Kann man auf dem Mond telefonieren und SMS verschicken? Welche Probleme müssen beim Aufbau eines 4G-Netzes auf dem Mond gelöst werden?

Nokia hat erstmals den Prototyp seines ersten 4G-Kommunikationsnetzes, das auf dem Mond eingesetzt werden soll, öffentlich vorgeführt. Dem Plan zufolge will das Unternehmen mithilfe der Rakete von SpaceX bis Ende 2023 ein 4G-Netz für experimentelle Kommunikation auf die Mondoberfläche bringen, mit dem Ziel, den Grundstein für eine bessere Erforschung des Mondes und des Mars durch den Menschen zu legen. Welche Besonderheiten bringt der Aufbau eines 4G-Netzes auf dem Mond mit sich?

Nokias Bell Labs veröffentlichten ein schematisches Diagramm der 4G-Netzwerkkommunikation auf dem Mond

Den Bedarf zukünftiger Mondbasen decken

Im Oktober 2020 gab die NASA eine Partnerschaft mit Nokia bekannt und vergab an das Unternehmen einen Auftrag im Wert von 14,1 Millionen US-Dollar für den Aufbau eines 4G-Mobilfunknetzes, das auf dem Mond genutzt werden kann. Das Lunar 4G Network ist Teil des Critical Point Selection-Projekts der NASA, das darauf abzielt, den Bedarf der NASA für den Bau einer Mondbasis zu decken.

In den 1960er Jahren schickte das Apollo-Programm der NASA erfolgreich Astronauten auf die Mondoberfläche. Mittlerweile sind viele Weltraumsonden für ihre Kommunikation auf das Deep Space Network der NASA angewiesen. Warum also will die NASA immer noch ein 4G-Netzwerk auf dem Mond aufbauen?

Obwohl die Vereinigten Staaten derzeit über 20 Raumsonden im Weltraum im Einsatz haben, sind diese weit voneinander entfernt und es besteht kaum Bedarf an Kommunikation zwischen ihnen.

Im Jahr 2017 kündigten die Vereinigten Staaten ihre Rückkehr zum Mond an, ein Mondlandeplan, der 2020 offiziell „Artemis“ genannt wurde. Die Vereinigten Staaten werden nicht nur groß angelegte Monderkundungsmissionen durchführen, sondern auch eine permanente Mondbasis errichten und zahlreiche Landegeräte, Mondrover und andere Ausrüstung einsetzen.

Diese Mondsonden sind rund um die Mondbasis verteilt und liegen nicht weit voneinander entfernt. Wenn diese Sonden unabhängig mit dem Deep Space Network kommunizieren, erhöht dies nicht nur die Belastung des Deep Space Network, sondern transportiert auch Kommunikationsnutzlasten, die Kontakt mit der Erde aufnehmen können. Die Gesamtarchitektur ist nicht nur unsinnig, sondern auch nicht kommunikationsfördernd. Daher ist es für das Artemis-Programm eine sinnvolle Entscheidung, ein drahtloses Netzwerk aufzubauen und verschiedene Sonden auf der Mondbasis zur Kommunikation mit dem Netzwerk zu verbinden.

Der Ansatz der NASA ist jedoch nicht neu. Auf der Internationalen Raumstation ist seit langem drahtloses WLAN installiert, und auch das Kernmodul und das Versuchsmodul der chinesischen Raumstation Tiangong sind mit WLAN-Systemen ausgestattet, um die Kommunikation der Astronauten in der Kabine zu erleichtern.

Aufgrund der geringen Größe der Raumstation kann das experimentelle WLAN-System mit kurzer Kommunikationsdistanz den Bedarf decken. Allerdings wird die von Menschenhand errichtete Mondbasis der Zukunft sehr groß sein und die Entfernung zwischen den Sonden kann mehrere Kilometer betragen, sodass Fernkommunikationstechnologien wie 4G zum Einsatz kommen müssen.

