לידתה של התקשורת הלוויינית

לידתה של התקשורת הלוויינית

גרסה מעט קצרה יותר של הפוסט הזה, ועם פחות אנימציות, נכתבה עבור מכון דוידסון (הזרוע החינוכית של מכון ויצמן). ניתן למצוא אותה פה.

ויש גם כתבת המשך –  ״עתיד התקשורת הלוויינית״.

חזון

החודש לפני 75 שנה, באוקטובר 1945, פירסם סופר המדע-הבדיוני ארתור סי קלארק את המאמר המכונן: ״האם תחנות טילים יכולות לספק כיסוי רדיו עולמי״. המאמר, עיבוד של גרסה קודמת שכתב קלארק חצי שנה לפני כן עבור חבריו ל״אגודה הבין פלנטרית״, פורסם במגזין הפופולרי “Wireless World״ והציג חזון עתידני נדיר. הוא הציע למשל שכיסוי תקשורתי גלובלי באמצעות ״תחנות טילים״ יספק שירותי ניווט ותקשורת ״למטוסים הגדולים שבקרוב יטוסו לכל מקום״, וחודשיים בלבד אחרי פצצת האטום בהירושימה שהיכתה את העולם בתדהמה כתב כבר על ״טילים מונעים באנרגיה אטומית״.

קשה להעריך מתוך העולם של היום עד כמה דמיוניות נשמעו אז הטכנולוגיות שהוצעו במאמר. אפילו לא הומצאה אז עדיין מילה לתיאור חפץ מלאכותי במסלול סביב כדור הארץ, ומכאן ״תחנות הטילים״ שבכותרת. למעשה, קלארק הציע פתרון לאחד מהאתגרים הגדולים של תקופתו: כיסוי תקשורתי עולמי.

שלושה לוויינים גיאוסטציונריים מספקים כיסוי תקשורתי מלא לכל העולם.
מתוך המאמר של קלארק ב Wireless World, אוקטובר 1945.

האתגר: תקשורת בין כל שתי נקודות בעולם

כילד נמשך קלארק לקריאת מדע בדיוני, תחום בו יתמחה ויתפרסם בעתיד, אבל השירות הצבאי זימן לו מפגש עם טכנולוגיות מסעירות גם בעולם האמיתי. במלחמת העולם שירת קלארק כקצין בריטי ביחידת הרדאר (RADAR – RAdio Detection And Ranging) שהשתמשה בגלי רדיו לגילוי וטיווח עצמים גם כשאינם נראים. למשל ספינות ומטוסי אויב בתנאי ערפל או עננות.

אחד משימושי הרדאר היה לעקוב אחרי מסלוליהן של רקטות ה-V2 האימתניות (הטיל הבליסטי המונחה הראשון) ששוגרו באלפיהן מגרמניה ללונדון. בגלל מהירותן העצומה (כמעט 6,000 קמ״ש) לא היתה למפעילי הרדאר יכולת לתת התראה לאזרחים, אבל גלי הרדיו איפשרו לשרטט את מסלולן וכך לחשב את מיקום אתר השיגור ולהעבירו לחיל האוויר לצורך תקיפה.

רקטת V2, איור מאת Eberhard Marx

גלי הרדיו היו פלא של ממש אז, ולא רק בתחום הרדאר. טכנולוגיית הרדיו זיכתה את מפתחיה בפרס נובל עוד ב 1909, ואפילו בהילת גיבורים כאשר ב 1912 ה״טלגרף האלחוטי״ החדשני שהותקן על ספינות הצי הבריטי הציל את חייהם של כ 700 מנוסעי הטיטאניק: הרדיו איפשר להזעיק עזרה מספינות באזור, בעוד שאמצעי התקשורת הקודמים (דגלי איתות והבהובי אור) חייבו קו ראיה.

אך תקשורת רדיו בגלים קצרים לא הייתה אפשרית לטווחים ארוכים ללא תחנות ממסר להגברת האות. הקמת כמות מספקת של תחנות ממסר לא נשמעה ריאלית, וממילא לא היתה מכסה אזורים נידחים, אוקיאנוסים ומרחב אווירי. קלארק הרהר באפשרות לקבע תחנות ממסר בשמיים, באמצעות טילים. מכל נקודה על כדור הארץ יהיה אז קו ראיה, ולכן תקשורת רדיו, אליהן וביניהן.

