ディープ・スペース・ネットワークによって可能になった60年間のムーンショット

NASA のほぼすべての複雑な宇宙ミッションの中心には、目に見えない補給部隊、つまり NASA の「目」とも呼ばれる重要なシステム、ディープ スペース ネットワークがあります。

地球上で最大かつ最も感度の高い通信システムであるディープ スペース ネットワーク (DSN) は、巨大な無線アンテナの国際的配列です。このネットワークは、世界中の 3 つの地上施設で構成されており、それぞれ経度で 120 度 (5,000 マイルから 10,000 マイル) 離れています。1 つはカリフォルニア州バーストー近郊のゴールドストーン、もう 1 つはスペインのマドリード、最後の 1 つはオーストラリアのキャンベラにあります。この強力なネットワークにより、NASA は地球の軌道をはるかに超えて航行する宇宙船と常時通信することができます。

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カリフォルニア州パサデナにあるNASAのジェット推進研究所（JPL）が運営するこのシステムは、1963年に継続的な運用を開始して以来、深宇宙通信において重要な役割を果たしてきました。ネットワークは、初期の頃はアポロ11号の月面着陸ミッションの追跡と通信に重要な役割を果たし、それ以来、NASAの最も歴史的なプロジェクトの数十の成功に貢献してきました。たとえば、DART、ルーシー、ソーラーパーカープローブ、ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡などのミッションからのデータの送受信に役立ちました。2021年現在、DSNは39のミッションを定期的に追跡およびサポートしており、さらに30以上のNASAミッションが開発中です。

ディープ スペース ネットワークの主任エンジニア、ジェフ バーナー氏によると、同ネットワークは今でも NASA のボイジャー探査機を追跡しているという。ボイジャーは 1977 年に打ち上げられ、太陽系のはるか外側を漂い続けている双子の宇宙船である。「宇宙船が遠ざかるほど、宇宙船から受け取る電力は低下します」と同氏は言う。「そのため、宇宙船が遠ざかるほど、信号はますます弱くなるのです。」

ちなみに、月と地球の間でデータの送受信（平均 477,710 マイル）を行うには数秒しかかからないが、同じ信号を火星（往復約 2 億 8,000 万マイル）に送信すると、到着までに 10 分から 20 分かかる可能性がある。ボイジャーのように人類の到達範囲外にある宇宙船の場合、信号の往復光時間（宇宙船に到達して地球に戻ってくるのにかかる時間）は 29 時間以上かかる可能性があるとバーナー氏は言う。さらに、DSN の強力なアンテナのいずれかを使用してあらゆるミッションを追跡できるため、この複雑なリレー ネットワークの容易な柔軟性が、DSN が「真にマルチ ミッション システム」である理由の 1 つであるとバーナー氏は説明する。各複合施設には幅 230 フィートのアンテナと幅 111 フィートのアンテナが多数設置されており、地球の自転に合わせて宇宙船と通信するほか、惑星やブラックホールの研究などの無線科学の実施にも使用される。しかし、このシステムの内部の仕組みを詳しく見ると、NASA の最新のアルテミス計画による月面到達の取り組みにとって、DSN がいかに不可欠なものになるかがわかります。

アルテミス1号を月まで送り返す

先週、NASA のオリオン宇宙船が月に接近し、現在は衛星のすぐ後ろをゆっくりと進みながら、クレーターが点在する月の表面の驚くべき高解像度画像を秘密裏に撮影している。しかし、オリオンが地球の最新のスパイであるならば、DSN は本質的にはミッションコントロールであり、すべての善良なヒーローの耳元で聞こえる声である。

JPL によると、DSN は現在、無人カプセルからの大量の継続的なデータ流入をサポートしており、このプロセスは宇宙船の往路、その間のミッション操作、そして待望の帰還の間中継続される。このプロセスにより、ネットワークが追跡する他の多くのミッションを巧みにサポートしながらも、コマンドの送信とデータの迅速な返信が確実に行われる。アルテミスは当初、NASA の近宇宙ネットワーク (NSN) に依存していた。これはメリーランド州グリーンベルトにある NASA ゴダード宇宙飛行センターが管理する別のリレー通信システムで、地球近傍軌道での政府または商業ミッションに接続できる。しかし、そのアンテナは高データレートをサポートするのに十分なエネルギーを得られず、宇宙船が低地球軌道を超えると地上局へのデータの高速送信もできないことから、DSN はアルテミスが長距離を飛行するのにより適したものとなった。 DSN がなければ、「月で得られるようなデータ速度は得られなかったでしょう」とバーナー氏は言う。つまり、探査機がすでに送信してきた素晴らしい写真や画像は、間違いなく精度が低くなり、よりつまらないものになるだろう。

オリオンが地球に再び着水する直前に、DSN は再び NSN にバトンを渡す予定です。このバトンの引き継ぎは、人類の宇宙探査の新たな章の始まりとなります。宇宙通信および航法プログラムとともに、通信システムは、将来の有人月探査アルテミスの打ち上げの基礎を築くことになります。

未来のための宇宙ネットワーク

NASA のぎっしり詰まったミッションスケジュールに対応するには、60 年近くもの歴史を持つこのネットワークにいくつかのアップグレードが必要になる。「ネットワークに 30 年、40 年も使われてきた機器があり、言うまでもなく、メンテナンスが非常に困難です」と、DSN が 1990 年代初頭にアナログ システムをデジタル化したときからその場にいたバーナー氏は言う。しかし、DSN を最新のテクノロジーで最新の状態にするには「時間と費用がかかります」。

バーナー氏によると、今後数年間でネットワークに数多くの改良が加えられ、新しいミッション、具体的には月を周回し、長期にわたる人類の月面および深宇宙探査を支援する前哨基地である NASA のゲートウェイをサポートする能力が確保されるという。これらの将来のシステムの多くは、以前のミッションよりも高い周波数でより高いデータ レートを使用するため、各 DSN 複合施設のアンテナは、アップリンクとダウンリンク、つまり宇宙船との通信ではるかに高いデータ レートをサポートするようにアップグレードされている。

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しかし、人類が再び月に旗を立てようとしている（今回はより永続的に）中、宇宙船ミッションの成功は、宇宙船をサポートする地上の追跡システムにかかっていることが多いとバーナー氏は指摘する。この概念は、新しい発見を祝う中で忘れ去られ、影に追いやられることもある。結局のところ、遠くまで到達し、大量のデータを必要とする宇宙船の背後には、より遠くまで到達することを可能にする高性能なアンテナの調和があるのだ。

「発見に関する新聞の写真を見ると、地上にネットワークがなかったら、これらのものは何も見えなかっただろう」とバーナー氏は言う。