Manche Leute fragen sich vielleicht, warum nicht einfach das fortschrittlichere 5G nutzen? Obwohl die NASA erst 2020 einen Vertrag mit Nokia unterzeichnete, begann Nokia bereits 2018 mit der Entwicklung eines drahtlosen Mondnetzwerks. Zu diesem Zeitpunkt war das 5G-Netzwerk noch nicht ausgereift genug. Der technische Aufwand und das Risiko, das Mond- und 5G-Netz in einem Schritt aufzubauen, waren zu groß und die Vorteile des 5G-Netzes, wie etwa die große Bandbreite, konnten nicht zum Tragen kommen. Aus Sicherheitsgründen mussten sie sich für die Entwicklung eines 4G-Netzwerks auf dem Mond entscheiden.

Um den Belastungen der Umwelt standzuhalten

Obwohl 5G-Netze in den letzten Jahren im Rampenlicht standen, werden am Boden immer noch hauptsächlich 4G-Netze verwendet. Was ist also der Unterschied zwischen dem 4G-Netzwerk auf dem Mond und dem 4G-Netzwerk, das wir üblicherweise verwenden, und auf welche Probleme müssen wir achten?

Laut einer Erklärung von Nokia sind die Bell Labs des Unternehmens für den Aufbau eines 4G-Netzwerks auf dem Mond verantwortlich. Wenn wir nur die Implementierung des Kommunikationsteils betrachten, verlagert das 4G-Mondnetz tatsächlich das ausgereifte und zuverlässige 4G-Netz auf der Erde auf den Mond. Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen auf der Mondoberfläche und der Herausforderungen beim Start und bei der Landung der Sonde wird das 4G-Netzwerk auf dem Mond jedoch eine ultrakompakte, weltraumgestützte Lösung mit geringem Stromverbrauch sein.

Konkret wird das 4G-Mondnetzwerk von Nokia in die von Intuitive Machines entwickelte kleine Landefähre Nova-C integriert, die eine Reihe von 4G-Basisstationen und 4G-Kommunikationsterminals mit Kernnetzwerkfunktionen umfasst. Nokia sagte, das auf der Mondoberfläche installierte 4G-Netzwerk sei speziell auf die Größen-, Gewichts- und Leistungsbeschränkungen der Nova-C-Landefähre zugeschnitten. Gleichzeitig ist das Kommunikationsnetzwerk auch in der Lage, den harten Bedingungen von Raketenstarts, Erde-Mond-Flügen, Mondlandungen und der Mondoberfläche standzuhalten und kann unter einer Vielzahl extrem rauer Bedingungen stabil arbeiten.

Um auf der Mondoberfläche eingesetzt werden zu können und eine Kommunikationsabdeckung zu gewährleisten, müssen Größe, Gewicht und Stromverbrauch der 4G-Basisstationen auf dem Mond so gering wie möglich gehalten werden. Beispielsweise kann die Nova-C-Landeeinheit nur 100 Kilogramm Nutzlast zur Mondoberfläche transportieren und die bereitgestellte Gesamtleistung beträgt lediglich 200 Watt.

Die 4G-Mondbasisstation auf der Landesonde muss nicht nur der Beschleunigung, den Stößen und Vibrationen beim Raketenstart standhalten, sondern auch dem Test der extremen Temperaturunterschiede im Weltraum standhalten. Da es auf der Mondoberfläche keine Luft gibt, können Wärmeableitungslösungen wie die Luftkühlung von bodengestützten 4G-Basisstationen nicht eingesetzt werden. Daher müssen die 4G-Basisstationen auf dem Mond ein spezielles Strahlungskühlsystem durch Strahlungskühlung integrieren. Wenn man bedenkt, dass die Tagestemperatur auf dem Mond 120 Grad Celsius übersteigt und der Tag etwa einen halben Monat dauert, wird das Kühlsystem der 4G-Basisstationen auf dem Mond dem Hochtemperaturtest auf dem Mond kaum standhalten können, wenn nicht spezielle Materialien verwendet würden.

