2035年能在月球刷抖音嗎？組建月球無(wú)線網(wǎng)得先解決這些難題

圖蟲創(chuàng)意

在月球上網(wǎng)沖浪是什么樣的體驗(yàn)？最近，中國(guó)國(guó)家航天局副局長(zhǎng)卞志剛表示，在2035年前后，要建設(shè)月球科研站的基本型。到時(shí)候，科研站將部署無(wú)線網(wǎng)。為什么要在月球搭建無(wú)線網(wǎng)？建成之后，我們可以在地球和在月球的宇航員組隊(duì)打游戲嗎？月球無(wú)線網(wǎng)延遲會(huì)很高嗎？今天我們就來(lái)聊聊月球無(wú)線網(wǎng)。

目前，人類太空探索通信主要依靠無(wú)線電波，通過(guò)中繼衛(wèi)星和地面站網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)指揮、數(shù)據(jù)傳輸和控制。不同的任務(wù)、航天器、軌道位置會(huì)采用不同的通信頻段和協(xié)議，以滿足數(shù)據(jù)量、傳輸距離、延遲和實(shí)時(shí)性等要求。

在進(jìn)行近地軌道任務(wù)時(shí)，一般用S波段（2~4 GHz）和Ku波段（12~18 GHz）的無(wú)線電波進(jìn)行通信。比如國(guó)際空間站在低軌道運(yùn)行時(shí)，就是通過(guò)這兩個(gè)波段的無(wú)線電，分別進(jìn)行控制信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行月球任務(wù)時(shí)，一般用S波段和頻率更高的X波段（8～12 GHz）。在進(jìn)行深空探測(cè)任務(wù)時(shí)，一般用X波段和Ka波段（26.5–40 GHz）。而需要與更遠(yuǎn)距離的深空飛行器通信時(shí)，則會(huì)選擇低頻、穿透力強(qiáng)、穩(wěn)定的 S 波段。

不管選哪個(gè)波段的無(wú)線電進(jìn)行通信，我們獲取深空信息的方式都是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”，每次只能建立單一的通信鏈路。也就是說(shuō)，地球上的地面站，每次只能和深空中的衛(wèi)星、機(jī)器人或者其他設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一的通信。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，目前的深空通信只能“私聊”，不能“群聊”。這種溝通方式暫時(shí)沒有大問題。但是月球科研站建成之后，還只有“私聊”，問題就來(lái)了。

月球科研站建成后，有通信需求的設(shè)備肯定大大增加。比如基地部署的科研儀器、機(jī)器人以及科研人員配備的通信設(shè)備。這些設(shè)備不僅互相需要通信，還可能需要和地球通信。如果繼續(xù)采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的通信方式的話，可能會(huì)導(dǎo)致通信資源嚴(yán)重不足，設(shè)備之間的通信爭(zhēng)用資源時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖突和延遲。

由于缺乏實(shí)時(shí)互聯(lián)，設(shè)備之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，需要先傳回地面，再由地面?zhèn)鹘o另一臺(tái)設(shè)備。目前地月之間存在約2.5秒的信號(hào)延遲（注：地球和月球之間的信號(hào)往返需要約為2.5秒），如果所有數(shù)據(jù)和指令都需要傳回地球處理，會(huì)非常影響任務(wù)的效率。

所以，搭建月球無(wú)線網(wǎng)，非常有必要。

問題是，怎么搭？

我們?cè)诘厍蛏洗罱o(wú)線網(wǎng)那一套可不能直接搬到月球。為啥？因?yàn)榈厍蚝驮虑颦h(huán)境差異太大了。就好像，如果把在北方，在屋里可以穿短袖過(guò)冬的那一套，搬到南方，可能腦子都會(huì)凍壞。

在月球搭建無(wú)線網(wǎng)一樣的道理。

在搭建之前，得解決物理環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)。首先是極端溫差。

和地球不同，月球表面晝夜溫差非常大。白天，月表溫度可超過(guò) 100℃。晚上，月表溫度可降到零下180℃，甚至更低。這種極端環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的穩(wěn)定性、散熱能力、材料的耐溫性都提出了極高的要求。咱平時(shí)使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在這種環(huán)境下要么熱化、要么凍得一碰就碎，根本沒法用。所以在搭建月球無(wú)線網(wǎng)之前，得先使這些硬件設(shè)備能像咱的嫦娥探測(cè)器一樣，適應(yīng)極端的溫度變化。

其次是高真空。

雖然月球存在微量的大氣，但密度非常低，約等于真空。也就是說(shuō)，月球上沒有空氣對(duì)流，設(shè)備只能通過(guò)輻射的方式散熱，如果用傳統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，設(shè)備容易過(guò)熱。

高真空環(huán)境容易產(chǎn)生靜電，靜電積累可能引發(fā)電氣放電,干擾甚至損壞敏感電子設(shè)備，如無(wú)線發(fā)射器、接收器和其他通信元件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或中斷。

靜電放電還可能干擾信號(hào)或損壞數(shù)據(jù)。尤其在高頻通信中，靜電干擾會(huì)引起信號(hào)波動(dòng)和數(shù)據(jù)丟失，影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和穩(wěn)定性。

