fizika

Bevezető, avagy a szomszéd messze van

Képzeljünk el egy helyzetet, amikor egyik barátunkat, családtagunkat felhívjuk telefonon, és videótelefonálást folytatunk vele, mobiltelefon segítségével egy látványos helyről. A mai technológia segítségével ennek a lehetősége már bárki számára hozzáférhető áron rendelkezésre áll. Ráadásul a kommunikáció szinte tökéletes, láthatóan késleltetés nélküli. Ám tételezzük fel, ha ezt a kommunikációs tevékenységet a Föld két távolabbi pontja között végezzük, mondjuk Magyarországról folytatunk videótelefonálást a 18000 km-re fekvő Új-Zélandra. A helyzet minimális szinten megváltozik, hiszen a nagy távolság következtében a fizikai törvényei itt már emberi léptékben is érzékelhető korlátot szabnak a kommunikáció sebességének. Persze nyugodtan mondhatnánk azt, hogy na és? Joggal, hiszen az átlagember számára fel sem tűnik, hogy az általa halott beszéd, és az általa látott kép a valóságban kevesebb, mint egy másodperc késéssel érkezik meg a küldőtől a fogadóhoz.

Ha ezt elképzeltük, és megvan a 18000 km-nyi távolság és a közel 1 mp-es késleltetés, ugorjunk egy nagyobb léptékre, melynek apropójaként hívjuk fel barátainkat telefonon a Marson. Most csak egy egyszerű példa kedvéért, eltekintve a légköri jelenségektől, a műholdak aktuális helyzetén át, a napszél tevékenységig minden más további hatástól, a Mars-Föld távolság átlagos értékével számolva. Legyünk türelmesek, hiszen a bolygók közti aktuális távolság függvényében, a fénysebesség korlátainak figyelembevételével a késleltetés meglehetősen nagy lesz. Fel fogják venni a telefont. Ne, még ne tegyük le! Igen, tudom, hogy már eltelt tíz perc, de várjunk még! Biztosan fel fogják venni a telefont. És ez a 12. percben meg is történik. A vonal végéről nem hallunk semmit? Nem csoda. Hiszen a mi jelentkezésünk 12 perc alatt ért a Marsra, és újabb 12 percet kell várni arra, hogy meghalljuk barátaink reagálását. Ugye, hogy nem is olyan egyszerű ez a bolygóközi kommunikáció?

Egy kis matematika az előzőekhez: Mutat

A Mentőexpedíció című film

A fenti bevezetőből kiindulva, vegyük górcső alá az Andy Weir 2011-es A marsi című regénye alapján készült 2015-ös Mentőexpedíció című filmet. Aki nem ismerné, annak röviden annyit érdemes tudnia, hogy egy kutatócsoport heves időjárási tevékenység miatt menekülni kényszerül a Marsról. A csapat egy ember híján sikeresen eljut a felszállásra kész űrhajóig, amellyel feljutnak a űrben keringő Hermes anyahajóra. Később a Marson hagyott űrhajósról kiderül, hogy a viharos erejű szelet túlélte, bár ő maga, és űrruhája is megsérült. A következő jelenetekben Mark Watney űrhajós számára realizálódik, hogy egyedül maradt a bolygón, a következő küldetés pedig négy év múlva érkezik. Tehát három fő feladata van:

