Im Dezember 2023 strahlte ein kleiner vergoldeter Satellit ein Video einer orangefarbenen getigerten Katze namens Taters aus, die mit einem Laserpointer ein Sofa auf und ab jagte. Wenn Sie dachten, Sie wären gerade dabei, Ihre Haustiere zur Schau zu stellen: Das 15-sekündige Abenteuer von Taters wurde aus einer Entfernung von 30 Millionen Kilometern von der Erde übertragen. Monate später flogen Fotos und Videos von Haustieren der NASA-Mitarbeiter durch den Weltraum, ordentlich verpackt in einem Laserstrahl, der 101 Sekunden brauchte, um mit Lichtgeschwindigkeit die Erde zu erreichen.
Diese NASA-Demonstration sollte nicht nur das Bewusstsein aller Haustierbesitzer auf der Erde schärfen, sondern auch dazu dienen, optische Kommunikationssysteme zu testen, um Daten mit viel höheren Geschwindigkeiten als Radiowellen an entfernte Raumfahrzeuge zu übertragen. „Das ist etwas, das schon seit Jahrzehnten praktiziert wird“, sagte Meera Srinivasan, Leiterin des Deep Space Optical Communications (DSOC)-Betriebs der NASA am Jet Propulsion Laboratory (JPL), gegenüber Gizmodo. „Wir müssen die Technologie weiterentwickeln und für den Einsatz, insbesondere im Weltraum, geeignet machen.“
Eine neue Ära der Weltraumkommunikation
Es dauerte Jahre der Forschung und Demonstration kleinerer Technologien, die Daten über kürzere Entfernungen, beispielsweise von der Erde zum Mond, übertragen, bevor DSOC flugbereit war. Der Fluglasersender DSOC startete im Oktober 2023, montiert auf der Raumsonde Psyche (die sich auf einer eigenen Mission zur Erforschung des gleichnamigen Asteroiden befindet).
Obwohl Psyche auf traditionelle Funkkommunikation setzt, ist der DSOC-Laser-Transceiver die erste Demonstration optischer Kommunikation aus einer Entfernung bis zum Mars. Im November sah das Instrument seine ersten Licht- und Strahldaten, die in einem Nahinfrarotlaser aus einer Entfernung von fast 10 Millionen Meilen von der Erde kodiert waren.
Ja, wir sprechen von unsichtbaren Strahlen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und hochauflösende Daten vom Weltraum zur Erde bringen. So funktioniert es: Optische Kommunikationssysteme verpacken Daten in Lichtwellenschwingungen in Lasern und kodieren die Nachrichten in optische Signale, die über Infrarotlicht, das das menschliche Auge nicht sehen kann, zum Empfänger übertragen werden.
Wie optische Kommunikation funktioniert
Seit dem Start der ersten Satelliten in den 1950er Jahren verlassen sich die NASA und andere Raumfahrtbehörden auf die Hochfrequenzkommunikation, um Daten in den und aus dem Weltraum zu senden. Funksignale und Lasersignale sind Teil des elektromagnetischen Spektrums und breiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus, haben jedoch jeweils unterschiedliche Wellenlängen. Laser übertragen Daten im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, haben also kürzere Wellenlängen und höhere Frequenzen. Dies bedeutet, dass es in einer bestimmten Entfernung mehr Infrarotwellenlängen als im Radio gibt, sodass mehr Daten in den Infrarotwellen verpackt werden können.
„Dies wirkt sich auf die Datenmenge aus, die Sie eingeben können“, sagte Srinivasan. „Und das ermöglicht natürlich Daten mit höherer Auflösung, da man mehr Bits in der gleichen Zeit senden kann.“ Das DSOC-Experiment zielt laut NASA darauf ab, Datenübertragungsgeschwindigkeiten zu demonstrieren, die 10 bis 100 Mal höher sind als bei Hochfrequenzsystemen, die von aktuellen Raumfahrzeugen verwendet werden.
Wenn Sie ein Katzen-Katzen-Video betrachten, würde ein herkömmlicher Psyche-Funksender mit einer Datenrate von 360 Kilobit pro Sekunde 426 Sekunden für die Übertragung des Videos benötigen. Mittlerweile benötigt der DSOC-Laser-Transceiver nur 0,58 Sekunden, um Videos mit einer Datenrate von 267 Megabit pro Sekunde zu senden. Allerdings benötigen sowohl Radio als auch Laser dieselbe Zeit, um mit Lichtgeschwindigkeit die Erde zu erreichen.
