ماهواره ها چگونه کار می کنند؟
ماهواره ها انقلابی در روش هایی را که ما بواسطه آن به جهان می نگریم و اطلاعات را به سرتاسر آن می فرستیم، ایجاد کرده اند. ماهواره ها همانند آیینه هایی غول آسا در فضا هستند که می توان از آنها جهت انتقال تصاویر تلویزیونی، تماس های تلفنی و اطلاعات اینترنتی از یک نقطه از زمین به نقطه دیگر با سرعت نور استفاده نمود.
به گزارش بیگ بنگ، از ماهواره ها برای درک اطلاعات و نیز ارتباطات استفاده می شود. از برنامه ریزی مانورهای نظامی در زمان جنگ تا کمک به کشتی ها و هواپیماها در جهت یابی اطراف زمین و نیز از پیش بینی وضع هوا تا یافتن ذخایر معدنی، اطلاعات ارسالی از ماهواره های دوردست بسیار با ارزش است. با بیگ بنگ همرا باشید تا نگاهی دقیق تر به ماهواره ها بیاندازیم و دریابیم چگونه کار میکنند.
ماهواره ها چگونه به فضا پرتاب می شوند؟
موشک ها ( و تا سالهای اخیر سفینه های فضایی قابل استفاده مجدد مانند شاتل فضایی) ماهواره ها را به مدارهای بالای زمین پرتاب می کنند. درست همان طور که یک رشته نخ میتواند سنگی چرخان را بالای سر شما به گونه ای نگه دارد که حول یک دایره بچرخد، جاذبه ی زمین نیرویی گریز از مرکزی فراهم می آورد که ماهواره را در مدار نگه می دارد. ژیروسکوپ های تعبیه شده روی ماهواره ها مانع ِ چرخش یا خارج شدن ماهواره ها ماهواره ها از مسیرشان می شوند، در واقع این چرخش های خارج از مسیر به دلیل متغییر بودن میدان مغناطیسی زمین روی می دهد. متناوبا هنگامی که ماهواره ها از وسیله پرتاب کننده رها می شوند برای دستیابی به همان نتیجه شروع به چرخش میکنند. هنگامی که در موقعیت قرار گرفتند با آرایه هایی از پنل های خورشیدی و یا حتی موتورهای الکتریکی مجهز به نیروی هسته ای، تجهیز می شوند.
از زمانی که ماهواره ی اسپوتنیک در چهارم اکتبر ۱۹۵۷ به فضا پرتاب شد هزاران ماهواره ی دیگر در فضا قرار گرفتند. لندست ۷ تصاویر دقیقی از سطح زمین ارائه می دهد که ایالات متحده برای تعیین موقعیت نیروهای عراقی در جنگ خلیج فارس ِ سال ۱۹۹۱ آنرا مورد استفاده قرار داد. اینمارست(INMARSAT) ارتباطات تلفن همراه، فکس و اطلاعات کامپیوتری را برای کشتی ها، هواپیماها و مسافران در گردش فراهم می آورد. ماهواره های اینتل ۱۵ اتصالات ارتباط از راه دور ۱۵۰ کشور در سراسر کره ی زمین را ممکن می سازند.
مدار ماهواره ها
ماهواره ها ۳ نوع مدار را در اطراف زمین دنبال می کنند: مدار زمین مرجع، مدار زمین آهنگ و مدار قطبی. ماهواره های ارتباطی موقعیت یکسانی را بالای نقطه ای ثابت روی استوا به فاصله ی ۳۵۹۰۰ کیلومتری از زمین حفظ میکنند. این یک مدار زمین مرجع است و به مدار زمین آهنگ شباهت دارد که در آن ماهواره ها روزانه یک یا دوبار حول یک نقطه ی معین روی استوا می چرخند. ماهواره های سنجش از راه دور مدار قطبی را دنبال می کنند. اینها به زمین خیلی نزدیکتر هستند(تنها بین ۲۵۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتری ارتفاع زمین) و هر روز از بالای قطب شمال و جنوب عبور میکنند.
