月で電話をかけたり、テキストメッセージを送信したりできますか?月面に4Gネットワ​​ークを構築するには、どのような問題を解決する必要がありますか?

ノキアは、月面に配備される初の4G通信ネットワークのプロトタイプ機器を初めて公開した。計画によれば、同社は2023年末までにSpaceXのロケットを使用して4Gネットワ​​ークを月面に導入し、実験的な通信を行うことで、人類が月や火星をより良く探査するための基盤を築くことを目指している。では、月面に4Gネットワ​​ークを構築することの特徴は何でしょうか?

ノキアのベル研究所が月面4Gネットワ​​ーク通信の概略図を公開

将来の月面基地のニーズに応える

2020年10月、NASAはノキアとの提携を発表し、月面で使用できる4Gセルラー通信ネットワークを構築するために同社に1,410万ドルの契約を授与した。月面4Gネットワ​​ークは、NASAの月面基地建設のニーズを満たすことを目的としたNASAの重要ポイント選択プロジェクトの一部です。

1960年代、NASAのアポロ計画により宇宙飛行士が月面に送り込まれることに成功しました。現在、通信に NASA の深宇宙ネットワークを利用する深宇宙探査機は数多く存在します。では、なぜNASAは今でも月に4Gネットワ​​ークを構築したいのでしょうか?

現在、米国は宇宙で20機以上の深宇宙探査機を運用しているが、探査機同士は離れており、通信の必要性はほとんどない。

2017年、米国は月への再進出、2020年の月面着陸計画を正式に「アルテミス」と名付けた。米国は大規模な月面探査ミッションを実行するだけでなく、恒久的な月面基地を建設し、多数の着陸船、月面探査車などの機器を配備する予定だ。

これらの月探査機は月面基地の周囲に分散しており、互いにそれほど離れていません。これらの探査機が独自に深宇宙ネットワークと通信すると、深宇宙ネットワークへの負担が増すだけでなく、地球と連絡を取ることができる通信ペイロードも搭載することになります。全体的なアーキテクチャは不合理であるだけでなく、コミュニケーションにも役立ちません。したがって、アルテミス計画にとって合理的な選択は、無線ネットワークを構築し、月面基地のさまざまな探査機をそのネットワークに接続して通信することです。

しかし、NASA のアプローチは新しいものではありません。国際宇宙ステーションには以前から無線WiFiが設置されており、中国の天宮宇宙ステーションのコアモジュールと実験モジュールにも、宇宙飛行士の船内通信を容易にするためのWiFiシステムが搭載されている。

宇宙ステーションのサイズが小さいため、通信距離が短い実験的な WiFi システムでニーズを満たすことができます。しかし、将来人類が建設する月面基地は非常に大規模になり、探査機間の距離は数キロメートルに達することもあるため、4Gなどの長距離通信技術を活用する必要がある。

もっと先進的な 5G をなぜ使わないのかと疑問に思う人もいるかもしれません。 NASAがノキアと契約を結んだのは2020年になってからだが、ノキアは2018年に月面無線ネットワークの開発を開始した。当時、5Gネットワ​​ークはまだ十分に成熟していなかった。月面＋5Gネットワ​​ークを一気に開発するには技術的なスパンとリスクが大きすぎ、5Gネットワ​​ークの大きな帯域幅などの利点を生かすことができなかった。安全のために、彼らは月面4Gネットワ​​ークの開発を選択しなければなりませんでした。

環境のテストに耐えるために

近年、5Gネットワ​​ークが脚光を浴びていますが、地上で使用されているネットワークは依然として4Gが主流です。では、月で利用される4Gネットワ​​ークと私たちが普段使っている4Gネットワ​​ークの違いは何で、どのような点に注意する必要があるのでしょうか。

ノキアの声明によると、同社のベル研究所が月面での4Gネットワ​​ークの構築を担当している。通信部分の実装だけを見ると、月面 4G ネットワークは、実際には地上の成熟した信頼性の高い 4G ネットワークを月面に移行していることになります。しかし、月面の過酷な環境と探査機の打ち上げおよび着陸プロセスの課題により、月面の 4G ネットワークは超小型で、宇宙強化型の低電力ソリューションになります。

