Få indblik i NASA's kontrolrum: Sådan ringer fjerne rumsonder hjem til Jorden
NASA har adskillige rumsonder spredt rundt i Solsystemet og millioner af kilometer væk, og som de skal holde kontakten med. Hvordan bærer man sig lige ad med det?
henrik helle stub rumsonder ringe hjem

Videnskab.dk's faste rumskribenter Henrik og Helle Stub, som ses på tegningen, gennemgår de mange udfordringer, der er forbundet med at holde styr på rumsonder. (Illustration: Shutterstock/Thøger Junker)

Videnskab.dk's faste rumskribenter Henrik og Helle Stub, som ses på tegningen, gennemgår de mange udfordringer, der er forbundet med at holde styr på rumsonder. (Illustration: Shutterstock/Thøger Junker)

Lidt udenfor Los Angeles i byen Pasadena finder vi ikke mindre end universets centrum. Det er markeret med en glasplade i gulvet i et lokale på rumcentret JPL (Jet Propulsion Laboratory), som er et stort NASA-center.

JPL er centret for rumsonder, og det er herfra, rumsonderne overvåges 24 timer i døgnet.

Det er i selve kontrolcentret, man finder ’Universets centrum’, nedsænket i gulvet i form af en plade.

Det er naturligvis en spøg, udtænkt af dem, som sidder i kontrolcentret og virkelig føler, at det er herfra de overvåger næsten hele Solsystemet. 

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Denne overvågning sker ikke fra selve JPL, men fra tre store lyttestationer anbragt i ret øde områder i verden for at undgå for meget radiostøj. De tre centre er:

  • Goldstone i Mojave Ørkenen i Californien nær byen Barstow
  • 60 km fra Madrid i Spanien
  • Nær hovedstaden Canberra i Australien

Det er herude, de enorme parabolantenner findes, men det hele koordineres fra JPL. Tilsammen danner de det såkaldte Deep Space Network, som er en utrolig vigtig del af rumforskningen.

Rumsonder er ambassadører i rummet

Der er i dag rumsonder næsten overalt i Solsystemet, fra ganske tæt på Solen til langt ude på den anden side af Plutos bane.

Rumsonderne er blevet vores ambassadører ude i rummet – og de har samme opgave som de ambassadører, vi kender fra diplomatiet, nemlig at rapportere tilbage om, hvad de ser og oplever.

Men det er en vanskelig opgave at rapportere hjem over afstande, som nogle gange måles i milliarder af kilometer - og det er en ikke mindre vanskelig opgave at sende beskeder op til rumsonderne.

Disse problemer hører vi sjældent om, men der er dog undtagelser.

JPL overvåge rummet rumsonder

JPL's logo er inddelt i fire felter, der viser et radioteleskop (nederst) samt opgaverne for Deep Space Network: Landere på overfladen af en planet, forbiflyvninger af planet (øverst) samt satellitter. Deep Space Network følger nemlig også satellitter i bane om Jorden, selv om hovedopgaven er rumsonder. (Foto: Z22/CC BY-SA 3.0)

Jorden kalder Voyager 2

Det var en stor triumf, da NASA for nyligt efter en lang tids pause igen fik radiokontakt med den gamle rumsonde Voyager 2, der blev opsendt tilbage i 1977.

Det skete 1. november, da man modtog et svar fra rumsonden på et signal fra Jorden. 

Svaret kom først, næsten 35 timer efter signalet var sendt, og det betyder, at Voyager er så langt borte, at radiobølgerne var over 17 timer om at komme fra Jorden og op til rumsonden, og at svaret derfor også havde en rejse tilbage til Jorden på over 17 timer.

Omregnet til afstand betyder det, at Voyager 2 nu er omkring 125 AE fra Solen, hvor 1 AE er Jordens afstand til Solen.

Voyager 2 har dermed passeret Kuiperbæltet udenfor Neptuns bane, hvor Pluto befinder sig sammen med tusinder af andre små iskloder.