• Egy ember számára lakhatatlan bolygón, a rendelkezésre álló eszközökből biztosítania kell az életben maradásához szükséges feltételeket, mint amilyen az élelem, a víz, és az oxigén. Ez megoldhatónak tűnik, hiszen főhősünk botanikus. Növénytermesztéssel létrehozható egy alacsonyszintű ökológiai körforgás.
  Megjegyzés: Mutat
  Fontos megemlíteni, hogy a marsi talaj a nagy hőingadozások miatt rendkívül porózus, továbbá olyan anyagokat tartalmaz (például földpátok, piroxének, olivinek), amik a vízzel vegyülve az emberi szervezet számára méregként hatnak. Például a marsi por belélegzése során, a tüdőben található nedvességgel érintkezve gáz formájában, vagy a véráramba jutva halált kiváltó vegyületek jöhetnek létre. Ehhez képest Mark, ránézésre több száz kg-nyi marsi talajt a lakrészbe talicskáz, és vizzel öntöz. Az ehhez szükséges vizet, az egyik űreszközben található hidrogén elégetésével nyeri, a marsi talajt pedig emberi végtermékkel trágyázza, miközben a növények oxigént termelnek. Ez filmben jól néz ki, de fent már kifejtettem, hogy a marsi talaj az emberi szervezet számára veszélyes lehet. További kérdést vet fel, hogy az emberi végtermék vajon megfelelő tápanyagokat rejt-e, a burgonya növekedéséhez. Ezen kívül az is kérdés, hogy az a szobányi növény termel-e elegendő oxigént. Mindenesetre főszereplőnk ezen feladatát megoldotta.
  Természetes, hogy ha minden kihívást figyelembe vettek volna a filmkészítők, akkor vagy nem készül el a film, vagy megválaszolják a NASA, valamint más űr- és bolygókutató vállalatok kérdéseit.
• Második feladataként meg kell oldania, hogy a marsjáró roverrel eljusson a 3200 km-es távolságban fekvő Schiaparelli-kráterhez, ahová négy évvel később érkezik a következő küldetés legénysége.
  Probléma: Mutat
  Ez számos problémát vet fel, főleg mert a marsjáró egy feltöltéssel elérhető hatótávolsága csak 35 km, ráadásul a járgány fűtése rögtön elviszi a rendelkezésre álló energia felét. Ezen hátrányok meglehetősen érdekesek annak tükrében, hogy a mai járművek akár 350 km-es távolságot is könnyűszerrel megtesznek, a marsjáró légmentes kialakítása és megfelelő szigetelő anyagok használata révén pedig a fűtésre fordított energia jelentősen csökkenthető. Főleg ha elképzeljük milyen fejlesztések zajlanak le a 2030-as évekig. Tény persze, hogy a laza marsi talajon, egy teherautó méretű, nyolckerekű járművel közlekedni több energiát igényel, mint egy kisebb négy kerekű járművel haladni az aszfaltozott úton, azonban arról se feledkezzünk el, hogy a Mars felszíni tömegvonzása harmada a Föld felszíni tömegvonzásának. Mindenesetre a filmbeli főhősünk a fűtés problematikáját a radioizotópos termoelektromos generátor segítségével oldotta meg, a marsjáró hatótávját pedig egy másik, amúgy megsérült marsjáró akkumulátorainak felhasználásával duplázta meg. Így a mozi szerint 70 km távolságra tud eljutni egyetlen feltöltéssel. Ekkor kipakolja a napelem cellákat, és újratölti az akkumulátorokat.
• Továbbá fel kell vennie a kapcsolatot a Földdel. Ez utóbbinak nem lenne akadálya, azonban a vihar tönkretette a kommunikációs berendezéseket, valamint az antennát is. A filmtől elvonatkoztatva egy ilyen eset vélhetően nem történhetne meg, ugyanis a tartalék rendszer rendelkezésre állna (dobozokban földbe ásva, dobozokban bent a lakrészben, vagy bármi más módon, amit a szakemberek alkalmasnak találnak erre a célra). A kommunikáció a Földdel gyakorlatilag életfeltétel. Máskülönben az is igaz, hogy a tartalékrendszerek Marsra szállítása extra költségekkel járna.

A film tartalma, valamint a kialakult problémák ismertetése után merüljünk bele a részletekbe, valamint az érdekes, ismert és még ismeretlen fogalmakba!

A sol fogalma

A történet teljes egésze alatt többször elhangzik egy csillagászati fogalom, ez pedig a sol. A sol tulajdonképpen a szoláris nap rövidítése, azonban használata némi bonyodalmat okoz, hiszen a sol-t, mint mértékegységet a NASA 1976-ban az első Viking űrszonda landolásakor, a marsi napok múlásának mérésére vezette be házi használatra. Jelenleg a sol egy hivatalosan nem elfogadott időegység, azonban általánosan elfogadható, hogy 1 sol esetében 1 szoláris marsi nap hosszáról beszélhetünk.

