Deep Space Network: Tichý strážce největších vesmírných misí
Už od dob prvních průkopníků meziplanetárních misí v šedesátých letech zajišťuje síť antén NASA označovaná jako Deep Space Network spojení se všemi sondami americké kosmické agentury, které míří za oběžnou dráhu Země.
Historie sítě Deep Space Network alias DSN sahá až do 40. let minulého století. Tehdy se začala rozvíjet technologie přenosu dat na dlouhé vzdálenosti v souvislosti s vývojem mezikontinentálních balistických střel, které bylo třeba rádiově navádět. Ve Spojených státech se daným úkolem zabývala Jet Propulsion Laboratory neboli JPL, dnes dobře známá jako jedno ze středisek NASA. Samotná Laboratoř tryskového pohonu však existovala už dlouho před založením kosmické agentury a spadala pod armádní letectvo.
Na začátku roku 1958 se pak podařilo vypustit první americkou družici Explorer 1, přičemž komunikaci s ní zajišťovala síť antén nazvaná Microlock. K ní se brzy přidal obdobný systém Minitrack a následně i dokonalejší TRACE, nicméně všechny se záhy ukázaly jako nedostatečné.
Ještě v tomtéž roce se Američané pokusili vyslat své první sondy k Měsíci v rámci programu Pioneer. Zemský souputník přitom krouží daleko za oběžnými dráhami, kam mířily předchozí automaty. Spojení s Pioneery tudíž vyžadovalo vyspělejší komunikační síť a jejím vývojem byla opět pověřena JPL, tehdy již čerstvě pod křídly nově vzniklé kosmické agentury. V té době vypukly vesmírné závody a NASA doslova chrlila jednu sondu za druhou, aby se povedlo Sovětský svaz dohnat. Potřeba kvalitní komunikační sítě, jež by všechny popsané mise obsloužila, tak vyvstávala stále akutněji.
Zrodila se legenda
Pro zajištění lepšího spojení se sondami se nabízely dva způsoby: vybavit samotné automaty o něco většími vysílači, nebo postavit mnohem výkonnější antény na Zemi. V kosmonautice však již tehdy platilo, že každý gram ušetřený na hmotnosti jakéhokoliv vynášeného nákladu se počítá. Volba proto padla na budování pozemní infrastruktury, přesto se i zde otevíraly tři zcela odlišné možnosti. První z nich zahrnovala rozsáhlé pole malých oddělených antén, zatímco druhá počítala s pevnými parabolami bez možnosti pohybu, jaké dnes známe u největších světových radioteleskopů, například u čínského zařízení FAST. Poslední možnost pak zahrnovala středně velké řiditelné parabolické antény – a nakonec zvítězila.
Jet Propulsion Laboratory brzy vyhodnotila jako proveditelnou stavbu antény o průměru až 60 metrů. První návrh sítě, kterou dnes označujeme jako DSN, se podařilo dokončit v polovině roku 1962, přičemž pojednával především o základní podsíti antén o průměru 64 metry. Za počátek fungování dnešní Deep Space Network se považuje období Vánoc roku 1963, kdy se začal formálně používat právě uvedený název namísto předchozího DSIF čili Deep Space Instrumentation Facility – tedy „přístrojové zařízení pro hluboký vesmír“.
S rozbíhajícím se programem Apollo však nebylo času nazbyt. Již v prosinci 1966 se tak dočkala zprovoznění první z velkých antén, které tvoří jádro sítě dodnes. Tehdy měla ještě průměr 64 metry, později byla upravena na současných 70 metrů. Základní kostru DSN, jak ji známe, se na všech třech stanovištích povedlo dokončit do roku 1973, zdaleka se ovšem nejednalo o poslední krok jejího vývoje. Naopak – síť se musí trvale přizpůsobovat dalším a dalším misím, jež kladou stále vyšší nároky.
Podstatné změny přinesl již rok 1978, kdy do kosmu zamířily sondy Voyager. Vzhledem k jejich plánované pouti za hranice Sluneční soustavy museli totiž inženýři síť DSN významně vylepšit: Původní velké antény se rozšířily o již zmiňovaných 6 metrů a k nim přibyly paraboly o průměru 34 metry.
