Wie viel Strom brauche ich, um ein Funksignal durch eine 100 km dicke feste Eiskruste zu senden?

Stellen Sie sich vor, ich lege eine schwimmende Sonde in den subglazialen Ozean von Encelado oder Europa: Wie viel Energie muss mein Radio haben, um von der Außenfläche mit der Sonde kommunizieren zu können? Oder anders ausgedrückt, wie viel Dämpfung verursachen 100 km festes Eis für ein Funksignal mit beispielsweise UHF-Frequenz?

Ich kann das nicht direkt beantworten, aber die Nasa tastet Grönlands Eisschilde mit einem Flugzeugradar ab, um die Tiefe des Grundgesteins zu ermitteln. Folgendes sagen sie über Eis und Radiowellen:

Eis hingegen reagiert je nach Radarfrequenz unterschiedlich. Es reflektiert hochfrequente Radiowellen, aber obwohl es fest ist, kann ein Radar mit niedrigerer Frequenz bis zu einem gewissen Grad Eis durchdringen. Aus diesem Grund verwendet MCoRDS eine relativ niedrige Frequenz - zwischen 120 und 240 MHz. Auf diese Weise kann das Instrument die Eisoberfläche, die inneren Schichten des Eises und das darunter liegende Grundgestein erkennen. "Um den Grund des Eises abzutasten, muss eine niedrigere Frequenz verwendet werden", sagte John Paden, CReSIS-Wissenschaftler. "Eine zu hohe Frequenz und ein zu hohes Signal gehen im Eis verloren."

Dies kam von hier und es ist interessant zu bemerken, dass dies Radar ist und eine Reflexion vom Grundgestein erfordert, um durch das Eis zurück zum empfangenden Flugzeug zu gelangen. Ich würde mir vorstellen, dass die reflektierte Kraft ein Bruchteil der einfallenden Kraft ist, die den Felsen erreicht, sodass Sie vielleicht das 10-fache dieser Entfernung durch eine feste Eisdecke mit einer Einwegübertragung erhalten.

Hier ist die Art von Bild, die sie bekommen:

Es scheint mir, dass mit Radar + 3km möglich sind. Ich weiß nicht, wie groß der Radarstrahlwinkel ist, daher ist es unmöglich, die einfallende Leistung an der Eisoberfläche zu berechnen - die Übertragung vom Flugzeug könnte ein gepulstes 1-MW-Radar mit einem sehr engen Strahlwinkel sein, der eine einfallende Leistung bei erzeugt die Oberfläche des Eises von Hunderten von Watt. Außerdem ist die Reflexion vom Grundgestein kein enger Strahl - dies bedeutet, dass sich die zurückreflektierte Leistung mit zunehmender Entfernung dünn ausbreitet (siehe Friis- Gleichungen). Auch die am Flugzeug empfangene Leistung ist viel geringer als die von der Eisoberfläche ausgehende - siehe auch die Friis-Gleichungen.

Nachtrag

Ich habe über den Verbindungsverlust für die Radaranwendung nachgedacht:

• Verbindungsverlust vom Flugzeug zum Boden. Eine Schale mit 2 m Durchmesser hat eine Verstärkung von $\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$ = 3,35 oder ungefähr 10,5 dB. Befindet sich das Flugzeug 1 km über dem Eis, beträgt der Verbindungsverlust zu einer identischen Schüssel (auf dem Eis) -21 (Antennengewinne) +32,5 + 20 log (MHz) + 20 log (km) = 11,5 + 46 + 20 = 78 dB Verlust. Wenn die Radarausgangsleistung 1 MW (90 dBm) beträgt, beträgt das empfangene Signal an der Boden- / Eiskappenoberfläche 12 dBm (16 mW).
• Es ist das gleiche Problem für das Reflexionssignal. An der Oberfläche ist es bis zum Flugzeug (78 dB) der gleichen Dämpfung ausgesetzt, die 1 km höher ist.

Diese Verluste treten bei einer einfachen Übertragung über Eis nicht auf - Sende- und Empfangsantennen befinden sich entweder im Eis oder an dessen Oberfläche. Dies alles ist ein gutes Zeichen dafür, in einer einzigen Richtung über große Eisentfernungen senden zu können.

Unter der Annahme, dass es sich ähnlich wie Wassereis auf der Erde verhält, wurden einige Messungen der HF - Dämpfung der Erde durchgeführt Ross-Schelfeises in der Antarktis durchgeführt . Es wurde festgestellt, dass die Dämpfungslänge für Frequenzen von 75 MHz bis 1,25 GHz 300 bis 500 m betrug.

(Die Dämpfungslänge ist der Abstand, um den das Signal auf 1 / e ~ = 0,368 ~ = -4,3 dB abfällt, etwas analog zur Zeitkonstante)

Das wird eine ziemlich einschüchternde Dämpfung für 100 km Dicke sein (so etwas wie -950dB). Das wird nicht passieren.

Die Kraft hängt natürlich von der Bandbreite der zu sendenden Signale ab.

Der Rekord für die Moon Bounce-Kommunikation liegt in etwa bei 3 mW Sendeleistung (~ -300 dB Dämpfung). Wenn wir 1 GW hätten, wären das weitere 115 dB, aber immer noch weit hinter den Anforderungen zurück.

Derzeit arbeite ich als Radaringenieur für die British Antarctic Survey, damit ich helfen kann.

Frequenz ist wichtig Eis ist (abgesehen von einigen spezifischen Lücken) nicht blockierend bei MF-Frequenzen, aber bei HF- und UHF-Eis und Wasser sind sehr ähnlich und nahezu undurchdringlich.

Wenn Sie Ihre Frequenz niedrig genug gehalten haben (unter 2,4 MHz), werden (vorausgesetzt, das Eis, über das Sie sprechen, ist wasserbasiert) nur wenige Probleme mit Eis auftreten dafür vor allem durch ionosphärische Störungen auf der Erde. Ich weiß, dass das Erdmagnetfeld sehr stark ist, so dass Sie vielleicht an einigen Körpern damit durchkommen könnten.

Ich denke, Ihr Hauptproblem könnte darin bestehen, eine einzige Frequenz zu finden, für die Sie das Eis passieren können, sowie etwaige atmosphärische Störungen. das wäre sicherlich das problem auf der erde