ماهواره های ارتباطی چگونه کار میکنند؟
ماهواره های ارتباطی اطلاعات را از فرستنده های زمین دریافت میکنند (اتصال بالایی) و آنرا به پایین برای دریافت گننده ها در جایی دیگر از زمین ارسال می کنند(اتصال پایینی). فرستنده ها و دریافت کننده ها از یکدیگر بسیار متفاوتند. تماس های تلفنی آنسوی قاره ای به وسیله ی آنتن های غول پیکر روی بشقاب های ماهوره ها در دو سوی زمین فرستاده و دریافت می شوند. در سوی دیگر، سیستم های ماهواره ای انتشار دهنده می توانند سیگنال های تلویزیونی را به بشقاب ماهواره روی سقف خانه شما مخابره کنند که اندازه ی آن بزرگتر از صفحه ی نمایش کامپیوتری که شما هم اکنون به آن خیره شده اید، نیستند. در حالیکه یک ماهواره ارتباطی یک سیگنال را بین یک فرستنده و دریافت کننده باز می تاباند (پرتاب کردن به فضا و سپس بازگرداندن به زمین توسط یک اتصال بالایی و یک اتصال پایینی)، ماهواره های انتشار دهنده یک یا چند اتصال بالایی( برای یک یا چند کانال تلویزیونی) و چندین اتصال پایینی( برای ایستگاهای زمینی و یا مشترکین شخصی تلویزیون های ماهواره ای)را شامل می شوند.
درون ماهواره های ارتباطی چیست؟
ماهواره ها تا حد شگفت آوری پیچیده و گران قیمت هستند که تن ها ذره و قطعه های الکترونیکی روی آنها گنجانده شده اند، اما اجازه دهید زیاد درگیر جزییات نشویم: ایده اصلی بسیار ساده است. در این نگاه بیرونی به یک ماهواره نوعی، از امتیاز انحصاری که در سال ۱۹۶۸ توسط هانس زاس یک مهندس آلمانی به ثبت رسیده می توانید همه ی قطعات را مشاهده کنید و دریابید چه کاری انجام می دهند.
اعداد اصلی روی تصویر قرار داده شده و از آنجا که برخی واضح هستند و برخی نسخه ی دیگری از بقیه هستند زحمت نام گذاری همه ی آنها را نخواهم کشید. جالبترین قسمت پنل های خورشیدی تا شونده هستند که قدرت ماهواره را تامین میکنند. آنتن های فرستنده و گیرنده که سینگاهای ارسالی از زمین را جمع آوری کرده و آنها را به زمین بازمیگردانند، و موتورها و حرکت دهنده ایی که ماهواره را همواره دقیقا در مکان درست نگه میدارند:
۴- آنتن بشقابی سهموی بزرگ برای ارسال و دریافت سیگنال(نارنجی)
۵- آنتن بشقابی سهموی کوچک برای ارسال و دریافت سیگنال(نارنجی)
۶- باتری خورشیدی پایینیِ چهار پنل خورشیدی(قرمز)
۷- باتری خوشیدی بالایی چهار پنل خورشیدی دیگر(قرمز)
۸- پشتیبان ها که وقتی ماهواره در مدار است پنل های خورشیدی پایینی را تا میکنند.(طوسی-آبی)
۹- پشتیبان های تا کننده ی پنل های خورشیدی بالایی(طوسی-آبی)
۱۰- موتور موشکی اصلی ماهواره(آبی کمرنگ)
۱۱، ۱۲، ۱۵، ۱۷- موتور های کوچک کنترل کننده که ماهواره را در موقعیت ِ خودش و مدار دقیقش نگه می دارند.(سبز)
انواع ِ دیگر ماهواره ها
از آوریل سال ۱۹۶۰ ماهواره ها مشغول به ارسال عکس به زمین بوده اند، هنگامی که ماهواره ی هواشناسی تیروس ۱ ، برای نخستین بار تصاویری از ابرها که از فضا گرفته شده بود را فرستاد، کاوش برای این نوع تصاویر جذاب تز از همیشه شد. ماهواره ها دو نوع حسگر دارند، حسگرهای غیر فعال که اشعه ها (مانند نور) که از زمین ساتع می شوند را جمع آوری میکنند. در حالیکه حسگرهای فعال پرتوهایی از امواج رادیویی را می تابانند و اطلاعات منعکس شده از سطح زمین را بررسی میکنند. ابزاری به نام نقشه بردار موضوعی اشعه دریافتی را به ۷ نوار تقسیم میکند و هر یک را جداگانه بررسی مینماید. برای مثال نواری که به نور مرعی اختصاص یافته است میتواند به سادگی بین زمین کشت نشده و جنگل انبوه را تشخیص دهد، از این رو برای نقشه برداری کشاورزی مفید است. ماهواره های سنجش از راه دور تا اندازه ای قوی هستند که امروزه میتوانند تصاویری از خانه های مجزا را ارسال کنند-آنگونه که میتوانید با زوم کردن روی گوگل مَپ خیابان خود را نیز مشاهده کنید.