Dokonalý nástroj
Rádiová komunikace obecně představuje úžasný nástroj, bez něhož by se průzkum vesmíru vlastně vůbec nemohl uskutečnit. Stačí nahlédnout do počátků kosmonautiky, kdy ještě rádiové komunikační systémy například nedokázaly přenášet na Zemi kvalitní fotografie. Krátce po vypuštění prvních družic si různé státy uvědomily onu ohromnou výhodu, kterou satelity na oběžné dráze nabízejí: Mohou fotografovat nepřátelská území, aniž by se to dalo z povrchu planety jakkoliv zjistit. Znamenalo to tedy konec letadel riskujících sestřelení – stačilo vyslat na orbitu družici s kvalitním fotoaparátem. Vše se ovšem zaznamenávalo pouze na fotografický film, jenž se musel následně složitě dostávat v návratových kapslích na Zemi. A navíc byl satelit po vyčerpání omezených zásob filmu úplně k ničemu.
V popředí se tudíž ocitla právě rádiová komunikace, jež staví na přenosu vln se zakódovanou informací. Rádiové vlny mají přitom z celého elektromagnetického spektra nejmenší energii a současně nejvyšší frekvenci i největší vlnovou délku: Zatímco u viditelného světla se jedná řádově o stovky nanometrů neboli miliardtin metru, u rádiových vln může jít o rozpětí od centimetrů až po stovky metrů.
Síť přes celý svět
Vzhledem k počtu vesmírných misí v režii NASA hraje zcela kritickou roli možnost přijímat signál z jakéhokoliv místa na obloze, a to 24 hodin denně sedm dní v týdnu – čehož ovšem nelze s jedním pozorovacím stanovištěm docílit: Ze severní polokoule totiž nikdy nespatříme celou jižní oblohu a naopak. V praxi navíc hustá vrstva atmosféry omezuje i příjem signálu z míst nízko nad horizontem. Nepřetržité pokrytí nebe proto vyžaduje víc pozorovacích stanic, konkrétně tři. Jedna leží v Kalifornii, druhá ve Španělsku a třetí v Austrálii. Navzájem je tudíž dělí asi 120° zeměpisné délky, což v kombinaci s rozdílem jejich zeměpisných šířek zaručuje právě neustálé pozorování celé nebeské sféry. Každá mise, jež se od Země vzdálí víc než 30 000 km, je tak vždy v dosahu některé z antén sítě DSN.
Kalifornská observatoř Goldstone se nachází v Mohavské poušti, ve vojenské oblasti Fort Irwin nedaleko základny Edwards Air Force Base, kde kdysi přistávaly i raketoplány. V současné době tam fungují čtyři antény o průměru 34 metry a jedna 70metrová, jež nesou tematická jména Venus, Mars, Uranus, Apollo a Gemini. Řídící středisko celé sítě DSN neboli Deep Space Operations Centre sídlí rovněž v Kalifornii, konkrétně v samotném pasadenském centru JPL.
Španělský komplex bychom našli asi 60 km západně od Madridu v lokalitě Robledo de Chavela, přičemž zahrnuje šest 34metrových antén a jednu 70metrovou. Australská stanice se pak rozkládá zhruba 40 km jihozápadně od Canberry, v blízkosti přírodní rezervace Tidbinbilla: Tři tamní aktivní antény mají průměr 34 metry, jedna opět 70 metrů a v případě potřeby je může doplnit i 64metrový radioteleskop na nedaleké Parkes Observatory.
Všechny tři komplexy charakterizuje umístění v hornatém terénu, často v údolí. Na Zemi se totiž rádiový signál kvůli nespočtu moderních zařízení vyskytuje doslova všude. Signály přicházející od kosmických sond jsou ovšem velmi slabé a snadno by se mohly v šumu ze všemožných pozemních přístrojů ztratit. Nejméně zmíněného šumu logicky proniká do odlehlých oblastí a ideálně ještě za nějakou přírodní překážku, kterou v daném případě tvoří právě strmá úbočí horských údolí.