此外，靜電效應(yīng)還會(huì)使設(shè)備更容易吸灰，進(jìn)一步加重設(shè)備散熱的負(fù)擔(dān)。

高真空還會(huì)帶一個(gè)我們?cè)诘厍蛞矔?huì)遇到的一個(gè)問題：信號(hào)不好。在地球，空氣中的分子和電離層可以反射、折射和散射無(wú)線電波，使信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)，尤其是低頻信號(hào)。而高真空的月球沒有這些反射層，導(dǎo)致無(wú)線電波更容易直線傳播，無(wú)法利用折射和散射延長(zhǎng)傳播距離。因此，在月球，無(wú)線電波很容易衰減，導(dǎo)致通信距離變短，信號(hào)強(qiáng)度下降和噪聲比增大。

然后就是高輻射。

剛剛提到的這些都是“小影響”，畢竟設(shè)備還能用，只是效果會(huì)變差。但高輻射可就沒這么溫柔了，直接對(duì)設(shè)備“貼臉開大”。

由于沒有大氣保護(hù)，月球表面的輻射水平大約是地球表面的200倍。月球表面的平均輻射水平大約為每日0.3毫希沃特（mSv/day），相比之下，地球表面的背景輻射一般為約每日0.0015毫希沃特。什么概念呢？拍一次 X 光的輻射劑量大約是0.1毫希沃特。

如果不做特殊保護(hù)的話，暴露在高輻射環(huán)境下的電子設(shè)備更容易受“單粒子效應(yīng)”影響。單個(gè)高能粒子在通過(guò)設(shè)備的半導(dǎo)體元件時(shí)產(chǎn)生電荷擾動(dòng)，導(dǎo)致瞬時(shí)錯(cuò)誤或元件損壞。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，高輻射很容易讓電子設(shè)備“暴斃”。

此外，輻射還能影響數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確性，引發(fā)信號(hào)衰減和誤碼。長(zhǎng)時(shí)間輻射還會(huì)加速材料的老化，導(dǎo)致開裂、退化、脆化，影響設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度和密封性。

解決惡劣環(huán)境帶來(lái)的考驗(yàn)之后，還得考慮能源問題。在月球上，探測(cè)器目前主要依靠太陽(yáng)能電池板獲取能源，而月球晝夜交替周期約29.5天，極夜期間太陽(yáng)能電池板無(wú)法工作，所以開發(fā)新型能源存儲(chǔ)技術(shù)很關(guān)鍵。

除此之外，在月球搭建無(wú)線網(wǎng)還需要考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上要有冗余設(shè)計(jì)，以防單一節(jié)點(diǎn)或設(shè)備故障導(dǎo)致通信中斷。在地球上網(wǎng)絡(luò)出問題了，一個(gè)電話就可以搞定。在月球，可是真正的叫天天不應(yīng)，叫地地不靈。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，月球無(wú)線網(wǎng)和地球無(wú)線網(wǎng)除了名字外，幾乎哪哪都不一樣。

假如，上面提到的挑戰(zhàn)和難題，我們都克服了，成功搭建了月球無(wú)線網(wǎng)，那在月球上網(wǎng)和在空間站上網(wǎng)有啥不同？

最大的區(qū)別是在空間站上網(wǎng)速度更快，而月球上網(wǎng)你會(huì)感到有明顯延遲。主要原因是距離?？臻g站和地球的距離約 400 公里，可以通過(guò)中繼衛(wèi)星或直接接入通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后再由地面站接入互聯(lián)網(wǎng)。目前咱的天宮空間站下載網(wǎng)速可達(dá)150 MB/s，相當(dāng)于 5G 網(wǎng)絡(luò)。

而在月球，速度就明顯慢了下來(lái)。2009 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的月球勘測(cè)軌道飛行器最大下行速度為12.5 MB/s。

因?yàn)樵谠虑颍教靻T要和地球進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不能走空間站那一套，也就是設(shè)備直接接入通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，然后和地面站建立聯(lián)系，再接入互聯(lián)網(wǎng)。因?yàn)榈卦轮g的平均距離約為38萬(wàn)公里，遠(yuǎn)超地球同步軌道的高度（約3.6萬(wàn)公里），現(xiàn)在的通信衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)無(wú)法支持這么遠(yuǎn)的直接通信。月球和地球之間必須有一個(gè)“傳話員”——中繼衛(wèi)星。所以，月球無(wú)線網(wǎng)建成后，你想發(fā)一張自拍，數(shù)據(jù)大概要經(jīng)過(guò)這些關(guān)卡：用戶終端 → 月球基站 → 中繼衛(wèi)星 → 深空網(wǎng)絡(luò)地面站 → 互聯(lián)網(wǎng)。即使設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸零延遲，這一路走完，再反饋到你手機(jī)上，至少要花 2.5 秒，所以說(shuō)，你想在月球和朋友開黑，秀操作，大概會(huì)輸?shù)煤軕K。

盡管月球無(wú)線網(wǎng)面臨著種種挑戰(zhàn)，但這些技術(shù)難題并非不可逾越。攻克這些技術(shù)壁壘不僅能促進(jìn)月球科研站的建設(shè)，還能為人類在火星等更遙遠(yuǎn)星球建立通信網(wǎng)絡(luò)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

相信在不久的將來(lái)，也許你會(huì)收到朋友發(fā)來(lái)的微信：“今天月球無(wú)線網(wǎng)信號(hào)特別好，剛和家人視頻了一會(huì)兒。窗外的地球真美，你什么時(shí)候也來(lái)月球做客？”

讓我們一起期待科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)吧。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：零一

審核：韓蕾 通信高級(jí)工程師

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司