Η NASA πειραματίζεται με επιτυχία με οπτικές κεραίες, ανοίγοντας ένα νέο κεφάλαιο στις επικοινωνίες λέιζερ στο βαθύ διάστημα

Πρόσφατα, η NASA ανακοίνωσε ότι μια υβριδική κεραία στο Deep Space Network (DSN) της έχει παρακολουθήσει και αποκωδικοποιήσει με επιτυχία σήματα λέιζερ κοντά στο υπέρυθρο από το διαστημόπλοιο "Prosaic".
Αυτή η πειραματική κεραία όχι μόνο έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει σήματα ραδιοσυχνοτήτων, αλλά πραγματοποίησε με επιτυχία τη λήψη και επεξεργασία οπτικών σημάτων, γεγονός που παρέχει νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη τεχνολογίας επικοινωνίας λέιζερ σε βάθος.
Σε αυτό το πείραμα, η κεραία κλειδώθηκε με επιτυχία στα σήματα λέιζερ ραδιοσυχνοτήτων και εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπονται από το διαστημόπλοιο Psyker κατά τη διάρκεια της πτήσης του βαθιά στο διάστημα, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα της γιγαντιαίας κεραίας πιάτων του DSN να μεταβεί σε οπτικές/λέιζερ επικοινωνίες. Αυτή η μετάβαση όχι μόνο θα ενισχύσει την εξερεύνηση του διαστήματος, αλλά θα παρέχει επίσης πιο ισχυρή υποστήριξη για δίκτυα βαθέων διαστημάτων καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις δικτύου.
Η υβριδική κεραία, που ονομάζεται Deep Space Station 13, βρίσκεται στο Goldstone Deep Space Communications Center κοντά στο Barstow της Καλιφόρνια. Από τον Νοέμβριο του 2023, παρακολουθεί λέιζερ downlink για την επίδειξη τεχνολογίας Deep Space Optical Communications (DSOC) της NASA. Ο ιπτάμενος πομποδέκτης λέιζερ για αυτήν την επίδειξη τεχνολογίας βρίσκεται στην εκτόξευση του διαστημικού σκάφους Psyker από τον οργανισμό στις 13 Οκτωβρίου 2023.
Τα προγράμματα DSN, DSOC και Psyche διαχειρίζονται όλα το Εργαστήριο Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA στη Νότια Καλιφόρνια. "Λίγο μετά την έναρξη της επίδειξης τεχνολογίας, η υβριδική μας κεραία κλειδώθηκε με επιτυχία και αξιοπιστία στην κατερχόμενη ζεύξη DSOC και πήρε το σήμα ραδιοσυχνότητας Psyche. Αυτό είναι ένα ορόσημο για τις πρώτες μας συγχρονισμένες ραδιοφωνικές και οπτικές επικοινωνίες σε βάθος διαστήματος."
Στα τέλη του 2023, η υβριδική κεραία κατέβασε δεδομένα από το διαστημόπλοιο Pursek, το οποίο απέχει 20 εκατομμύρια μίλια (32 εκατομμύρια χιλιόμετρα), με ρυθμό 15,63 megabit ανά δευτερόλεπτο, που είναι περίπου 40 φορές ταχύτερος από τις επικοινωνίες ραδιοσυχνοτήτων μέσω ίδια απόσταση. Μέχρι την 1η Ιανουαρίου 2024, η κεραία είχε κατεβάσει με επιτυχία μια άλλη φωτογραφία ομάδας που είχε ανέβει στο DSOC πριν από την κυκλοφορία του Psyker.
