Een kattenvideo belicht een belangrijk jaar voor lasers in de ruimte

Het is een heel jaar van lasercommunicatie in de ruimte geweest. In oktober en november lanceerde NASA twee proefdemonstraties om optische communicatieverbindingen met hoge bandbreedte te testen, en deze technische demonstraties laten nu enkele voorlopige resultaten zien.

Op 11 december werd een lasercommunicatiestation aan boord van NASA's Psyche-ruimtevaartuig op weg naar een asteroïde gekoppeld aan een ontvanger in Zuid-Californië. De nabij-infrarode laserstraal bevatte een bericht gecodeerd in de vorm van een 15 seconden durende high-definition videoclip waarin een kat rond een bank springt, op jacht naar het licht van een in de winkel gekocht laserspeelgoed.

Lasercommunicatie biedt het voordeel dat gegevens sneller worden verzonden dan met traditionele radioverbindingen mogelijk is. In feite test het Deep Space Optical Communications (DSOC)-experiment aan boord van het Psyche-ruimtevaartuig technologieën die in staat zijn gegevens te verzenden met snelheden die 10 tot 100 keer hoger zijn dan die mogelijk waren in eerdere missies.

“We willen de hoeveelheid gegevens die we naar de aarde kunnen terugsturen vergroten, en dat heeft veel voordelen voor ons”, zei Jeff Volosin, waarnemend adjunct-adjunct-administrateur voor NASA's Communications and Astronautics Program, vóór de lancering van Psyche. Eerder dit jaar.

Nu heeft DSOC een record gevestigd voor de grootste afstand die ooit vanuit de ruimte is uitgezonden via high-definition video. Op dat moment reisde Psyche 31 kilometer van de aarde af, ongeveer 80 maal de afstand tussen de aarde en de maan. NASA zei dat het videosignaal, dat zich met de snelheid van het licht voortbeweegt, er 101 seconden over deed om de aarde te bereiken en werd verzonden met de maximale bitsnelheid van het systeem van 267 megabits per seconde.

Leuke ervaring

Na aankomst bij de ontvanger bij het Palomar Observatorium in San Diego County, werd elk videoframe “live” naar NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië gestuurd, waar het volgens NASA in realtime werd afgespeeld.

“Eén doel is om de mogelijkheid aan te tonen om grootschalige video over miljoenen kilometers te verzenden. Niets op Psyche genereert videogegevens, dus sturen we doorgaans pakketten met gegenereerde testgegevens”, zei Bill Klippstein, projectmanager technologiedemonstratie bij JPL, in een Willekeurig.” “Maar om deze mijlpaal nog gedenkwaardiger te maken, hebben we besloten om samen te werken met ontwerpers van JPL om een ​​leuke video te maken, die de essentie van de demonstratie vastlegt als onderdeel van de Psyche-missie.”

Een video van Taters, een oranje kat van een JPL-medewerker, werd vóór de lancering van Psyche opgenomen en voor deze demonstratie op het ruimtevaartuig opgeslagen. De robotsonde werd op 13 oktober gelanceerd aan boord van een SpaceX Falcon Heavy-raket, met als voornaamste doel om naar de asteroïde Psyche te vliegen, een metaalrijke wereld gelegen in de asteroïdengordel tussen de banen van Mars en Jupiter.

Het zal de Psyche-sonde zes jaar kosten om zijn bestemming te bereiken, en NASA heeft een lasercommunicatie-experiment uitgevoerd om het ruimtevaartuig tijdens de reis bezig te houden. Sinds de lancering in oktober hebben JPL-grondteams het Deep Space Optical Communications (DSOC)-experiment uitgevoerd en enkele eerste tests uitgevoerd.

Een van de belangrijkste technische uitdagingen bij het DSOC-experiment was het uitlijnen van de 8,6-inch (22 cm) optische telescoop aan boord van Psyche met een zender en ontvanger gemonteerd op de telescopen op de grond in Californië en vice versa. Omdat Psyche door de diepe ruimte versnelt, is dit probleem hetzelfde als proberen een dubbeltje van anderhalve kilometer afstand te raken terwijl het beweegt, aldus Abi Biswas, een DSOC-projecttechnoloog bij JPL.

“Als deze prestatie eenmaal is bereikt, is het ontvangen signaal nog steeds erg zwak, waardoor zeer gevoelige detectoren en elektronische verwerking nodig zijn die dat signaal kunnen opvangen en de daarin gecodeerde informatie kunnen extraheren”, zei Biswas.

De telescoop aan boord van Psyche is volgens NASA op een isolatie- en geleidingssamenstel gemonteerd om de optica te stabiliseren en te isoleren van trillingen van ruimtevaartuigen. Dit is nodig om de spanning te elimineren die zou kunnen voorkomen dat de stabiele laser tussen de aarde en het Psyche-ruimtevaartuig wordt vergrendeld.

“Wat optische of lasercommunicatie mogelijk maakt, is het bereiken van zeer hoge datasnelheden, maar het nadeel is dat het een zeer smalle laserstraal is die een zeer nauwkeurige richtcontrole vereist”, vertelde Biswas vóór de lancering aan verslaggevers. “Zo kan platformverstoring van een typisch ruimtevaartuig het signaal verstoren, dus moet het worden geïsoleerd of gecontroleerd.

“Voor missies in de buurt van de aarde kun je ze alleen besturen omdat je over voldoende controlebandbreedte beschikt”, zei hij. “Vanuit de diepe ruimte, waar de ontvangen signalen erg zwak zijn, heb je niet veel bandbreedte om te controleren, dus moet je je isoleren van de verstoring.”

Er is nog een ander nadeel aan directe lasercommunicatie vanuit de ruimte naar de aarde. Bewolking boven zendende en ontvangende telescopen op aarde kan signalen blokkeren, dus een operationeel optisch communicatienetwerk zou meerdere grondknooppunten op verschillende locaties over de hele wereld nodig hebben, idealiter in gebieden die bekend staan ​​om hun heldere hemel.