Kiegészítés: Mutat

Részecske szinten a Marsig tartó út hossza

A filmben többször is elhangzanak változó utazási adatok arról, hogy mennyi idő alatt lehetséges eljutni a Földről a Marsra, illetve vissza. A jelenlegi technológiákkal ez jellemzően 5 és 10 hónap között változhat, attól függően, hogy éppen milyen a bolygók egymáshoz viszonyított aktuális állása. Az sem mindegy, hogy mekkora energiabefektetéssel szeretnénk elérni a vörös bolygót. Erre a megfelelő indítási ablak 26 havonta alakul ki, ami azt jelenti, ekkor áll rendelkezésre néhány olyan nap, amikor hatékonyan el lehet érni a Marsot. 2018-ban az InSight űrszonda nagyjából 5,5 hónap alatt jutott el a szomszédos égitestre, a kilövéstől a leszállásig számolva.

Részletek: Mutat

Kapcsolatfelvétel a Földdel: a hardver környezet kialakítása

Miután főhősünk realizálta, hogy egyedül maradt a Mars felszínén, és a következő küldetés csak négy évvel később érkezik, elkezd azon töprengeni, hogyan biztosítsa maga számára az életben maradáshoz szükséges feltételeket. Ezeket a fentiekben már ismertettem. Már csak kapcsolatba kellene lépnie a Földdel. Ekkor születik meg Mark fejében az ötlet, hogy felkutassa a Pathfindert, mely a marsjáróval immáron elérhető távolságba került. A Pathfinder űrszonda megtalálása kommunikációs csatornát nyit a NASA felé. Csupán annyit kell tennie, hogy kiássa, és a vélhetően elhasználódott, tönkrement akkumulátor kazettát kicserélje. A Pathfinder űrszonda a Discovery program második küldetésében vett részt 1997-ben. Feladata a légkör elemzése volt, továbbá magával vitte a kis Sojourner rovert is, mely a kövek vizsgálatát végezte. Felmerül a kérdés, hogy a főhős honnan ért ilyen sok mindenhez, hiszen botanikus. Az igazság az, hogy egy Marsra juttatott embernek nagyon sok mindenhez kell értenie. Kicsiben például egy weblap készítő szakembernek nem árt ha a kódolás mellett vannak grafikai ismeretei is. Egy katonai repülőgép pilótájának sem csak a gépet kell tudnia vezetni, de ahhoz is kell értenie, hogyan éljen túl egy ellenséges területre történő lezuhanást. Lényeg, hogy ha az ember egy adott szakterületen dolgozik, akkor a rá váró kihívásokra gyorsan tudjon reagálni. Feltételezhető, hogy a Marsra utazó személyek egy nagyjából 15-25 éves korban lévő, nagy létszámú, de már erősen megszűrt halmazból kerülnek ki, akiknek a kiválasztásuk után még akár 15-20 évnyi tanuláson és fejlődésen kell átesniük, hogy alkalmassá váljanak egy marsi kutató misszióban betölthető szerepre. A NASA jelenleg már futtat ilyen programot.

Magyar vonatkozás a filmben: Mutat

Kapcsolatfelvétel a Földdel: a megvalósítás

Szóval megvan a Pathfinder, és sikerül működésre bírni. Eközben a NASA a műholdak segítségével felfedezte, hogy az űrhajós életben van, és mozgását folyamatosan követte. Mivel ennek művelete prioritásba került, ezért a NASA a Mars körül keringő műholdak pályáját úgy módosította, hogy az eredeti 41 óránként lezajló 17 perces szünet helyett legfeljebb 4 percig tartson egy szünet. Miután a Földön kiderült, hogy Mark a Pathfinder segítségével szeretné felvenni a kapcsolatot a Földdel, a NASA egyből a JPL-t hívta segítségül. A JPL a Jet Propulsion Laboratory, amit Kármán Tódor alapított, és ő volt az első igazgatója is. Rakétafejlesztő központnak indult, ám napjainkban fő területe a bolygókutató eszközök fejlesztése, és üzemeltetése, így a feljuttatott űreszközök kapcsolati csatornájának végpontján is ők vannak. Az ő termékük többek között a Pathfinder is. A Pathfinder orbitális egység nélkül, közvetlenül kommunikál a Földdel. Ez látható is a filmben akkor, amikor Mark az irányított antennát a Föld felé fordítja. Időközben a Földön a JPL kihozza a raktárból a Pathfinder másolatát, majd a két eszközt szinkronizálja egymással. A marsi szonda üzembe helyezése lehetővé teszi Mark számára, hogy elküldje magáról az első fotót, maga elé tartva egy táblára írt kérdéssel:

„Veszitek az adást?”

