von Christopher Gordon De Pree, Christopher R. Anderson und Mariya Zheleva, Die Unterhaltung
Sichtbares Licht ist nur ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, mit dem Astronomen das Universum untersuchen. Das James-Webb-Weltraumteleskop wurde gebaut, um Infrarotlicht zu sehen, andere Weltraumteleskope nehmen Röntgenbilder aufund Observatorien wie die Green-Bank-TeleskopDie Sehr großes ArrayDie Atacama Large Millimeter Array und Dutzende anderer Observatorien auf der ganzen Welt arbeiten mit Radiowellenlängen.
Radioteleskope stehen vor einem Problem. Alle Satelliten, unabhängig von ihrer Funktion, verwenden Funkwellen, um Informationen an die Erdoberfläche zu übertragen. So wie Lichtverschmutzung einen sternenklaren Nachthimmel verbergen kann, können Radioübertragungen die Radiowellen überschwemmen, die Astronomen verwenden, um etwas über Schwarze Löcher, sich neu bildende Sterne und die Entwicklung von Galaxien zu erfahren.
Wir sind drei Wissenschaftler, die in arbeiten Astronomie Und kabellos Technologie. Mit Zehntausenden von Satelliten, die in den kommenden Jahren voraussichtlich in den Orbit gehen werden, und einer zunehmenden Nutzung am Boden wird das Funkspektrum überfüllt. Funkruhezonen – Regionen, die sich normalerweise in abgelegenen Gebieten befinden, in denen bodengestützte Funkübertragungen eingeschränkt oder verboten sind – haben die Radioastronomie in der Vergangenheit geschützt.
Da das Problem der Funkverschmutzung weiter zunimmt, müssen Wissenschaftler, Ingenieure und politische Entscheidungsträger herausfinden, wie jeder die begrenzte Reichweite von Funkfrequenzen effektiv nutzen kann. Eine Lösung, an der wir in den letzten Jahren gearbeitet haben, besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, in der Astronomen und Ingenieure zusammenkommen neue Technologien testen können um zu verhindern, dass Funkstörungen den Nachthimmel blockieren.
Astronomie mit Radiowellen
Radiowellen sind die Emissionen mit der längsten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum, was bedeutet, dass der Abstand zwischen zwei Spitzen der Welle relativ weit auseinander liegt. Radioteleskope sammeln Radiowellen in Wellenlängen von Millimetern bis zu Meterwellenlängen.
Auch wenn Sie mit Radioteleskopen nicht vertraut sind, haben Sie wahrscheinlich schon von einigen ihrer Forschungen gehört. Das Phantastische erste Bilder von Akkretionsscheiben um schwarze Löcher wurden beide von der produziert Event-Horizon-Teleskop. Dieses Teleskop ist ein globales Netzwerk von acht Radioteleskopen, und jedes der einzelnen Teleskope, aus denen das Event Horizon Telescope besteht, befindet sich an einem Ort mit sehr geringer Funkfrequenzstörung: einer Funkruhezone.
Eine Funkruhezone ist eine Region, in der bodengestützte Sender wie Mobilfunkmasten ihre Leistung senken müssen, um empfindliche Funkgeräte nicht zu beeinträchtigen. Die USA haben zwei solcher Zonen. Der größte ist der Nationale Funkruhezone, das 13.000 Quadratmeilen (34.000 Quadratkilometer) umfasst, hauptsächlich in West Virginia und Virginia. Es enthält die Observatorium der Grünen Bank. Das andere, die Table Mountain Field Site und die Radio Quiet Zonein Colorado, unterstützt die Forschung einer Reihe von Bundesbehörden.
In ähnlichen Funkruhezonen befinden sich Teleskope Australien, Südafrika Und China.
Ein Satellitenboom
Am 4. Oktober 1957 brachte die Sowjetunion Sputnik in den Orbit. Als der kleine Satellit die Erde umkreiste, konnten Funkamateure auf der ganzen Welt dies tun Funksignale aufnehmen es strahlte zurück zur Erde. Seit diesem historischen Flug sind drahtlose Signale Teil fast aller Aspekte des modernen Lebens geworden – von der Flugzeugnavigation bis hin zu Wi-Fi – und die Zahl der Satelliten ist exponentiell gewachsen.
Je mehr Funkübertragungen es gibt, desto schwieriger wird es, damit umzugehen Störungen in Funkruhezonen. Bestehende Gesetze schützen diese Zonen nicht vor Satellitensendern, die verheerende Auswirkungen haben können. In einem Beispiel Übertragungen von einem Iridium-Satelliten vollständig verdeckt die Beobachtungen eines schwachen Sterns, die in einem geschützten Band gemacht wurden, das der Radioastronomie zugeordnet ist.