מאחר והוא היה מצוי הן במדע והן במדע הבדיוני, קלארק ידע שעל כל אחד מהאתגרים הגדולים בדרך להגשמת החזון כבר נתן את הדעת אחד מגאוני העבר:

• ניוטון הראה מה נדרש כדי לשגר עצמים למסלול סביב כדור הארץ,
• ציולקובסקי הראה איך למקם עצם (כגון לוויין) כך שיהיה תמיד בנקודה קבועה בשמים,
• ופוטוצ׳ניק פיתח את השימוש בעצם לווייני כזה לתקשורת, וחשב על מקור אנרגיה אפשרי לפעולתו.

ניוטון משגר כדורי תותח לחלל

כחובב פיזיקה ידע קלארק שכבר ב 1728 הציע סר אייזק ניוטון ניסוי מחשבתי אודות כדור תותח הנורה במקביל לאדמה מראש הר גבוה.

ניוטון חישב לאיזה מרחק יגיע כדור הנורה במהירויות שונות, בהזנחת התנגדות האוויר ובהנחה שהוא לא פוגש בדרכו גבעה, עץ או או ראש חסר מזל. ככל שמהירות הכדור גבוהה יותר, כך הוא יגיע רחוק יותר לפני שכוח הכבידה יעקם את מסלולו מספיק כדי להפגיש אותו עם הקרקע.

שיגור במהירות של 6 ק״מ לשניה

מהחישובים עלה שכשהמהירות גבוהה מ 10 ק״מ לשניה כוח הכבידה לא חזק מספיק, הכדור יחמיץ את האדמה לחלוטין וימשיך להתרחק אל החלל והלאה.

שיגור במהירות של 10 ק״מ לשניה

ובמהירות של כ 8 ק״מ לשניה, מצד אחד הכדור לא יהיה מהיר מספיק בכדי להתרחק לחלל, אך מאידך גם לא איטי מספיק בכדי ליפול לאדמה. ב״מהירות היקפית״ זו הוא ייכנס למסלול מעגלי, נפילה מתמדת שלא מפסיקה להחמיץ את האדמה (כאשר יש גם מהירויות ביניים שגוררות מסלולים אליפטיים).

שיגור במהירות היקפית

קלארק ידע שרקטות ה V2 הגרמניות הגיעו למהירות של ק״מ אחד לשניה בלבד, רחוק מלהספיק להכנסת לוויין למסלול לפי חישובי ניוטון. אך הוא ידע גם שלגרמנים טילים טרנס-אטלנטיים מהירים פי שלוש בשלבי פיתוח, ושבאופן כללי תשוקתם של בני האדם להרוג אלה את אלה בדרכים משוכללות מצעידה את טכנולוגיית הטילים קדימה בצעדי ענק.

בעיית ההגעה למסלול נראתה אם כן בהישג יד, אך מה בדבר הצבת תחנת ממסר בנקודה קבועה בשמיים? איך ייתכן שלוויין יישאר בנקודה אחת בלי ליפול לאדמה? ומנין יקבל אנרגיה להמשיך לפעול, להגביר את האותות ולשדר אותם?

איך להישאר בנקודה אחת בשמים

ככל שעצם קרוב יותר לכדור הארץ כוח המשיכה הפועל עליו חזק יותר, וכדי לשמור על מסלול היקפי מהירותו צריכה בהתאם להיות גבוהה יותר. הלוויינים הנמוכים ביותר כיום, בגובה של כ 200 ק״מ, חייבים לנוע במהירות של 28,000 קמ״ש ומשלימים הקפה סביב כדור הארץ כל 90 דקות. לעומתם לוויינים בגובה 60,000 ק״מ למשל, משייטים ב 9,000 קמ״ש בלבד ומשלימים הקפה פעם ב 47 שעות (בהנחה של מסלול מעגלי).

אם ככל שמגביהים המהירות יורדת וזמן ההקפה מתארך, הרי שקיים גובה בו זמן ההקפה של הלוויין שווה במדויק לזמן ההקפה של כדור הארץ סביב צירו (כ-23.9 שעות). לוויין בגובה כזה הנע מעל קו המשווה לכיוון מזרח מסתובב בתיאום מלא עם כדור הארץ, הסובב גם הוא ממערב למזרח. מנקודת המבט של מי שנמצא על האדמה, הלוויין ייראה תמיד באותה הנקודה בשמיים ועל כן מסלול כזה ייקרא גיאוסטציונרי (גיאו – אדמה, סטציונרי – קבוע).

