک واحد 25 ایم بی پی ایس مشن پورے دستیاب سپیکٹرم پر قبضہ کر لے گا۔ Ka-band میں زیادہ جگہ ہے، لیکن 150 Mbit/s کے تھرو پٹ کے ساتھ صرف دو مریخ سیٹلائٹ پورے سپیکٹرم پر قبضہ کر لیں گے۔ سیدھے الفاظ میں، بین سیاروں کے انٹرنیٹ کو چلانے کے لیے صرف ریڈیو سے زیادہ کی ضرورت ہوگی - یہ لیزر پر انحصار کرے گا۔

آپٹیکل مواصلات کا ظہور

لیزرز مستقبل کے حوالے سے لگتے ہیں، لیکن آپٹیکل کمیونیکیشن کے خیال کا پتہ 1880 کی دہائی میں الیگزینڈر گراہم بیل کی طرف سے دائر کردہ پیٹنٹ سے لگایا جا سکتا ہے۔ بیل نے ایک ایسا نظام تیار کیا جس میں سورج کی روشنی، ایک بہت ہی تنگ شہتیر پر مرکوز تھی، کو ایک عکاس ڈایافرام کی طرف لے جایا جاتا تھا جو آوازوں سے کمپن ہوتا تھا۔ کمپن کی وجہ سے خام فوٹو ڈیٹیکٹر میں لینس سے گزرنے والی روشنی میں تغیر پیدا ہوا۔ فوٹو ڈیٹیکٹر کی مزاحمت میں ہونے والی تبدیلیوں نے فون سے گزرنے والے کرنٹ کو بدل دیا۔

نظام غیر مستحکم تھا، حجم بہت کم تھا، اور بیل نے آخر کار اس خیال کو ترک کر دیا۔ لیکن تقریباً 100 سال بعد، لیزرز اور فائبر آپٹکس سے لیس، ناسا کے انجینئرز اس پرانے تصور پر واپس آگئے ہیں۔

ابراہیم نے کہا کہ "ہمیں ریڈیو فریکوئنسی سسٹمز کی حدود کا علم تھا، اس لیے 1970 کی دہائی کے آخر میں، 1980 کی دہائی کے اوائل میں، ہم نے خلائی لیزر کا استعمال کرتے ہوئے گہری خلا سے پیغامات کی ترسیل کے امکان پر بحث شروع کی۔" گہری خلائی آپٹیکل مواصلات میں کیا ممکن ہے اور کیا نہیں ہے اس کو بہتر طور پر سمجھنے کے لیے، لیبارٹری نے 1980 کی دہائی کے آخر میں چار سالہ ڈیپ اسپیس ریلے سیٹلائٹ سسٹم (DSRSS) کا مطالعہ شروع کیا۔ مطالعہ کو اہم سوالات کا جواب دینا تھا: موسم اور مرئیت کے مسائل کے بارے میں کیا خیال ہے (آخر کار، ریڈیو لہریں بادلوں سے آسانی سے گزر سکتی ہیں، جبکہ لیزر نہیں کر سکتے)؟ اگر سورج اور زمین کی تحقیقات کا زاویہ بہت شدید ہو جائے تو کیا ہوگا؟ کیا زمین پر پکڑنے والا ایک کمزور آپٹیکل سگنل کو سورج کی روشنی سے الگ کر سکتا ہے؟ اور آخر کار، اس سب کی قیمت کتنی ہوگی اور کیا اس کی قیمت ہوگی؟ ابراہام تسلیم کرتے ہیں، "ہم ابھی تک ان سوالات کے جوابات تلاش کر رہے ہیں۔ "تاہم، جوابات تیزی سے آپٹیکل ڈیٹا ٹرانسمیشن کے امکان کی حمایت کرتے ہیں۔"

DSRSS نے تجویز کیا کہ زمین کے ماحول کے اوپر واقع ایک نقطہ نظری اور ریڈیو مواصلات کے لیے بہترین موزوں ہوگا۔ اس میں کہا گیا کہ مداری اسٹیشن پر نصب آپٹیکل کمیونیکیشن سسٹم کسی بھی زمینی فن تعمیر سے بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرے گا، بشمول مشہور 70 میٹر اینٹینا۔ کم زمین کے مدار میں، 10 میٹر کی ڈش کو تعینات کرنے اور پھر اسے جیو سنکرونس تک بڑھانے کا منصوبہ بنایا گیا تھا۔ تاہم، اس طرح کے نظام کی لاگت - جس میں ایک سیٹلائٹ پر مشتمل ایک ڈش، ایک لانچ وہیکل، اور پانچ صارف ٹرمینلز شامل تھے - ممنوع تھا۔ مزید یہ کہ، مطالعہ میں ضروری معاون نظام کی قیمت بھی شامل نہیں تھی جو سیٹلائٹ کی ناکامی کی صورت میں کام میں آئے گی۔