Satelliteninternetnetzwerke wie Starlink, OneWeb und andere werden schließlich jeden Ort auf der Erde überfliegen und Funkwellen an die Oberfläche senden. Wirklich ruhig wird es für die Radioastronomie bald an keinem Ort mehr sein.
Große Satellitenkonstellationen wie die von Starlink können in Reihen über den Nachthimmel marschieren und sowohl der sichtbaren als auch der Radioastronomie schaden.
Störungen am Himmel und am Boden
Der Das Problem der Funkstörungen ist nicht neu.
In den 1980er Jahren der Russe Globales Navigationssatellitensystem— im Wesentlichen die GPS-Version der Sowjetunion —begann auf einer Frequenz zu senden das war offiziell geschützt Radioastronomie. Forscher eine Reihe von Korrekturen empfohlen für diesen Eingriff. Als die Betreiber des russischen Navigationssystems zustimmten, die Sendefrequenz der Satelliten zu ändern, viel Schaden aufgrund fehlender Tests und Kommunikation bereits durchgeführt worden war.
Viele Satelliten blicken auf die Erde und verwenden Teile des Funkspektrums, um Eigenschaften wie zu überwachen Oberflächenfeuchtigkeit des Bodens die für die Wettervorhersage und Klimaforschung wichtig sind. Die Frequenzen, auf die sie sich verlassen, sind unter geschützt Internationale Vereinbarungen sondern sind auch durch Funkstörungen gefährdet.
Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass ein großer Teil der Bodenfeuchtigkeitsmessungen der NASA Störungen erfahren aus bodengestützten Radarsystemen und Unterhaltungselektronik. Es gibt Systeme, um Überwachung und Rechenschaft für die Störungaber die Vermeidung des Problems durch internationale Kommunikation und Prelaunch-Tests wäre eine bessere Option für die Astronomie.
Lösungen für ein überfülltes Funkspektrum
Da das Funkspektrum weiterhin an überfüllter werden, Benutzer müssen teilen. Dies könnte das Teilen in Zeit, Raum oder Frequenz beinhalten. Unabhängig von den Besonderheiten müssen Lösungen in einer kontrollierten Umgebung getestet werden. Es gibt erste Anzeichen für eine Zusammenarbeit. Die National Science Foundation und SpaceX haben kürzlich eine angekündigt Astronomie-Koordinierungsvereinbarung der Radioastronomie zugute kommen.
In Zusammenarbeit mit Astronomen, Ingenieuren, Software- und Drahtlosspezialisten und mit Unterstützung der National Science Foundation waren wir dabei eine Reihe von Workshops leiten zu entwickeln, was eine nationale dynamische Funkzone bieten könnte. Diese Zone würde bestehenden Funkruhezonen ähneln und ein großes Gebiet mit Einschränkungen für Funkübertragungen in der Nähe abdecken. Im Gegensatz zu einer Ruhezone wäre die Einrichtung mit empfindlichen Spektrummonitoren ausgestattet, die es Astronomen, Satellitenunternehmen und Technologieentwicklern ermöglichen würden, Empfänger und Sender gemeinsam in großem Maßstab zu testen. Ziel wäre es, kreative und kooperative Nutzungen des Funkspektrums zu unterstützen. Zum Beispiel könnte eine Zone, die in der Nähe eines Radioteleskops eingerichtet wird, Schemata testen, um einen breiteren Bandbreitenzugang sowohl für aktive Anwendungen wie Mobilfunkmasten als auch für passive Anwendungen wie Radioteleskope bereitzustellen.
Für ein neues Papier, das unser Team gerade veröffentlicht hatsprachen wir mit Nutzern und Regulierungsbehörden des Funkspektrums, von Radioastronomen bis hin zu Satellitenbetreibern. Wir stellten fest, dass sich die meisten einig waren, dass eine dynamische Funkzone dazu beitragen könnte, viele kritische Interferenzprobleme in den kommenden Jahrzehnten zu lösen und möglicherweise zu vermeiden.
Eine solche Zone existiert noch nicht, aber unser Team und viele Menschen in den USA arbeiten daran, das Konzept zu verfeinern, damit Radioastronomie, Erdbeobachtungssatelliten und staatliche und kommerzielle drahtlose Systeme Wege finden können, die kostbare natürliche Ressource zu teilen das Funkspektrum.
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