For at sende beskeden til Voyager havde man måttet opgradere den 70 meter store parabolantenne i Canberra i Australien, så den kunne sende med en effekt på ikke mindre end 400 kW.

Det er så kraftigt et signal, at man må koordinere med lufthavnene for at sikre, at ingen fly kommer til at flyve gennem den meget energirige radiostråle.

Samtidig må signalet ikke komme horisonten nærmere end 17 grader, for at undgå at nogen her på Jorden kommer til skade. 

Canberra Deep Space Communication Complex som ligger lidt uden for Canberra i Australien er et af de tre Deep Space Network-stationer, som sørger for, at NASA kan komme i kontakt med deres rumsonder døgnet rundt. (Foto: Robert Kerton/CSIRO/CC BY 3.0)

Canberra Deep Space Communication Complex som ligger lidt uden for Canberra i Australien er et af de tre Deep Space Network-stationer, som sørger for, at NASA kan komme i kontakt med deres rumsonder døgnet rundt. (Foto: Robert Kerton/CSIRO/CC BY 3.0)

Historien om Deep Space Network

Deep Space Network har siden 1963 haft det fulde ansvar for at opretholde kontakten med rumsonderne.

Opbygningen af Deep Space Network har været en af de mest fremsynede beslutninger, NASA har taget.

Den store fordel er, at de, der bygger rumsonderne, ikke selv skal tænke på, hvordan man holder kontakt med sonden.

Deep Space Network er blevet en stor og meget professionel organisation, som i dag ikke bare betjener amerikanske rumsonder, men også rumsonder fra andre lande som Japan, Indien og den europæiske rumorganisation ESA.

Grunden til, at Deep Space Network omfatter tre stationer i Californien, Spanien og Australien, er, at der så altid vil være mindst en station, der kan have kontakt til rumsonden.

Hver station har en 70 meter parabolantenne samt flere mindre antenner. Der er i dag så megen trafik i rummet, at der hele tiden føjes nye antenner til stationerne.

Antenner på 70 meter er lidt af en udfordring at bygge

Det er rent teknisk en stor udfordring at bygge en 70 meter stor parabolantenne så nøjagtigt, at den kan bruges til de meget højfrekvente radiobølger, der anvendes af rumsonder.

Vi er oppe i Gigahertz-området, fordi radiostøjen her er lille. Således sender Voyager sonderne i 8 GHz – området, hvilket svarer til en bølgelængde på under 4 cm. 

Den lille bølgelængde betyder, at antennen skal bygges, så den ikke noget sted afviger mere end omkring en centimeter fra parabolformen. Det er meget forlangt af en konstruktion, som har en diameter på 70 meter, vejer 7200 ton og desuden skal kunne tåle en del blæst.

De store 70- meter antenner vil måske i fremtiden erstattes af flere mindre antenner, som elektronisk kan kobles sammen, så de virker som en stor antenne.

Således har Goldstone nu fire antenner på hver 34 meter, som tilsammen kan erstatte den 70 meter store antenne.

Man kan få et meget klart indblik i, hvad der foregår netop nu på de tre stationer, gennem linket her, der viser, hvad hver enkelt antenne arbejder med.

Over antennen står nogle forkortelser, men klikker man på dem, kan man se det fulde navn på rumsonden, afstanden til sonden, samt den tid det tager for et signal fra Jorden at komme op til rumsonden og tilbage igen.

Den 26 meter store antenne i Canberra som gav os billederne af Armstrong på Månen. (Foto: NASA)

Mindeværdige øjeblikke - månelandingen og Apollo 13

Menneskets første skridt på Månen i 1969 fik vi at se direkte, takket være en 26 meter stor antenne fra Stationen i Canberra i Australien.

Det var en reserveantenne, da den oprindeligt valgte antenne på Canberra nogle dage tidligere var beskadiget af en brand.

Året efter månelandingen spillede antennerne en meget vigtig rolle, da en eksplosion forhindrede Apollo 13 astronauterne i at lande på Månen.