A fentiekben már említettem, hogy a Föld-Mars távolság miatt az adatok továbbítása sok időt vesz igénybe, azonban nagyobb probléma, hogy a kamera segítségével Mark ugyan tud hosszú szöveges üzeneteket, kérdéseket fotózott formában továbbítani a Földre, azonban a Pathfinder nem képes arra, hogy a Földről érkezett válaszokat bármilyen formában is megjelenítse. Viszont a JPL képes arra, hogy távolról irányítsa az űrszonda kameráját. Ezt használja ki Mark azzal, hogy első üzenetében egy eldöntendő kérdést tesz fel. Egymástól távol, egy IGEN és egy NEM táblát cövekel le a talajba, ő pedig beállt közéjük, egy harmadik táblával a kezében, amin a kérdés szerepel. A JPL pedig válaszként a kamera fejét a megfelelő tábla irányába fordítja.

A filmből sajnos nem derül ki, hogy a fotót a Pathfinder mi alapján készítette el pont abban a szögben. A fotó valószínűleg automatikusan készült. Ez azt is feltételezi, hogy a Pathfinder folyamatosan készítette a fotókat, és küldte azokat a JPL részére. Ami viszont biztos, hogy az űrszonda rövid idő alatt több fotót is készít, ezeket küldi el a megfelelő paraméterekkel a JPL-nek, a földi vevőegység pedig a képeket panorámaképként összeillesztve jeleníti meg.

Kapcsolatfelvétel a Földdel: „hexadeci segít a bajban”

A kapcsolatfelvétel sikeressége után a kommunikáció fejlesztése a cél.  Ezen nyilván mind a két oldalon dolgoznak, ám első körben főhősünk ötlete lendít egyet az ügyön. Az eldöntendő kérdésekkel a JPL nem tud megfelelő válaszokat adni, hiszen korlátot szab, hogy csak a kamera fejének mozgatásával tudnak üzenetet küldeni. Mark kitalálja, hogy a JPL-nek hexadecimális ASCII kódrendszerben kell válaszolnia a kérdésekre. Ez azt jelenti, hogy a Pathfindert az angol ábécé 26 betűjét, illetve további 10 számjegyet, esetleg írásjeleket tartalmazó táblák helyett csupán 16 táblával kell körbe rakni. Tíz tábla a számjegyeknek, további hat tábla pedig a betűknek A-tól F-ig. Ezzel, valamint az ASCII kódtábla segítségével két hexadecimális helyiértéken 256-féle szimbólum jeleníthető meg, úgy mint az angol ábécé kis- és nagybetűi, számok, írásjelek, illetve jelen esetben kevésbé fontos vezérlőkódok. Így minimális mennyiségű tábla kihelyezésével megfelelő kommunikáció érhető el, hiszen ha túl sok tábla kerülne kihelyezésre, úgy nehezebben lehetne észrevenni, hogy az űrszonda forgatható kamerája melyik tábla irányába néz.

A film ugyan nem mutatja, de feltételezhető, hogy a Pathfinder valamilyen időközönként, talán egy változáskövető/szinkronizáló algoritmus segítségével folyamatosan fotókat küld a JPL részére. Az ottani mérnökök a képek alapján így hamar rájönnek, hogy Mark milyen módszerrel szeretné fejleszteni a kommunikációt. Ennek révén a JPL csapata is ugyanazokkal a táblákkal bástyázza körbe az űrszonda másolatát, majd ennek elkészülte után azonnal el is küldik az első üzenetüket.

