Ở xa Trái đất 23 tỷ km, tàu vũ trụ liên lạc với chúng ta như thế nào

Các tàu vũ trụ liên lạc qua lại với Trái Đất bằng 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.

Các ăng-ten DSN nhận thông tin, hình ảnh, chi tiết về vị trí và trạng thái hoạt động do tàu vũ trụ gửi về Trái đất. DSN cũng được cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) sử dụng để gửi "lệnh" tới các tàu vũ trụ.

Hệ thống liên lạc sóng vô tuyến

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

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

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

Tốc độ truyền sóng vô tuyến bị ràng buộc bởi một giới hạn tốc độ chung, tốc độ ánh sáng, khoảng 300.000 km/s nên việc liên lạc với các tàu vũ trụ không xảy ra tức thì như liên lạc thông thường. Tàu vũ trụ càng ở xa thì độ trễ càng lớn.

Giả sử, nếu một tàu vũ trụ ở sao Hỏa, cách chúng ta khoảng 55 triệu km, độ trễ sẽ vào khoảng 4 phút. Với khoảng cách hàng chục tỷ km, độ trễ có thể lên đến 24 phút.

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 được phóng vào năm 1977. Hiện Voyager 1 đã ra ngoài Hệ Mặt Trời.

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

Voyager truyền tín hiệu trong dải tần 8 GHz để ăng-ten trên Trái Đất có thể sử dụng bộ khuếch đại cực mạnh đọc tín hiệu tàu truyền về mà không lo bị các tín hiệu nhiễu làm lu mờ. Còn ở Trái đất, DNS sử dụng công suất hàng chục nghìn watt để truyền lệnh đi do không bị giới hạn năng lượng.

Voyager cách Trái Đất hơn 23 tỷ km hay 20 giờ ánh sáng nên tín hiệu tàu truyền về ăng-ten DSN rất yếu. Voyager truyền về mức năng lượng yếu hơn 20 tỷ lần so với năng lượng cần thiết để chạy một chiếc đồng hồ kỹ thuật số. Dù vậy, các nhà khoa học tại NASA vẫn 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 đến Cơ sở Điều hành Chuyến bay không gian tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở California (Mỹ). Các nhà khoa học sẽ xử lý các bức ảnh và dữ liệu đó và chia sẻ với thế giới.