הדגמה של שני לוויינים גיאוסטציונרים

בתחילת המאה ה-20 תכנן מדען הטילים הרוסי קונסטנטין ציולקובסקי ״מגדל לחלל״ שקצהו יגיע לנקודה גיאוסטציונרית שכזו, ולצורך כך חישב שנקודה בגובה 35,785 ק״מ תשלים בדיוק הקפה אחת ביום. תכנית המגדל השאפתנית נגנזה כשהסתבר שאין חומר חזק דיו בכדי לאפשר בניית מגדל בגובה של עשרות אלפי קילומטרים, ונדרש מוח מבריק נוסף לביצוע הצעד הבא בהרפתקה הגיאוסטציונרית.

חולה שחפת בתחנת החלל

להרמן פוטוצ׳ניק הייתה קריירה מבטיחה כקצין ומהנדס בצבא האוסטרי. מ 1910 הוא שימש כקצין טכני בחיל ההנדסה האוסטרי והתמחה בבניית רכבות וגשרים. לרוע מזלו לקראת סוף מלחמת העולם הראשונה הוא נדבק בשחפת, שהייתה אז מחלה כרונית וחשוכת מרפא, ושוחרר מהצבא בגיל 26. את 10 השנים שנותרו לו לחיות הוא הקדיש למה שהאמין שהוא עתיד המין האנושי: כיבוש החלל.

בשנת 1928, חודשים ספורים לפני מותו הוא הוציא את יצירת המופת שלו, הספר ״Das Problem der Befahrung des Weltraums״ (״בעיית המסע לחלל״), כ-200 עמודים ומעל 100 איורים מעשה ידיו בהם ניסה להתמודד עם כל בעיה אפשרית שהעלה בדעתו בדרך לכיבוש החלל, הירח, כוכבי לכת ואפילו מסע בין-כוכבי לאלפא קנטאורי. נסיונותיו לממש את כל זה בעזרת הטכנולוגיה שעמדה לרשותו ב 1928 נפלאים ממש, ושווה לעיין ביצירת המופת הזו שתורגמה לאנגלית והועלתה לרשת על ידי נאסא.

לעיתים זה היה מעט נאיבי, כמעט כמו ספר ילדים. למשל כשניסה לפתור את בעיית הכתיבה באפס כוח משיכה, על ידי מיקום האסטרונאוט בחדר מרופד מכל צדדיו כאשר הוא מחובר בחגורות לכיסא ושולחן סטנדרטיים למדי.

אך ברוב הספר היו נסיונות, חלקם גאוניים, לפתור באמצעות הטכנולוגיה הקיימת בעיות אמיתיות כמו למשל שאלת מקור האנרגיה לפרוייקטים בחלל. באיור מימין, למשל, תכנון מנוע (למצפה כוכבים לווייני) המבוסס על אנרגיה סולארית. מאחר ויחלפו עוד 26 שנה עד לפיתוח התא הפוטו-וולטאי הראשון, קרינת השמש מרוכזת על ידי מראה פרבולית גדולה למיכל מים לצורך הרתחתם. לוויין המונע על ידי קיטור! Steampunk של ממש.

מימין: גנרטור קיטור סולארי למצפה חלל. משמאל: השערתו המדויקת להפליא של פוטוצ׳ניק אודות התנהגות מים באפס כבידה. כל האיורים מתוך תרגום חלקי שפורסם ב 3 המשכים במגזין Science Wonder ב 1929 – [1], [2] ו [3] – קריאה מומלצת!

מרכיב מרכזי בתכניתיו של פוטוצ׳ניק הייתה תחנת חלל, כקרש קפיצה ותחנת תדלוק למסעות הבין כוכביים. פוטוצ׳ניק השכיל להבין וליישם את חישובי ציולקובסקי, ומיקם את התחנה במסלול גיאוסטציונרי מעל מרכז הפיקוד שעל כדור הארץ כדי לאפשר קשר רדיו רציף. הדבר היווה השראה ישירה עבור קלארק.

מעניין לציין שהתחנה תוכננה להסתובב במהירות סביב עצמה, כאשר חברי הצוות גרים בהיקף הפנימי של הגלגל המסתובב והכוח הצנטריפוגלי מדמה את כוח המשיכה. רעיון שיועתק מאוחר יותר (בין השאר) על ידי סטנלי קיובריק לסרט ״אודיסיאה בחלל 2001״ שנעשה על פי ספר של אותו ארתור סי קלארק.

