Tàu vũ trụ cách 23 tỷ km liên lạc với Trái Đất như thế nào

Các tàu vũ trụ gửi thông tin và hình ảnh về Trái Đất dưới dạng sóng vô tuyến, qua Mạng không gian sâu (DSN), một tập hợp các ăng-ten vô tuyến lớn được bố trí đều trên khắp địa cầu.

Cùng với thông tin, các ăng-ten DSN cũng nhận được thông tin chi tiết về vị trí của tàu vũ trụ và trạng thái hoạt động. Ở chiều ngược lại, Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) sử dụng DSN để gửi "lệnh" tới các tàu vũ trụ.

Hệ thống liên lạc sóng vô tuyến

Có các địa điểm DSN gần Canberra (Australia), Madrid (Tây Ban Nha) và Goldstone (Mỹ). Các địa điểm này gần như cách đều nhau trên khắp hành tinh để đảm bảo cơ quan quản lý không bao giờ mất dấu tàu vũ trụ khi Trái Đất quay.

Để đảm bảo hiệu suất hoạt động trong không gian, các tàu vũ trụ và tàu thám hiểm không thể sử dụng các công cụ quá nặng, chiếm quá nhiều diện tích hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng. Vì thế, chúng chỉ sử dụng các ăng-ten nhỏ, truyền tín hiệu vô tuyến yếu về các ăng-ten DSN trên Trái Đất.

Ăng-ten vô tuyến 70 mét ở Canberra, nằm trong hệ thống liên lạc Mạng không gian sâu. Ảnh: CSIRO.

Tàu vũ trụ càng ở xa thì càng cần ăng-ten trên mặt đất lớn để phát hiện tín hiệu yếu mà nó gửi về. Ăng-ten lớn nhất tại mỗi điểm DSN có đường kính 70 mét.

Cũng cần lưu ý việc liên lạc với các tàu vũ trụ không xảy ra tức thì như liên lạc thông thường. Tốc độ truyền sóng vô tuyền bị ràng buộc bởi một giới hạn tốc độ chung, tốc độ ánh sáng, khoảng 300.000 km/s.

Đối với tàu vũ trụ gần Trái Đất, độ trễ liên lạc này hầu như không đáng kể. Tuy nhiên, ở xa Trái Đất hơn, độ trễ có thể trở thành một thách thức. Giả sử một tàu ở Hỏa tinh, cách hành tinh của chúng ta khoảng 55 triệu km, độ trễ sẽ vào khoảng 4 phút. Với các tàu ở xa đến hàng chục tỷ km, độ trễ có thể lên đến 24 phút. Có nghĩa là tàu sẽ cần đợi từ 4-24 phút để tin nhắn đến được bộ phận kiểm soát, và thêm 4-24 phút nữa để nhận được phản hồi.

Bí mật kỹ thuật của các tàu Voyager

Các vật thể ở xa nhất mà DSN giữ liên lạc là 2 tàu vũ trụ Voyager của NASA. Phóng vào năm 1977, Voyager 1 và 2 đã nghiên cứu Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. Bây giờ, Voyager 1 đã ra ngoài Hệ Mặt Trời và khám phá không gian giữa các ngôi sao.

Cơ sở Điều hành Chuyến bay không gian tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở California, nơi nhận và đọc tín hiệu từ các tàu vũ trụ. Ảnh: NASA; JPL Caltech.

Các tàu vũ trụ Voyager sử dụng radio 23 watt, lớn hơn so 3 watt mà một chiếc điện thoại di động thông thường sử dụng, nhưng xét về khoảng cách của tàu đây vẫn là một máy phát tín hiếu công suất cực thấp. Các đài phát thanh lớn trên Trái Đất truyền ở công suất hàng chục nghìn watt, dù vậy tín hiệu vẫn mờ đi nhanh chóng.

Với Voyager, chìa khóa để nhận tín hiệu không phải là sức mạnh của radio, mà là sự kết hợp của 3 yếu tố bao gồm ăng-ten lớn, truyền đúng hướng đến DNS và không bị nhiễu bởi các tín hiệu khác.

So với các tàu vũ trụ khác có ăng-ten từ 2-3 m, cả 2 Voyager có ăng-ten cỡ đại, lên đến 3,7 m. Ăng-ten này hướng thẳng và truyền tín hiệu về một ăng-ten 34 m trên Trái Đất.

Voyager truyền tín hiệu trong dải tần 8 GHz, tần số ít được sử dụng. Do đó, ăng-ten trên Trái Đất có thể sử dụng bộ khuếch đại cực mạnh để đọc tín hiệu từ Voyager mà không lo bị các tín hiệu nhiễu làm lu mờ. Ở chiều tín hiệu đi từ Trái Đất, vì không bị giới hạn năng lượng, DNS sử dụng công suất hàng chục nghìn watt để đảm bảo tàu vũ trụ nhận được các lệnh truyền đi.

Ăng-ten vô tuyến 70 mét ở Goldstone, California. Ảnh: NASA.

Vì Voyager cách Trái Đất hơn 23 tỷ km hay 20 giờ ánh sáng, tín hiệu của tàu tới ăng-ten DSN rất yếu. Năng lượng mà DSN nhận được từ Voyager yếu hơn 20 tỷ lần so với năng lượng cần thiết để chạy một chiếc đồng hồ kỹ thuật số. Dù vậy, nhờ giải tần “vắng” nói trên, các kỹ sư NASA có thể khuếch đại tín hiệu để “nghe thấy” to và rõ ràng.

Các trung tâm tại mỗi khu vực DSN nhận tín hiệu từ tàu gửi về, sau đó chuyển tiếp tín hiệu đến Cơ sở Điều hành Chuyến bay không gian tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở California (Mỹ). Ở đây, các bức ảnh và dữ liệu khác được xử lý và chia sẻ với các nhà khoa học và công chúng.

Hoàng Nam