اس نظام کے لیے، لیبارٹری نے لیبارٹری کی گراؤنڈ بیسڈ ایڈوانسڈ ٹیکنالوجی اسٹڈی (GBATS) رپورٹ میں بیان کیے گئے زمینی فن تعمیر کو دیکھنا شروع کیا، جس کا انعقاد DRSS کے قریب کیا گیا تھا۔ جی بی اے ٹی ایس پر کام کرنے والے لوگ دو متبادل تجاویز لے کر آئے۔ پہلا 10 میٹر انٹینا اور میٹر لمبے فالتو اینٹینا کے ساتھ چھ اسٹیشنوں کی تنصیب ہے جو پورے خط استوا کے ساتھ 60 ڈگری کے فاصلے پر واقع ہیں۔ اسٹیشنوں کو پہاڑی چوٹیوں پر بنایا جانا تھا، جہاں سال کے کم از کم 66 فیصد دنوں میں موسم صاف ہوتا تھا۔ اس طرح، 2-3 اسٹیشن کسی بھی خلائی جہاز کو ہمیشہ نظر آئیں گے، اور ان کا موسم مختلف ہوگا۔ دوسرا آپشن نو اسٹیشنز ہیں، جو تین کے گروپوں میں جمع ہیں، اور ایک دوسرے سے 120 ڈگری پر واقع ہیں۔ ہر گروپ کے اسٹیشنوں کو ایک دوسرے سے 200 کلومیٹر کے فاصلے پر واقع ہونا چاہئے تھا تاکہ وہ براہ راست مرئی ہوں، لیکن مختلف موسمی خلیوں میں۔

دونوں جی بی اے ٹی ایس فن تعمیر خلائی نقطہ نظر سے سستے تھے، لیکن ان میں بھی مسائل تھے۔ سب سے پہلے، چونکہ سگنلز کو زمین کے ماحول سے گزرنا پڑتا تھا، اس لیے روشن آسمان کی وجہ سے دن کا استقبال رات کے وقت کے استقبال سے کہیں زیادہ خراب ہوگا۔ ہوشیار انتظامات کے باوجود، آپٹیکل گراؤنڈ اسٹیشن موسم پر منحصر ہوں گے۔ گراؤنڈ اسٹیشن پر لیزر کی طرف اشارہ کرنے والے خلائی جہاز کو آخر کار خراب موسمی حالات کے مطابق ڈھالنا پڑے گا اور دوسرے اسٹیشن کے ساتھ مواصلات کو دوبارہ قائم کرنا پڑے گا جو بادلوں کی وجہ سے مخفی نہیں ہے۔

تاہم، مسائل سے قطع نظر، DSRSS اور GBATS منصوبوں نے گہرے خلائی مواصلات اور NASA میں انجینئرز کی جدید ترقی کے لیے نظری نظام کی نظریاتی بنیاد رکھی۔ باقی رہ گیا ایسا نظام بنانا اور اس کی کارکردگی دکھانا۔ خوش قسمتی سے، یہ صرف چند مہینے دور تھا.

منصوبے پر عمل درآمد

اس وقت تک، خلا میں آپٹیکل ڈیٹا کی ترسیل ہو چکی تھی۔ پہلا تجربہ 1992 میں کیا گیا، جب گیلیلیو پروب مشتری کی طرف بڑھ رہی تھی اور اس نے اپنے ہائی ریزولوشن کیمرہ کو زمین کی طرف موڑ دیا تاکہ ٹیبل ماؤنٹین آبزرویٹری میں 60 سینٹی میٹر کی دوربین سے بھیجے گئے لیزر پلس کا ایک سیٹ کامیابی سے حاصل کیا جا سکے۔ نیو میکسیکو میں USAF Starfire آپٹیکل ٹیلی سکوپ رینج۔ اس وقت گیلیلیو زمین سے 1,5 ملین کلومیٹر دور تھا لیکن دونوں لیزر بیم اس کے کیمرے سے ٹکرائی۔