具体的には、ノキアの月面4Gネットワ​​ークは、インテュイティブ・マシーンズが開発した小型着陸機「Nova-C」に統合され、これには4G基地局とコアネットワーク機能を備えた4G通信端末のセットが含まれる。ノキア社は、月面に打ち上げられた4Gネットワ​​ークは、ノヴァC着陸船の大きさ、重量、電力の制約を満たすように特別に設計されたと述べた。同時に、通信ネットワークはロケットの打ち上げ、地球・月間飛行、月面着陸、月面の過酷な条件にも耐えることができ、極めて過酷なさまざまな条件下でも安定して動作することができます。

月面上に配備され、通信範囲を提供するために、月面 4G 基地局はサイズ、重量、消費電力を可能な限り削減する必要があります。たとえば、Nova-C着陸船は月面に100キログラムの積荷しか運べず、供給される総電力はわずか200ワットです。

着陸船上の月面4G基地局は、ロケット打ち上げ時の加速、衝撃、振動に耐えるだけでなく、宇宙空間での極端な温度差のテストにも耐えなければなりません。月の表面には空気がないため、地上の4G基地局の空冷などの放熱ソリューションは使用できません。そのため、月面の4G基地局には、放射冷却による特別な放射冷却システムを組み込む必要があります。月面の昼間の気温は120度を超え、昼間の期間は約半月続くことを考えると、月面の4G基地局に特殊な材料を使用しなければ、冷却システムは月面の高温テストに耐えることはほとんどできないだろう。

つまり、月面の 4G ネットワークを極めて過酷な月面で動作させるには、特別な設計を採用する必要があるのです。したがって、月面環境の課題にどのように対処するかが、月面 4G ネットワークの構築と地上 4G ネットワークの構築の最大の違いとなります。

将来の深宇宙探査を支援する

現在、地球上の 4G 基地局技術はすでに非常に成熟していますが、月面上の実用的な 4G ネットワークには依然として多くの困難と課題が残っています。ノキアは月面4Gネットワ​​ークの開発に向け、数多くの研究開発作業とシミュレーションテストを実施してきた。たとえば、プロトタイプのベース ステーションを遠心分離機と振動テーブルの上に置いて、加速と振動をシミュレートしました。基地局の軽量化のため、フィルターに新しいセラミック素材を採用しました。月の太陽が当たる面と暗い面の温度差は100度を超え、基地局のアンテナも特別に強化された。基地局は特別な放熱対策を講じただけでなく、制御ソフトウェアも月面環境に合わせて最適化されました。

月面での4Gネットワ​​ーク構築には多くの課題があるものの、ノキアは月面4Gネットワ​​ーク技術の研究開発を基本的に完了しており、その機器は今年末にIM-2ミッションで月に送られる予定だ。 IM-2ミッションのNova-C着陸船は、月の南極にあるシャクルトン山の近くに着陸する予定です。 4Gネットワ​​ークの検証専用の月面探査車を搭載し、月面で4Gネットワ​​ークのテストミッションを実施する予定。

計画によれば、ノヴァC着陸船は月面に着陸した後、月面探査車を放出し、4Gネットワ​​ークを起動して両者間の双方向リアルタイム通信を確立する。月面探査車は4Gネットワ​​ークリンクを通じて着陸船の基地局にリアルタイムのビデオデータを送信し、まず100メートルの短距離通信をテストする。その後、月面探査車は徐々に移動して距離を伸ばし、2～3キロメートルの長距離通信をテストする。ノキアは、同社が開発した月面4G基地局は最大5キロ離れた場所までの通信をサポートできると述べた。

ノキアの月面4Gネットワ​​ークテストが成功すれば、成熟した市販の技術を月面に直接移植することが可能になり、人類の深宇宙探査にとって大きな意義を持つことになる。

さらに、月面4Gネットワ​​ークは、着陸船、月面車、居住モジュール、宇宙飛行士間のリアルタイム通信をサポートし、リアルタイムビデオを通じて月面車やその他の探査機器の遠隔制御を実現します。

月面4Gネットワ​​ークのテストにより、アルテミス計画の月面基地の通信システムが完全に準備されることになる。通信技術の発展により、月面の4Gネットワ​​ークはさらにアップグレードまたは5Gネットワ​​ークに更新され、人類の月面探査や火星へのより遠い科学的ミッションにさらに貢献することになります。 （著者：張雪松）