Ve službách průkopníků
Za dobu své existence umožnila DSN realizovat nespočet kosmických misí. Slavný příklad nabízejí sondy Voyager 1 a 2, kvůli nimž se musela hned několikrát modifikovat. Dokáže tak s nimi ovšem komunikovat dodnes, přestože zmíněné průzkumníky dělí od Země již 167 AU, respektive 139 AU. Už několikrát se přitom jeden či druhý odmlčel, a tehdy hrály velké paraboly Deep Space Network naprosto zásadní roli, neboť jako jediné dokázaly zaslat příkaz pro opravení chyby ve stárnoucích systémech sond.
Zkoušku ohněm znamenala mise Galileo. Vysokozisková anténa uvedeného automatu totiž selhala a hrozilo, že z jedné z největších a nejdůležitějších sond v dějinách NASA vůbec nebude možné přenášet vědecká data. Inženýři však dokázali spojit australskou a kalifornskou anténu DSN tak, aby pracovaly současně a zvládly zachytit ještě slabší signál. Nakonec se to doopravdy podařilo a Galileo se zařadila mezi nejúspěšnější sondy v historii kosmonautiky. K dalšímu zajímavému vylepšení sítě došlo v souvislosti se zvýšením počtu průzkumných automatů u Marsu. Ty se totiž většinou nacházejí v zorném poli jedné paraboly, a inženýři tedy provedli takové úpravy, aby v popsaném případě dokázala jedna anténa komunikovat s několika misemi naráz.
V současné době slouží DSN třeba ke spojení s Vesmírným dalekohledem Jamese Webba, s nově vypuštěnou misí Europa Clipper, se sondou Juno pro průzkum Jupitera, s dalekohledem SOHO pro pozorování Slunce, s marsovským roverem Perseverance – a takto bychom vlastně mohli pokračovat přehledem všech aktuálních misí NASA, jež se nacházejí za oběžnou dráhou Země. Deep Space Network přitom pomáhá komunikovat i se sondami jiných agentur, například s jihokorejskou Danuri.
Nejasné vyhlídky
Kosmických průzkumníků, kteří pro komunikaci s mateřskou planetou potřebují DSN, neustále přibývá. Vzniká hodně nových misí a ty staré mají stále delší a delší životnost. Dobrý příklad představují už zmíněné Voyagery, jež letos oslaví 48 let od startu. Podstatně déle, než se původně plánovalo, však funguje třeba i řada robotických vyslanců u Marsu.
Největší zátěží pro DNS se však v blízké době jednoznačně stane program Artemis. I Měsíc totiž v daném ohledu spadá do hlubokého vesmíru a pilotované výpravy si v porovnání s autonomními sondami vyžádají mnohem víc času uvedené sítě. Důkaz poskytla už první mise Artemis I: Přestože se loď Orion vydala v listopadu 2022 do vesmíru pouze s figurínou, komunikovaly s ní antény DSN celkem 903 hodin. Dalších 871 hodin pak zabralo spojení s cubesaty, jež tvořily sekundární náklad. Kapacita sítě za současného stavu však není neomezená, takže na úkor Artemis I trpěly jiné mise. Kupříkladu Webbův dalekohled přišel v průběhu 25 dní jejího trvání o 185 hodin, během nichž by jinak mohl odesílat data k Zemi.
NASA tak nyní stojí před akutním problémem, který se dosud příliš neřešil: V brzké době se totiž zmíněná komunikační síť výrazně přehltí a bez podniknutí rychlých kroků začneme záhy ztrácet cenná vědecká data z mnoha významných sond. Určitá vylepšení DSN se již plánují, ale rozpočet pro její provoz je omezený, a provádět razantní změny tudíž není snadné. Nezbývá než doufat, že se tento úžasný nástroj dočká v blízké budoucnosti adekvátního rozšíření, aby zvládl komunikovat se všemi misemi, jež nás v následujících letech čekají.