جاپانی اور یورپی خلائی ایجنسیاں بھی زمینی مدار میں زمینی اسٹیشنوں اور سیٹلائٹس کے درمیان آپٹیکل مواصلات قائم کرنے میں کامیاب رہی ہیں۔ اس کے بعد وہ دونوں سیٹلائٹس کے درمیان 50 ایم بی پی ایس کنکشن قائم کرنے میں کامیاب ہوئے۔ کئی سال پہلے، ایک جرمن ٹیم نے زمین کے مدار میں NFIRE سیٹلائٹ اور اسپین کے Tenerife میں ایک گراؤنڈ سٹیشن کے درمیان 5,6 Gbps مربوط آپٹیکل دو طرفہ رابطہ قائم کیا۔ لیکن یہ تمام معاملات کم ارتھ مدار سے وابستہ تھے۔

نظام شمسی میں کسی دوسرے سیارے کے قریب مدار میں زمینی اسٹیشن اور خلائی جہاز کو جوڑنے والا پہلا آپٹیکل لنک جنوری 2013 میں قائم کیا گیا تھا۔ مونا لیزا کی 152 x 200 پکسل کی بلیک اینڈ وائٹ تصویر NASA کے گوڈارڈ اسپیس فلائٹ سینٹر کے نیکسٹ جنریشن سیٹلائٹ لیزر رینجنگ اسٹیشن سے Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) پر 300 bps پر منتقل کی گئی۔ رابطہ یک طرفہ تھا۔ LRO نے زمین سے موصول ہونے والی تصویر کو باقاعدہ ریڈیو مواصلات کے ذریعے واپس بھیجا۔ تصویر کو سافٹ ویئر کی تھوڑی سی خرابی کی اصلاح کی ضرورت تھی، لیکن اس کوڈنگ کے بغیر بھی اسے پہچاننا آسان تھا۔ اور اس وقت، چاند پر ایک زیادہ طاقتور نظام کے آغاز کی منصوبہ بندی پہلے سے ہی کی گئی تھی۔

2013 کے Lunar Reconnaissance Orbiter پروجیکٹ سے: زمین کے ماحول (بائیں) سے متعارف کرائی گئی ٹرانسمیشن کی غلطیوں سے معلومات کو صاف کرنے کے لیے، گوڈارڈ اسپیس فلائٹ سینٹر کے سائنسدانوں نے Reed-Solomon error correction (دائیں) کا استعمال کیا، جو CD اور DVD میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ عام غلطیوں میں لاپتہ پکسلز (سفید) اور غلط سگنلز (سیاہ) شامل ہیں۔ ایک سفید پٹی ٹرانسمیشن میں ایک مختصر وقفے کی نشاندہی کرتی ہے۔

«قمری ماحول اور دھول کے ماحول کا محقق(LADEE) 6 اکتوبر 2013 کو قمری مدار میں داخل ہوا، اور صرف ایک ہفتے بعد ڈیٹا منتقل کرنے کے لیے اپنا پلسڈ لیزر لانچ کیا۔ اس بار، NASA نے دوسری سمت میں 20 Mbit/s کی رفتار سے اور دوسری سمت میں 622 Mbit/s کی ریکارڈ رفتار سے دو طرفہ مواصلات کو منظم کرنے کی کوشش کی۔ واحد مسئلہ مشن کی مختصر عمر کا تھا۔ LRO کی آپٹیکل کمیونیکیشنز ایک وقت میں صرف چند منٹوں کے لیے کام کرتی تھیں۔ LADEE نے اپنے لیزر کے ساتھ 16 دنوں میں 30 گھنٹے تک ڈیٹا کا تبادلہ کیا۔ یہ صورت حال جون 2019 میں طے شدہ لیزر کمیونیکیشن ڈیمانسٹریشن (LCRD) سیٹلائٹ کے لانچ کے ساتھ تبدیل ہونے والی ہے۔ اس کا مشن یہ بتانا ہے کہ خلا میں مستقبل کے مواصلاتی نظام کیسے کام کریں گے۔