Συγκεκριμένοι μηχανισμοί
Για να καταστεί δυνατή η ανίχνευση φωτονίων λέιζερ, επτά εξαιρετικά ακριβείς τμηματοποιημένοι καθρέφτες είναι τοποθετημένοι μέσα στην υβριδική κεραία. Αυτοί οι καθρέφτες μιμούνται το διάφραγμα συλλογής φωτός ενός τηλεσκοπίου με διάφραγμα 3,3-ποδιών ({4}}μέτρων) και καθώς τα φωτόνια λέιζερ φτάνουν στην κεραία, κάθε καθρέφτης αντανακλά τα φωτόνια και τα ανακατευθύνει με ακρίβεια σε κάμερα έκθεσης. Τα σήματα λέιζερ που συλλέγονται από την κάμερα μεταδίδονται στη συνέχεια μέσω οπτικών ινών σε έναν κρυογονικά ψυχόμενο ανιχνευτή νανοσύρματος ημιαγωγού μονού φωτονίου, ο οποίος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το Microdevice Laboratory στο Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Ο Barzia Tehrani, Αναπληρωτής Διευθυντής και Διευθυντής Παράδοσης της JPL για τα Υβριδικά Συστήματα Επικοινωνιών Κεραίας, δήλωσε: "Πρόκειται για ένα εξαιρετικά συμβατό οπτικό σύστημα που βασίζεται σε μια ευέλικτη δομή 34-μέτρων. Χρησιμοποιούμε ένα σύστημα καθρεφτών, αισθητήρων ακριβείας και καμερών για να ευθυγραμμίστε ενεργά και καθοδηγήστε το φως λέιζερ από το βαθύ διάστημα στην οπτική ίνα που φτάνει στον ανιχνευτή."
Αποκάλυψε επίσης ότι η ομάδα ελπίζει ότι η κεραία στο μέλλον θα είναι σε θέση να ανιχνεύει σήματα λέιζερ που προέρχονται από τον Άρη στο πιο απομακρυσμένο σημείο του από τη Γη (2,5 φορές την απόσταση από τον Ήλιο στη Γη). Ο Psyker θα φτάσει σε αυτήν την απόσταση τον Ιούνιο, ταξιδεύοντας στην κύρια ζώνη αστεροειδών μεταξύ του Άρη και του Δία για να ερευνήσει τον πλούσιο σε μέταλλα αστεροειδή Psyker.
Ο καθρέφτης επτά τμημάτων στην κεραία είναι ένα proof-of-concept που θα επιτρέψει τη μελλοντική χρήση ενός πολύ μεγαλύτερου και πιο ισχυρού 64-καθρέπτη τμημάτων-που ισοδυναμεί με ένα 26-πόδι ({{ 6}}μέτρο) τηλεσκόπιο διαφράγματος.
Λύσεις Υποδομής
Το DSOC ανοίγει το δρόμο για επικοινωνίες υψηλότερου ρυθμού δεδομένων ικανές να μεταδίδουν σύνθετες επιστημονικές πληροφορίες, βίντεο και εικόνες υψηλής ευκρίνειας για να υποστηρίξουν το επόμενο γιγάντιο άλμα της ανθρωπότητας: την αποστολή ανθρώπων στον Άρη. Μια πρόσφατη επίδειξη της τεχνολογίας μετέδωσε με επιτυχία το πρώτο βίντεο εξαιρετικά υψηλής ευκρίνειας από το διάστημα με ρυθμό bit ρεκόρ, σηματοδοτώντας μια σημαντική ανακάλυψη στις επικοινωνίες στο βαθύ διάστημα.
Το DSN (Deep Space Network) έχει 14 τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο, που βρίσκονται στην Καλιφόρνια, στη Μαδρίτη και στην Καμπέρα της Αυστραλίας. Αυτές οι υβριδικές κεραίες είναι ικανές να λαμβάνουν μεγάλες ποσότητες δεδομένων χρησιμοποιώντας οπτικές επικοινωνίες, συμπληρωμένες με ραδιοσυχνότητες για τη λήψη δεδομένων μικρότερου εύρους ζώνης, όπως δεδομένα τηλεμετρίας (συμπεριλαμβανομένων πληροφοριών υγείας και θέσης διαστημικού σκάφους).