Filmbeli baki? Mutat

Kapcsolatfelvétel a Földdel: chateljünk a Föld és a Mars között

A kommunikáció újabb szintre emelésének egyik momentuma, amikor a NASA által megadott módon, a marsjáró operációs rendszerét úgy frissítik, hogy az kommunikálni tudjon a Pathfinderrel. Ennek egyik érdekessége, hogy a marsjárót a NASA fejlesztette, a Pathfindert viszont a JPL. Ebből is látható, hogy a szabványok használata mennyire megkönnyíti a rendszerek közti átjárhatóságot, hiszen főhősünknek csupán egy rövid kóddal kell módosítania a marsjáró operációs rendszerét, így az használni tudja az űrszonda rádiófrekvenciáját. (Más kérdés, hogy egy ilyen minialkalmazás miért nincs eleve beépítve a marsjáróba?) Továbbá a rendszer valószínűleg egy egyedi fejlesztésű Linux alapú operációs rendszer, mely úgy került megírásra, hogy az operációs rendszer a marsjáróból is módosítható legyen. További érdekesség, hogy a szoftver módosítása a film 54. percében mutatott képek szerint hexadecimális gépi kóddal történik. Tulajdonképpen a módszer lehetséges, azonban a NASA-nak – a JPL-en át – a hagyományos ASCII kódtáblázat segítségével kell ezt lekommunikálnia, ami egy meglehetősen hosszadalmas folyamat lehet.

Érdekesség még az is, hogy miközben Mark módosítja az operációs rendszert, az életben maradásához szükséges levegőt nem a marsjáróból vételezi, hanem a szkafanderéből. Űrhajós sisakja végig a fején van. Feltételezhető, hogy az operációs rendszer módosítása után egy önellenőrző tesztet is futtatni kell. A rendszer újraindítása a jövőben már nem biztos, hogy feltétel lenne.

Filmbeli baki? Mutat

A kapcsolat létrejötte után, immáron egy chat felületen zajlik a beszélgetés a JPL és Mark között. Feltételezhető, hogy a marsjáró már eleve rendelkezett valami szöveges üzenetek fogadására és küldésére alkalmas programmal. Innentől már sokkal könnyebb a kommunikáció, bár még mindig nem annyira, mint ahogyan az a filmben látszik. Ahogy nézzük az eseményeket, úgy érezzük, mintha csak a Földön chatelnének egymással. Azonban a valóság még mindig az, hogy egy kérdés-válasz kör 32 percig tart. Tehát, amikor Vincent megkérdezi a JPL-t, hogy a társai hogyan fogadták a hírt életben maradásáról, az üzenet elküldése után legalább 32 percet vár a válaszra. Mivel válasz nem érkezett, ezért egy újabb üzenetet küld el korábbi érdeklődését illetően, melynek a válaszára ismét legalább 32 percet vár. Gondoljunk csak bele, hogy ez mennyire idegtépő lehet, továbbá arról se feledkezzünk meg, hogy még itt a Földön zajló kommunikáció esetében is mennyire egyszerű egymás „szavába” vágni, hát még ilyen késleltetéssel rendelkező üzenetváltás esetén.

Az ellátmány-küldetés

Az első beszélgetések során Mark megtudja, hogy a NASA egy ellátmány-küldetést állít neki össze. Ez annyit jelent, hogy a JPL rohamtempóban megtervez és megépít egy teherszállításra alkalmas űrszondát, melyet eljuttatnak a Marsra. Érdekesség, hogy ekkor a bolygók rossz állása miatt az utazás megtételére kilenc hónap áll rendelkezésre.

Érthetetlen? Mutat

A jövő: kvantumkommunikáció

A kommunikáció sebességének felgyorsításán talán épp a modern fizika segíthet a jövőben. A részecskék kvantum-összefonódásának jelensége meglehetősen biztató eredményekkel kecsegtet.

További részletek: Mutat

A blog bejegyzés írása közben a hangulatról az AMAZING SPACE TRAVELING ~ Ambient Music ~ Background Music gondoskodott.

A blog bejegyzés képei az említett Mentőexpedíció (2015) című filmből származnak.