Astronauterne skulle slå et sving rundt om Månen for at komme tilbage til Jorden, men de havde kun meget lidt energi fra deres batterier til radiosenderen og desuden var det umuligt at dreje retningsantennen mod Jorden.

Resultatet var, at man på Jorden kun modtog et meget svagt signal fra de antenner, som normalt blev brugt til at følge Apollo-flyvningerne.

Her fik man så hjælp af de meget større antenner fra Deep Space Network, som derved kom til at spille en afgørende rolle for redningen af de tre astronauter.

Deep Space Network reddede også Galileo

Mange år senere reddede netværket rumsonden Galileo, som blev opsendt i 1989 med kurs mod Jupiter.

Galileo havde en fin, stor parabolantenne, som skulle foldes ud ligesom en paraply ude i rummet. Men det mislykkedes, så den eneste kontakt var gennem en meget mindre antenne, som ikke var en retningsantenne.

Det førte til nogle meget svage signaler fra Galileo, som ude ved Jupiter ville reducere dataoverførslen til Jorden fra de planlagte 134 kilobit/sekund til sølle 8-16 bit i sekundet.

Det ville have umuliggjort en meningsfuld udforskning af Jupiter, selv om sonden var gået ind i den planlagte bane om planeten.

Deep Space Network så problemet som en udfordring. Det lykkedes elektronisk at koble flere af de store 70-meter antenner sammen, så man i første omgang kom op på 160 bit/sekund.

Udfordringen var dog så stor, at man blev nødt til at alliere sig med det 64 meter store Parkes-radioteleskop i Australien. Men så begyndte man at udvikle forskellige metoder til at komprimere data, som vi har glæde af den dag i dag. Det gav en effektiv dataoverførsel på 1 kilobit/sekund.

Naturligvis kunne man ikke få alle de planlagte data hjem, men der blev reddet så meget, at man i dag anser Galileo for en efter forholdene ganske vellykket mission. 

Deep Space Network fulgte også Cassini

Da rumsonden Cassini i 2017 efter 13 år i bane om Saturn blev sendt ned i Saturns atmosfære for at brænde op, så blev det naturligvis fulgt af Deep Space Network.

Og her var selve signalet nok til en meget vigtig måling. På sin vej mod undergangen passerede Cassini den tætte B-ring af ispartikler, og ved meget præcist at måle, hvor meget tyngdekraften fra ringen ændrede rumsondes hastighed, fik man for første gang målt massen af en af Saturns ringe.

Helt tilsvarende målinger har gjort det muligt for rumsonden Juno at bestemme opbygningen af Jupiters indre – hvor man opdagede, at Jupiter ikke har en veldefineret kerne som Jorden.

Udfordringen ved at holde kontakten til rumsonder

Allerede fra rumalderens begyndelse var det klart, at det ville blive noget af en udfordring at holde kontakten til rumsonder mange millioner km fra Jorden.

For det er jo meget begrænset, hvor kraftig en sender man kan anbringe på en rumsonde.

Den første amerikanske rumsonde Mariner 2, som i 1962 fløj forbi Venus, havde en sender med en effekt på bare 3 W, hvilket svarer til sendeeffekten i en moderne mobiltelefon.

Det er blevet noget bedre med årene. Voyager har en sender med en effekt på 23 W, men skal til gengæld kunne sende over afstande på mange milliarder km.

En af de nye rumsonder, Pluto-sonden New Horizons, har en sender med en effekt på bare 12 W, men selv om den nu er et godt stykke udenfor Plutos bane, har man stadig fin kontakt.

Kun ekstremt svage signaler når frem til Jorden

Selv om rumsonder normalt er udstyret med parabolantenner med en diameter på 2-4 meter, som kan sende direkte mod Jorden, så er det nogle ufatteligt svage signaler, der når frem til Jorden.

NASA har selv givet nogle tal, som klart illustrerer problemet. De tager som et typisk eksempel en rumsonde, der sender med en effekt på 20 W fra Saturn.