LCRD کو MIT کی لنکن لیبارٹری کے ساتھ مل کر ناسا کی جیٹ پروپلشن لیبارٹری میں تیار کیا جا رہا ہے۔ اس کے دو آپٹیکل ٹرمینلز ہوں گے: ایک کم زمینی مدار میں مواصلات کے لیے، دوسرا گہری جگہ کے لیے۔ پہلے کو ڈفرنشل فیز شفٹ کینگ (DPSK) کا استعمال کرنا ہوگا۔ ٹرانسمیٹر 2,88 گیگا ہرٹز کی فریکوئنسی پر لیزر دالیں بھیجے گا۔ اس ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے، ہر بٹ کو لگاتار دالوں کے مرحلے کے فرق سے انکوڈ کیا جائے گا۔ یہ 2,88 جی بی پی ایس کی رفتار سے کام کر سکے گا، لیکن اس کے لیے کافی طاقت درکار ہوگی۔ ڈٹیکٹر صرف ہائی انرجی سگنلز میں نبض کے فرق کا پتہ لگا سکتے ہیں، اس لیے DPSK زمین کے قریب مواصلات کے لیے بہت اچھا کام کرتا ہے، لیکن یہ گہری جگہ کے لیے بہترین طریقہ نہیں ہے، جہاں توانائی کو ذخیرہ کرنا مشکل ہے۔ مریخ سے بھیجا جانے والا سگنل زمین تک پہنچنے تک توانائی کھو دے گا، اس لیے LCRD گہری جگہ کے ساتھ آپٹیکل کمیونیکیشن کا مظاہرہ کرنے کے لیے پلس فیز ماڈیولیشن نامی زیادہ موثر ٹیکنالوجی استعمال کرے گا۔

ناسا کے انجینئر LADEE کو جانچ کے لیے تیار کر رہے ہیں۔

2017 میں، انجینئرز نے تھرمل ویکیوم چیمبر میں فلائٹ موڈیم کا تجربہ کیا۔

"یہ بنیادی طور پر فوٹون کی گنتی کر رہا ہے،" ابراہیم بتاتے ہیں۔ - مواصلات کے لیے مختص مختصر مدت کو کئی مدتوں میں تقسیم کیا گیا ہے۔ ڈیٹا حاصل کرنے کے لیے، آپ کو صرف یہ چیک کرنے کی ضرورت ہے کہ آیا ہر وقفے پر فوٹون ڈیٹیکٹر سے ٹکراتے ہیں۔ FIM میں ڈیٹا کو اس طرح انکوڈ کیا جاتا ہے۔" یہ مورس کوڈ کی طرح ہے، لیکن انتہائی تیز رفتاری سے۔ یا تو کسی خاص لمحے میں فلیش ہوتا ہے یا وہاں نہیں ہوتا، اور پیغام کو چمکوں کی ترتیب سے انکوڈ کیا جاتا ہے۔ "اگرچہ یہ DPSK کے مقابلے میں بہت سست ہے، پھر بھی ہم مریخ تک دور سے دسیوں یا سینکڑوں Mbps آپٹیکل مواصلات فراہم کر سکتے ہیں،" ابراہیم مزید کہتے ہیں۔

بلاشبہ، LCRD پروجیکٹ صرف یہ دو ٹرمینلز نہیں ہے۔ اسے خلا میں انٹرنیٹ کے مرکز کے طور پر بھی کام کرنا چاہیے۔ زمین پر، تین اسٹیشن LCRD کے ساتھ کام کریں گے: ایک نیو میکسیکو میں وائٹ سینڈز میں، ایک کیلیفورنیا میں ٹیبل ماؤنٹین پر، اور ایک ہوائی آئی لینڈ یا ماؤئی پر۔ خیال یہ ہے کہ اگر کسی اسٹیشن پر خراب موسم ہوتا ہے تو ایک گراؤنڈ اسٹیشن سے دوسرے میں سوئچنگ کی جانچ کرنا ہے۔ یہ مشن ڈیٹا ٹرانسمیٹر کے طور پر LCRD کی کارکردگی کو بھی جانچے گا۔ اسٹیشنوں میں سے ایک سے ایک آپٹیکل سگنل ایک سیٹلائٹ کو بھیجا جائے گا اور پھر دوسرے اسٹیشن پر منتقل کیا جائے گا - یہ سب آپٹیکل لنک کے ذریعے ہوگا۔