תחנת החלל של פוטוצ׳ניק – “The Rotary House in Space״ (״הבית המסתובב בחלל״)

עבודתו של פוטוצ׳ניק לא מתה איתו. בשנת 1942 סופר המדע הבדיוני האמריקאי ג׳ורג׳ או סמית׳ הוציא לאור סדרת סיפורים בשם ״Venus Equilateral״, ששאבה לא מעט מעבודתו של פוטוצ׳ניק ושילבה גם היא לוויין גיאוסטציונרי וסיבוב ליצירת כבידה מלאכותית. קלארק הכיר היטב את עבודתם הן של פוטוצ׳ניק והן של סמית׳ בעת כתיבת מאמרו. לפוטוצ׳ניק הוא רשם תודה מיוחדת בסוף המאמר ולסמית׳ הודה על ההשראה בהקדמה שכתב עבור הוצאה מחודשת של Venus Equilateral.

סוף דבר

לקלארק היתה אם כן השראה מעבודה חלוצית הן מתחום המדע והן מתחום המדע הבדיוני: את הפיזיקה שהגדיר ניוטון הוא צירף לחישוביו של ציולקובסקי ולרעיונות התקשורת והאנרגיה שהעלו פוטוצ׳ניק וג׳ורג׳ או סמית׳. המאמר שפרסם זכה לתהודה מאחר והצליח לשרטט תמונה בהירה של עתיד התקשורת העולמית וגם להתוות איך ניתן לממש אותה זו באמצעות טכנולוגיות ברות השגה.

בפועל, חזונו אודות מערכת תקשורת לוויינית גלובלית התגשם אפילו מהר משחשב: מירוץ החימוש הגרעיני בין המעצמות האיץ מאד את פיתוח הטילים ואת יכולות השיגור, והתקדמויות עצומות במזעור וייעול רכיבים אלקטרוניים הקטינו מאד את משקל המכשור הנדרש.

בשנת 1963 שיגרה ארה״ב את Syncom-2, לוויין התקשורת הנסיוני הראשון, שפחות חודש אחרי שיגורו החל להעביר שידורי טלוויזיה (גם אם באיכות ירודה וללא סאונד). השוואה בין סינקום-2 לבין לווייני התקשורת של היום שקולה אולי להשוואת רשת האינטרנט לטלגרף, אבל גליל המתכת הקטן הזה (שגובהו 39 ס״מ וקוטרו 71 ס״מ)  סלל את הדרך למהפכת התקשורת והמידע שסוחפת אותנו עד היום.

סינקום-2 לא היה גיאוסטציונרי, כך שנדרשו אנטנות ממונעות על הקרקע כדי לעקוב אחריו (הוא היה גיאוסינכרוני, משמע השלים הקפה יחד עם כדור הארץ, אך לא הקיף מעל קו המשווה ולכן מבחינת צופה על הקרקע צייר ספרת 8 בשמיים, או ״אנאלמה״). סינקום-3, ששוגר ב 1964, כבר היה לוויין גיאוסטציונרי כדת וכדין, והעביר את אולימפיאדת טוקיו במלואה ובאיכות גבוהה (לזמנו) בשידור חי לרחבי ארה״ב.

סינקום-2 (רוחב הגליל – 71 ס״מ, גובהו – 39 ס״מ)

כיום יש כבר מעל 500 לוויינים ברצועה הגיאוסטציונרית, הידועה גם כ״חגורת קלארק״, וחיינו היו שונים בתכלית בלעדיהם. הם ממלאים תפקיד חיוני בתקשורת, בכיול מערכות GPS, במחקר מדעי ובחיזוי וניטור אקלים.

מעורר השראה להיזכר שכבר לפני 75 שנה, עוד לפני שנבנה המחשב הדיגיטלי הראשון ולפני שהיו כמעט טיסות מסחריות, היה מי שראה בחזונו את כל האופנים הללו בהם ישפיעו הלוויינים על חיינו, ואף התווה את הדרך לממש זאת.

ללוויינים הגיאוסטציונריים יתרונות רבים, אך גם חסרונות. זו הסיבה בעטיה משוגרים בשנים אלה כמויות עצומות של לוויינים למסלולים אחרים. על זה ועוד בחלק השני – ״עתיד התקשורת הלוויינית״.