ماهواره تکنولوژی ارتباطی پیشرفته ناسا (ACTS) در سال ۱۹۹۳ به فضا پرتاب شد، این ماهواره جهت آزمودن روش های آتی ماهواره های ارتباطی طراحی شده است. برخلاف ماهواره ی سنتی که روی سطح وسیعی پخش می شوند، ACTS میتواند اطلاعات را در صورت لزوم به مناطقی بسیار کوچکتر بفرستد و این کار را به وسیله پرتوهای نقطه ای انجام می دهد. این اولین ماهواره ایست که تمام اطلاعات دیجیتالی را با همان سرعت ِ فیبر نوری در روی زمین حمل میکند که باعث ارزانتر شدن آن و نیز بهبود یافتن کیفیت مکالمه می شود.
چه کسی ماهواره ها را اختراع کرد؟
ایده ی استفاده از ماهواره ها به عنوان آیینه ای در فضا-برای ارسال سیگنال از یک سوی زمین به طرف دیگر آن- توسط نویسنده داستان های علمی- تخیلی “آرتور سی کلارک” (۱۹۱۷–۲۰۰۸) در سال ۱۹۴۵ مطرح شد. وی دو مقاله ی بسیار تاثیرگذار نوشت که برنامه اش را با جزئیات مشخص میکند(یکی از آن دو منتشر نشد، دیگری با عنوان “رله های فرا زمینی(دستگاه تقویت کننده): آیا ایستگاه های موشکی میتوانند پوشش رادیویی جهانی ارائه دهند؟ در جهان بی سیم، اکتبر ۱۹۴۵)” منتشر شد. طرح پیشنهادی او قرار دادن ۳ ماهواره در یک مدار زمین آهنگ در ۳۵۰۰۰ کیلوتری بالای زمین بود که با فاصله ای مساوی به گونه ای قرار گیرند که هر کدام یک سوم از زمین را پوشش دهند: یکی افریقا و اروپا را تحت پوشش قرار میداد، دیگری چین و آسیا را و سومی به امریکایی ها اختصاص می یافت. گرچه کلارک ماهواره ارتباطی ثابت اختراع نکرد، اما عموما این اختراع به اون نسبت داده می شود. البته پیشگامان فضایی دیگری (به ویژه پیشگام آلمانی دوران جنگ هرمان اوبرت) ایده های مشابهی را سالها قبل مطرح کرده بودند.
یک دهه ی دیگر طول کشید تا نقشه شجاعانه ی کلارک به واقعیت نزدیکتر شود. اول آنکه باید ثابت می شد، ماهواره ها خودشان قابلیت دوام داشتند که این امر با پرتاب کردن ماهواره ی اسپوتنیک ۱ روسی در اکتبر سال ۱۹۵۷ محقق شد. سه سال بعد هنگامی که ماهواره ی ارتباطی اکو پرتاب شد مهندسان موفق شدند نشان دهند که سیگنال های ارتباط راه دور رادیویی می توانست در فضا پخش شده و بازگردند، دقیقا هانگونه که کلارک پیش بینی کرده بود. تا اینکه “استار” اولین ماهواره ی ارتباطی در جولای سال ۱۹۶۲ به فضا پرتاب شد و بلافاصله ارتباطات راه دور آنسوی اقیانوس اطلس را متحول کرد.
در طول اواسط دهه ی ۶۰، ۱۱ کشور دور هم گرد آمدند تا “اینتل ست”(کنسرسیوم بین المللی ارتباطات ماهواره ای) را تشکیل دهند که اولین ماهواه ی ارتباطی تبلیغاتی اینتل ست ۱″سحر خیز” را در مدار زمین آهنگ، در آوریل سال ۱۹۶۵ به فضا پرتاب کردند. این ماهواره ی فضایی کوچک و کم ادعا یک معجزه ی الکترونیکی بسیار کوچک بود که تنها ۴۵ کیلوگرم وزن داشت و میتوانست ۲۴۰ تماس تلفنی همزمان و یا اطلاعات یک شبکه تلوزیونی سیاه و سفید را مخابره کند.