اگر ڈیٹا کو فوری طور پر منتقل نہیں کیا جا سکتا، تو LCRD اسے ذخیرہ کرے گا اور موقع ملنے پر اسے منتقل کر دے گا۔ اگر ڈیٹا فوری ہے یا آن بورڈ اسٹوریج میں کافی جگہ نہیں ہے، تو LCRD اسے اپنے Ka-band اینٹینا کے ذریعے فوراً بھیجے گا۔ لہذا، مستقبل کے ٹرانسمیٹر سیٹلائٹس کا پیش خیمہ، LCRD ایک ہائبرڈ ریڈیو آپٹیکل سسٹم ہوگا۔ یہ بالکل اسی قسم کی اکائی ہے جس کی ضرورت ناسا کو مریخ کے گرد مدار میں رکھنے کی ضرورت ہے تاکہ ایک بین سیاروں کا نیٹ ورک قائم کیا جا سکے جو 2030 کی دہائی میں انسانی گہری خلائی تحقیق میں مدد فراہم کرے۔

مریخ کو آن لائن لانا

پچھلے ایک سال کے دوران، ابراہیم کی ٹیم نے گہرے خلائی مواصلات کے مستقبل کو بیان کرتے ہوئے دو مقالے لکھے ہیں، جو مئی 2019 میں فرانس میں ہونے والی SpaceOps کانفرنس میں پیش کیے جائیں گے۔ ایک عمومی طور پر گہری خلائی مواصلات کو بیان کرتا ہے، دوسرا (“انسانی تلاش کے دور کے لیے مریخ کا بین السطور نیٹ ورک - ممکنہ مسائل اور حل") سرخ سیارے پر خلابازوں کے لیے انٹرنیٹ جیسی سروس فراہم کرنے کے قابل انفراسٹرکچر کی تفصیلی وضاحت پیش کرتا ہے۔

چوٹی اوسط ڈیٹا کی منتقلی کی رفتار کا تخمینہ ڈاؤن لوڈ کرنے کے لیے 215 Mbit/s اور اپ لوڈ کرنے کے لیے 28 Mbit/s تھا۔ مریخ کا انٹرنیٹ تین نیٹ ورکس پر مشتمل ہو گا: وائی فائی جو سطح کی کھوج کے علاقے کا احاطہ کرتا ہے، ایک سیاروں کا نیٹ ورک جو ڈیٹا کو سطح سے زمین تک منتقل کرتا ہے، اور ارتھ نیٹ ورک، ایک گہرا خلائی مواصلاتی نیٹ ورک جس میں تین سائٹس اس ڈیٹا کو حاصل کرنے اور جوابات بھیجنے کے لیے ذمہ دار ہیں۔ مریخ.

اس طرح کے بنیادی ڈھانچے کو تیار کرتے وقت، بہت سے مسائل ہیں. یہ قابل اعتماد اور مستحکم ہونا چاہیے، یہاں تک کہ مریخ سے زیادہ سے زیادہ 2,67 AU کے فاصلے پر۔ شمسی برتر کنکشن کے ادوار میں، جب مریخ سورج کے پیچھے چھپ جاتا ہے،" ابراہیم کہتے ہیں۔ اس طرح کا جوڑ ہر دو سال بعد ہوتا ہے اور مریخ کے ساتھ رابطے کو مکمل طور پر روک دیتا ہے۔ "آج ہم اس کا مقابلہ نہیں کر سکتے۔ تمام لینڈنگ اور مداری اسٹیشن جو مریخ پر ہیں تقریباً دو ہفتوں کے لیے زمین سے رابطہ کھو دیتے ہیں۔ آپٹیکل مواصلات کے ساتھ، شمسی رابطے کی وجہ سے مواصلاتی نقصانات 10 سے 15 ہفتوں تک طویل ہوں گے۔ روبوٹ کے لیے، اس طرح کے فرق خاص طور پر خوفناک نہیں ہوتے۔ اس طرح کی تنہائی ان کے لیے مسائل کا باعث نہیں بنتی، کیونکہ وہ بور نہیں ہوتے، تنہائی کا تجربہ نہیں کرتے اور انھیں اپنے پیاروں سے ملنے کی ضرورت نہیں ہوتی۔ لیکن لوگوں کے لیے یہ بالکل مختلف ہے۔

