Ein Weltraumexperiment, das mit der Raumsonde Psyche der NASA unterwegs war, hat gerade zum ersten Mal eine Nachricht per Laser von weit über den Mond hinaus zur Erde gesendet, eine Leistung, die die Art und Weise, wie Raumsonden kommunizieren, verändern könnte.
Bei der bislang weitesten Demonstration dieser Art optischer Kommunikation strahlte Deep Space Optical Communications (DSOC) einen Nahinfrarotlaser aus, der mit Testdaten codiert war, und zwar von einer Position aus, die etwa 16 Millionen Kilometer (10 Millionen Meilen) entfernt war – also etwa das 40-fache weiter als der Mond von der Erde entfernt ist – zum Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech in Kalifornien.
Das DSOC ist eine zweijährige Technologiedemonstration, die Psyche auf seinem Weg zu seinem Hauptziel, dem Asteroiden Psyche, begleitet. Nach Angaben des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, das beide Missionen verwaltet, erreichte die Demo am 14. November dank eines unglaublich präzisen Manövers, bei dem der Laser-Transceiver das leistungsstarke Uplink-Laserfeuer des JPL am Tafelberg-Observatorium erfasste, das „erste Licht“. Dies ermöglichte es dem DSOC-Transceiver, seinen Downlink-Laser auf das 130 Kilometer (100 Meilen) entfernte Caltech-Observatorium zu richten.
„Das Erreichen des First Light ist einer von vielen entscheidenden DSOC-Meilensteinen in den kommenden Monaten und ebnet den Weg für Kommunikation mit höheren Datenraten, die in der Lage ist, wissenschaftliche Informationen, hochauflösende Bilder und Streaming-Videos zu senden, um den nächsten großen Sprung der Menschheit zu unterstützen: die Entsendung von Menschen.“ zum Mars“, sagte Trudy Kortes, Direktorin für Technologiedemonstrationen im NASA-Hauptquartier, in einer Erklärung.
Optische Kommunikation wurde bereits früher zum Senden von Nachrichten aus der Erdumlaufbahn genutzt, doch dies ist die bisher weiteste Distanz, die Laserstrahlen je erreicht haben. Bei einem Laserstrahl bewegt sich der Photonenstrahl bei gleicher Wellenlänge in die gleiche Richtung. Laserkommunikation kann riesige Datenmengen mit beispielloser Geschwindigkeit übertragen, indem sie Daten in die Schwingungen dieser Lichtwellen packt und so ein optisches Signal kodiert, das Nachrichten über Infrarotstrahlen (für Menschen unsichtbar) an einen Empfänger übertragen kann.
Sie können den goldbedeckten Fluglaser-Transceiver des DSOC auf Psyche sehen, als er im Dezember 2022 in der Astrotech Space Operations-Einrichtung der NASA stationiert war.
Bildnachweis: NASA/Ben Smegelsky
Die NASA verwendet normalerweise Radiowellen, um mit Missionen zu kommunizieren, die weiter als der Mond entfernt sind, und beide verwenden elektromagnetische Wellen zur Datenübertragung. Der Vorteil von Laserstrahlen besteht jedoch darin, dass viel mehr Daten in viel engere Wellen gepackt werden können. Nach Angaben der NASA soll die DSOC-Techdemo Übertragungsraten zeigen, die 10-100-mal höher sind als bei aktuellen Top-Funkkommunikationssystemen.
Durch die Ermöglichung der Übertragung von mehr Daten können zukünftige Missionen wissenschaftliche Instrumente mit wesentlich höherer Auflösung mitführen und eine schnellere Kommunikation bei potenziellen Weltraummissionen ermöglichen – beispielsweise Video-Livestreams von der Marsoberfläche.
„Optische Kommunikation ist ein Segen für Wissenschaftler und Forscher, die immer mehr von ihren Weltraummissionen erwarten, und wird die Erforschung des Weltraums durch Menschen ermöglichen“, sagte Dr. Jason Mitchell, Direktor der Abteilung für fortgeschrittene Kommunikations- und Navigationstechnologien im Weltraumkommunikations- und Navigationsprogramm der NASA . „Mehr Daten bedeuten mehr Entdeckungen.“
Es gibt jedoch einige Herausforderungen, die es zunächst zu testen gilt. Je weiter die optische Kommunikation zurückgelegt werden muss, desto schwieriger wird es, da die Ausrichtung des Laserstrahls äußerste Präzision erfordert. Außerdem wird das Signal der Photonen schwächer, es dauert länger, bis es sein Ziel erreicht, was schließlich zu Verzögerungen bei der Kommunikation führt.
Beim Test am 14. November brauchten die Photonen für den Weg von Psyche zur Erde etwa 50 Sekunden. Bis Psyche seine weiteste Entfernung erreicht, wird es etwa 20 Minuten dauern, bis sie zurückgekehrt sind – das ist lange genug, damit sich sowohl die Erde als auch das Raumschiff bewegt haben, sodass sich die Laser beider an diese Positionsänderung anpassen müssen.
Bisher war die rekordverdächtige Technologiedemonstration sehr erfolgreich. „[The] Der Test war der erste, bei dem die Bodenausrüstung und der Flugtransceiver vollständig integriert waren, sodass die Betriebsteams von DSOC und Psyche zusammenarbeiten mussten“, sagte Meera Srinivasan, Betriebsleiterin für DSOC am JPL. „Es war eine gewaltige Herausforderung und wir haben noch viel Arbeit vor uns, aber für kurze Zeit konnten wir einige Daten übertragen, empfangen und dekodieren.“
Oder wie Abi Biswas, Projekttechnologe für DSOC am JPL, es ausdrückte: „[We] waren in der Lage, „Lichtstücke“ vom und in den Weltraum auszutauschen.“ Der Austausch von Lichtstücken in und aus dem Weltraum könnte die bahnbrechende Zukunft unserer Kommunikation in der Weltraumforschung sein.