NASA kładzie w kosmosie swoją sieć światłowodową. Będzie miała 390 mln km

W ramach eksperymentu NASA Deep Space Optical Communications (DSOC) przesłano za pomocą lasera zakodowane dane na rekordową odległość prawie 16 mln km. To 40 razy dalej niż z Ziemi do Księżyca. Test zakończył się sukcesem.

Do tej pory NASA używała wyłącznie fal radiowych do komunikacji z misjami poza Księżycem. Podobnie jak na Ziemi, w miarę wzrostu zapotrzebowania na dane, światłowody zastępują stare linie telefoniczne, tak w kosmosie przejście z komunikacji radiowej na komunikację optyczną umożliwi zwiększenie szybkości transmisji danych w całym Układzie Słonecznym.

O innych ciekawych technologiach NASA przeczytasz na Spider`s Web:

Komunikacja optyczna będzie miała przepustowość od 10 do 100 razy większej niż obecnie najnowocześniejsze systemy wykorzystywane przez statki kosmiczne. Szybszy internet w kosmosie wprowadzi nową jakość w eksploracji Układu Słonecznego, wspierając choćby instrumenty naukowe o wyższej rozdzielczości.

Komunikacja optyczna to sposób przesyłania informacji za pomocą światła. Znany jest nam z codziennego życia, na przykład z internetu, który często korzysta z kabli światłowodowych. Światłowody to cienkie włókna szklane lub plastikowe, które przewodzą światło z jednego końca do drugiego. Światło niesie ze sobą dane, które są kodowane za pomocą zmian w jego natężeniu lub częstotliwości. Odbiornik na drugim końcu światłowodu odczytuje te zmiany i przekształca je w sygnał elektryczny, który może być interpretowany przez komputer.

Komunikacja optyczna ma wiele zalet nad tradycyjną komunikacją radiową, która używa fal elektromagnetycznych o dłuższej długości niż światło. Po pierwsze, komunikacja optyczna może przesyłać więcej danych na sekundę, ponieważ światło ma wyższą częstotliwość i może przenosić więcej informacji. Po drugie, komunikacja optyczna jest mniej podatna na zakłócenia i zakłócanie przez inne źródła sygnałów, ponieważ światło jest skupione w wąskiej wiązce, która nie rozprasza się tak łatwo jak fale radiowe.

Komunikacja optyczna w kosmosie polega na wysyłaniu i odbieraniu wiązek światła bliskiej podczerwieni pomiędzy satelitami lub sondami kosmicznymi a stacjami naziemnymi. Nie ma tu kabli światłowodowych, więc trzeba użyć specjalnych urządzeń, które mogą generować, kierować i wykrywać światło. Na pokładzie sondy kosmicznej znajduje się nadajnik laserowy, który emituje wiązkę światła podczerwonego przez mały teleskop.

Wiązka ta jest skierowana na Ziemię, gdzie jest odbierana przez duży teleskop, który ma wbudowany detektor światła. Detektor ten zamienia światło na sygnał elektryczny, który jest następnie przetwarzany przez komputer. W ten sposób sonda kosmiczna może wysyłać duże ilości danych, takich jak zdjęcia czy filmy, do centrum kontroli misji na Ziemi. Aby sonda kosmiczna mogła również odbierać dane z Ziemi, na przykład komendy lub instrukcje, potrzebny jest jeszcze jeden nadajnik laserowy na Ziemi i jeden detektor na sondzie. W ten sposób tworzy się dwukierunkowy kanał komunikacyjny pomiędzy sondą a Ziemią.

Demonstracja komunikacji optycznej w głębokiej przestrzeni kosmicznej (DSOC) to eksperyment, który ma na celu pokazać, że komunikacja optyczna jest możliwa i skuteczna nawet na bardzo duże odległości, takie jak między Ziemią a Marsem. DSOC jest częścią misji Psyche, która ma za zadanie zbadać złotą planetoidę o tej samej nazwie.

DSOC ma zademonstrować szybką transmisję danych na odległości do 390 mln km - ponad dwukrotnie większą odległość między Słońcem a Ziemią. Im dalej Psyche odleci od naszej planety, tym słabszy będzie sygnał fotonu laserowego, co sprawi, że dekodowanie danych będzie coraz trudniejsze. Dodatkowym wyzwaniem będzie to, że fotony dotrą do celu dłużej, co spowoduje opóźnienie wynoszące ponad 20 minut na najdalszym dystansie eksperymentu.

DSOC składa się z nadajnika laserowego, który jest zamontowany na sondzie Psyche, i dwóch stacji naziemnych, które mają teleskopy z detektorami światła. DSOC będzie testować różne aspekty komunikacji optycznej, takie jak stabilność wiązki, jakość sygnału, prędkość transmisji, wpływ atmosfery i pogody, czy możliwość korekcji błędów. DSOC będzie również porównywać komunikację optyczną z komunikacją radiową, która jest obecnie używana przez sondę Psyche do kontaktu z Ziemią.

NASA ma duże doświadczenie w komunikacji laserowej, ale do tej pory najdlszą odległością na jakąprzesyłano w ten sposób dane była orbita Księżyca. W 2013 r., w ramach eksperymentu Lunar Laser Communications Demonstration, agencja przetestowała rekordowe prędkości transmisji danych między Ziemią a Księżycem. W 2022 r. należący do NASA system TeraByte InfraRed Delivery pobił rekord prędkość transmisji danych z satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej do odbiornika naziemnego. Dane przesyłano z prędkością  200 gigabitów na sekundę (Gb/s).

Komunikacja optyczna to technologia, która może zrewolucjonizować sposób, w jaki komunikujemy się z kosmosem. NASA jest pionierem w tej dziedzinie i właśnie przeprowadziła pierwszą demonstrację komunikacji optycznej w głębokiej przestrzeni kosmicznej.

Jeśli kolejne eksperymenty się powiodą, możemy spodziewać się, że w przyszłości będziemy otrzymywać więcej i lepszych danych z naszych misji kosmicznych. Komunikacja optyczna może być kluczem do odkrywania i zrozumienia kosmosu.

Ilustracja główna: komunikacja optyczna będzie wykorzystywana podczas komunikacji z astronautami misji Artemis. Dzięki temu zobaczymy lądowanie człowieka na Księżycu w rozdzielczości 4K.