"اس لیے ہم نظریاتی طور پر مریخ کی سطح سے 17300 کلومیٹر اوپر ایک سرکلر استوائی مدار میں رکھے گئے دو مداری ٹرانسمیٹروں کو شروع کرنے کی اجازت دیتے ہیں،" ابراہم جاری رکھتے ہیں۔ مطالعہ کے مطابق، ہر ایک کا وزن 1500 کلوگرام ہونا چاہیے، اور ان کے پاس X-band، Ka-band، اور آپٹیکل رینج میں کام کرنے والے ٹرمینلز کا ایک سیٹ ہونا چاہیے، اور 20-30 kW کی طاقت والے سولر پینلز سے چلنا چاہیے۔ انہیں تاخیر برداشت کرنے والے نیٹ ورک پروٹوکول کی حمایت کرنی چاہیے — بنیادی طور پر TCP/IP، طویل تاخیر کو سنبھالنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے جو لامحالہ بین السطور نیٹ ورکس میں ہو گی۔ نیٹ ورک میں حصہ لینے والے مداری اسٹیشنوں کو سیارے کی سطح پر خلابازوں اور گاڑیوں کے ساتھ، زمینی اسٹیشنوں کے ساتھ اور ایک دوسرے کے ساتھ بات چیت کرنے کے قابل ہونا چاہیے۔

"یہ کراس کپلنگ بہت اہم ہے کیونکہ یہ 250 Mbps پر ڈیٹا منتقل کرنے کے لیے درکار اینٹینا کی تعداد کو کم کرتا ہے،" ابراہیم کہتے ہیں۔ ان کی ٹیم کا اندازہ ہے کہ مداری ٹرانسمیٹر میں سے ایک سے 250 ایم بی پی ایس ڈیٹا حاصل کرنے کے لیے چھ 34 میٹر کے اینٹینا کی ضرورت ہوگی۔ اس کا مطلب ہے کہ ناسا کو گہرے خلائی مواصلاتی مقامات پر تین اضافی اینٹینا بنانے کی ضرورت ہوگی، لیکن انہیں بنانے میں برسوں لگتے ہیں اور یہ انتہائی مہنگے ہیں۔ "لیکن ہمارے خیال میں دو مداری اسٹیشن ڈیٹا کا اشتراک کر سکتے ہیں اور اسے بیک وقت 125 ایم بی پی ایس پر بھیج سکتے ہیں، ایک ٹرانسمیٹر ڈیٹا پیکٹ کا آدھا حصہ بھیجتا ہے اور دوسرا دوسرا بھیجتا ہے،" ابراہیم کہتے ہیں۔ آج بھی 34 میٹر گہرے خلائی کمیونیکیشن انٹینا بیک وقت چار مختلف خلائی جہازوں سے ڈیٹا حاصل کر سکتے ہیں جس کے نتیجے میں اس کام کو مکمل کرنے کے لیے تین اینٹینا کی ضرورت پڑتی ہے۔ "آسمان کے ایک ہی علاقے سے دو 125 Mbps ٹرانسمیشن حاصل کرنے کے لیے اتنے ہی اینٹینا کی ضرورت ہوتی ہے جتنی ایک ٹرانسمیشن حاصل کرنے کے لیے،" ابراہیم بتاتے ہیں۔ "مزید اینٹینا صرف اس صورت میں درکار ہیں جب آپ کو تیز رفتار سے بات چیت کرنے کی ضرورت ہو۔"

شمسی کنکشن کے مسئلے سے نمٹنے کے لیے، ابراہیم کی ٹیم نے سورج-مریخ/سورج-ارتھ مدار کے L4/L5 پوائنٹس پر ایک ٹرانسمیٹر سیٹلائٹ لانچ کرنے کی تجویز پیش کی۔ پھر، کنکشن کے ادوار کے دوران، اس کے ذریعے سگنل بھیجنے کے بجائے، سورج کے گرد ڈیٹا منتقل کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ بدقسمتی سے، اس مدت کے دوران رفتار 100 Kbps تک گر جائے گی۔ سیدھے الفاظ میں، یہ کام کرے گا، لیکن یہ بیکار ہے.

اس دوران، مریخ پر مستقبل کے خلابازوں کو بلی کے بچے کی تصویر حاصل کرنے کے لیے صرف تین منٹ سے زیادہ انتظار کرنا پڑے گا، 40 منٹ تک کی تاخیر کو شمار نہیں کرنا پڑے گا۔ خوش قسمتی سے، اس سے پہلے کہ انسانیت کے عزائم ہمیں سرخ سیارے سے بھی آگے لے جائیں، بین السطور انٹرنیٹ پہلے ہی زیادہ تر وقت بہتر کام کرے گا۔

ماخذ: www.habr.com