Undervejs mod Jorden spredes signalet jo ud, og når det så efter en time ankommer, så dækker det et areal med en diameter på ikke mindre end 1.000 gange Jordens diameter. Det betyder, at langt det meste af signalet går tabt.

I runde tal er Jordens diameter 13.000 km, så signalet dækker en cirkel med en diameter på 13 millioner km. Arealet af en sådan cirkel er omkring 130 billioner kvadratkilometer.

Regner vi lidt på det, så vil hver kvadratmeter kun modtage en effekt fra rumsonden på 150 zeptowatt.

Det siger nok ikke så meget, før man gør sig klart, at 1 zeptowatt = 10-21 W. Eller med andre ord: Der går 1.000 trillioner zeptowatt på 1 watt.

Da en 70 meter antenne har et areal på 3.850 kvadratmeter, betyder det, at det oprindelige signal skal genskabes ud fra en modtagen effekt på bare 6∙10-16 W.

Det er åbenbart nok til at sikre en meningsfyldt dataoverførsel. Men det er et stort problem i et så svagt signal at skelne signal fra støj.

Den fjerneste rumsonde, man for tiden har kontakt med, er Voyager 1, som har en afstand fra Solen på 150 AE, hvilket er godt 15 gange afstanden til Saturn.

Alligevel kan man i meget begrænset omfang modtage data fra de få instrumenter, som stadig anvendes.

Voyager

Voyager 1 er over 21 milliarder kilometer væk, men sender stadig data til NASA. (Illustration: NASA)

Travlheden

Det er ikke så mærkeligt, at man stadig udbygger Deep Space Network, for der er virkelig mange rumsonder at følge.

Tallet varierer fra år til år, men man har været oppe på at følge over 30 rumsonder.

Vi nævner her nogle af de rumsonder, man følger for tiden. Vi begynder inde ved Solen og ender et sted langt udenfor Plutos bane:

  • Solen: Parker Solar Probe , Solar Orbiter og SOHO
  • Merkur: Bepi Colombo er på vej mod Merkur
  • Venus: Akatsuki (Japansk) i bane om Venus
  • Asteroider nær Jordens bane: Osiris Rex i bane om asteroiden Bennu
  • Måne: Lunar Reconnaissance Orbiter  og den Indiske Chandrayaan 2 i bane om Månen
  • Mars: Perseverance og Hope (Emiraterne)  på vej mod Mars. Curiosity kører rundt på Mars -
    adskillige satellitter i bane om Mars, blandt andre Mars Reconnaissance Orbiter, Maven, Mars Express, den indiske Mars Orbiter Mission med flere
  • Jupiter: Juno i bane om Jupiter
  • Hinsides Pluto: Voyager 1 og 2 og New Horizons

Hver enkelt af disse rumsonder har eget kontrolcenter, og det gælder især for rumsonder, som ikke er amerikanske. 

Både ESA, Japan og Indien har egne antenner og kontrolcentre, men adgangen til de store antenner på Deep Space Network er en enorm fordel. Her er et internationalt samarbejde, man ikke hører så meget om, men som ser ud til at fungere fint.

Det kan godt være, at de, der arbejder i ’Universtes centrum’ på JPL, har en vis selvfølelse, men de har sandelig også i mange år sørget for, at alle rumsonderne har en mulighed for både at blive ringet op og at ringe hjem.

Det bør også lige nævnes, at Deep Space Network desuden har mindre antenner, der er beregnet til at følge satellitter i bane om Jorden.

NASA-tegning af nuværende og kommende rumsonder i solsystemet. Den giver et indtryk af trafikken derude i solsystemet. (Illustration: NASA)

Rettelse 25. januar: I den oprindelige udgave af artiklen var vi kommet til at skrive 3.850 kvadratkilometer om antennens areal. Det korrekte er naturligvis 3.850 kvadratmeter, som det nu fremgår af artiklen.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om det anderledes Danmarkskort og flere tal om arealet her.