Kurz gesagt: Wenn das 4G-Netzwerk auf der extrem rauen Mondoberfläche funktionieren soll, muss es ein spezielles Design aufweisen. Daher besteht der größte Unterschied zwischen dem Aufbau des 4G-Netzwerks auf dem Mond und dem 4G-Netzwerk auf der Erde in der Bewältigung der Herausforderungen der Mondumgebung.

Unterstützung der zukünftigen Erforschung des Weltraums

Die 4G-Basisstationstechnologie auf der Erde ist heute bereits sehr ausgereift, doch praktische 4G-Netzwerke auf dem Mond stehen noch immer vor zahlreichen Schwierigkeiten und Herausforderungen. Nokia hat umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie Simulationstests durchgeführt, um das 4G-Mondnetz zu entwickeln. Beispielsweise wurde der Prototyp der Basisstation auf einer Zentrifuge und einem Vibrationstisch platziert, um Beschleunigung und Vibration zu simulieren. Um das Gewicht der Basisstation zu reduzieren, wurden im Filter neue Keramikmaterialien verwendet. Der Temperaturunterschied zwischen der sonnenbeschienenen Seite und der dunklen Seite des Mondes betrug über 100 Grad Celsius und die Antenne der Basisstation wurde zusätzlich speziell verstärkt. Bei der Basisstation wurden nicht nur spezielle Maßnahmen zur Wärmeableitung getroffen, auch die Steuerungssoftware wurde für die Mondumgebung optimiert.

Obwohl der Aufbau eines 4G-Netzwerks auf dem Mond mit zahlreichen Herausforderungen verbunden ist, hat Nokia die Forschung und Entwicklung der 4G-Netzwerktechnologie auf dem Mond im Wesentlichen abgeschlossen und seine Ausrüstung wird Ende dieses Jahres mit der Mission IM-2 zum Mond geschickt. Die Nova-C-Landeeinheit der Mission IM-2 wird in der Nähe des Mount Shackleton am Südpol des Mondes landen. Es transportiert einen Mondrover, der zur Überprüfung des 4G-Netzwerks dient, und wird während des Mondtages Testmissionen des 4G-Netzwerks durchführen.

Dem Plan zufolge soll die Nova-C-Landefähre nach ihrer Landung auf dem Mond den Mondrover freigeben und das 4G-Netzwerk aktivieren, um eine bidirektionale Echtzeitkommunikation zwischen beiden herzustellen. Der Mondrover wird über eine 4G-Netzwerkverbindung Echtzeit-Videodaten an die Basisstation des Landers senden und zunächst die Kurzstreckenkommunikation von hundert Metern testen. Anschließend wird sich der Mondrover schrittweise weiter vorwärtsbewegen und die Distanz vergrößern, um die Fernkommunikation auf zwei bis drei Kilometer zu testen. Nokia sagte, dass die von dem Unternehmen entwickelte 4G-Mondbasisstation die Kommunikation über Entfernungen von bis zu fünf Kilometern unterstützen könne.

Wenn Nokias 4G-Netzwerktest auf dem Mond erfolgreich ist, bedeutet das, dass es möglich ist, kommerziell ausgereifte Standardtechnologien direkt auf den Mond zu übertragen, was für die menschliche Erforschung des Weltraums von großer Bedeutung sein wird.

Darüber hinaus kann das 4G-Mondnetzwerk die Echtzeitkommunikation zwischen Lander, Mondrover, Wohnmodul und Astronauten unterstützen und die Fernsteuerung des Mondrovers und anderer Erkundungsgeräte über Echtzeitvideo ermöglichen.

Der Test des 4G-Mondnetzes wird das Kommunikationssystem für die Mondbasis des Artemis-Programms vollständig vorbereiten. Mit der Entwicklung der Kommunikationstechnologie wird das 4G-Netzwerk des Mondes weiter aufgerüstet bzw. auf ein 5G-Netzwerk aktualisiert, wodurch ein größerer Beitrag zur menschlichen Monderkundung und zu den weiter entfernten wissenschaftlichen Missionen zum Mars geleistet wird. (Autor: Zhang Xuesong)