„Bei der optischen Kommunikation nutzt man im Wesentlichen Teleskope und Laser zur Kommunikation und sendet diese Laserstrahlen aus“, sagte Srinivasan. Das DSOC-Experiment verfügt über einen Fluglaser-Transceiver und zwei Bodenstationen: das 200-Zoll-Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech in San Diego, das als Downlink-Station fungiert, und das Optical Communications Telescope Laboratory am JPL-Einrichtung Table Mountain in Kalifornien. die Uplink-Station.
Die Uplink-Station sendet gepulste Lasersignale an das Flugterminal, das mit Kameras ausgestattet ist, die einzelne Photonen zählen können. Flugterminals verwenden Bodensender als Baken und fixieren sie an einem Punkt, auf den der Laserstrahl gerichtet ist. Über einen Bodensender sendet das Flugterminal seine Daten in Form von Laserpulsen als Downlink zur Erde.
Herausforderungen und Zukunft von Weltraumlasern
Klingt einfach, aber warum hat sich die NASA nicht die ganze Zeit über auf diese coolen Weltraumlaser verlassen? Die optische Kommunikation ist nicht ohne Herausforderungen. Wenn der Laserstrahl die Erde erreicht, ist er viel schmaler als sein Radio-Gegenstück und nur wenige hundert Meilen breit, verglichen mit der Breite des Radiosignals von etwa 1,5 Millionen Meilen (2,5 Millionen Kilometer). Ihre geringe Breite erfordert eine höhere Genauigkeit, um Empfangsstationen auf der Erde zu erreichen und den Laserstrahl auf den Punkt zu richten, an dem sich ein bodengestütztes Teleskop in der Umlaufbahn des Planeten befindet, wenn das Signal ihn erreicht.
Zur Übertragung von Daten aus der Erd- und Mondumlaufbahn wurden bereits optische Kommunikationsmittel genutzt, doch der jüngste Test markiert die weiteste Distanz, die ein Laserstrahl zurücklegt, da die NASA ihre Kommunikationsfähigkeiten vor künftigen Missionen ins All perfektionieren möchte. Aufgrund der größeren Entfernung ist es jedoch für Weltraumlaser schwierig, Ziele auf der Erde präzise zu treffen – die größte Herausforderung für die NASA, wenn sie sich beim Herunterladen von Daten aus dem Weltraum auf Laser verlässt.
Während die Raumsonde Psyche ihre 2,2 Milliarden Meilen (3,6 Milliarden Kilometer) lange Reise in Richtung des Asteroidengürtels fortsetzt, wird das Ingenieurteam hinter DSOC weiterhin Kommunikationssysteme testen und wöchentliche Überprüfungen mit Laser-Transceivern durchführen. Je weiter sich Psyche seinem Asteroidenziel nähert, desto schwächer wird sein Laserphotonensignal.
Bisher bricht das Experiment Rekorde, je weiter es von der Erde entfernt ist. Im Juli sandte DSOC ein Lasersignal von der Erde aus einer Entfernung von etwa 290 Millionen Meilen (460 Millionen Kilometern) zur Raumsonde Psyche, was der gleichen Entfernung zwischen Erde und Mars entspricht, wenn die beiden Planeten am weitesten voneinander entfernt sind.
Srinivasan von der NASA geht davon aus, dass Missionen in den nächsten zehn Jahren auf Laser basieren werden, und betont die Notwendigkeit, Teleskope für die optische Kommunikation zu bauen, um eine Auswahl an Bodenstandorten zu haben, die Daten empfangen können.
„Ich denke, dass dies eine Lösung für beides (Funk- und Laserkommunikation) sein wird“, sagte Srinivasan. „Bei der Laserkommunikation handelt es sich um einen Kanal mit hoher Datenrate, der zur Übertragung von hochauflösenden Videos, viel umfangreicheren wissenschaftlichen Daten usw. verwendet wird, aber es wird immer einen Platz für Hochfrequenzkommunikation geben.“
