Es war ein ganzes Jahr für die Laserkommunikation im Weltraum. Im Oktober und November startete die NASA zwei bahnbrechende Demonstrationen zum Testen optischer Kommunikationsverbindungen mit hoher Bandbreite, und diese technischen Demos zeigen nun erste Ergebnisse.
Am 11. Dezember verband sich ein Laserkommunikationsterminal an Bord der NASA-Raumsonde Psyche auf dem Weg zu einem Asteroiden mit einem Empfänger in Südkalifornien. Der Nahinfrarot-Laserstrahl enthielt eine verschlüsselte Nachricht in Form eines 15-sekündigen Ultra-High-Definition-Videos, das eine Katze zeigt, die auf einem Sofa herumhüpft und dem Licht eines im Laden gekauften Laserspielzeugs nachjagt.
Laserkommunikation bietet den Vorteil, dass Daten mit einer höheren Geschwindigkeit übertragen werden, als dies mit herkömmlichen Funkverbindungen möglich ist. Tatsächlich testet das Deep Space Optical Communications (DSOC)-Experiment auf der Raumsonde Psyche Technologien, die in der Lage sind, Daten mit Raten zu senden, die 10 bis 100 Mal höher sind als bei früheren Missionen.
„Wir wollen die Datenmenge erhöhen, die wir zur Erde bringen können, und das hat viele Vorteile für uns“, sagte Jeff Volosin, amtierender stellvertretender Administrator des Weltraumkommunikations- und Navigationsprogramms der NASA, vor dem Start von Psyche früher in diesem Jahr.
Jetzt hat DSOC einen Rekord für die weiteste Distanz aufgestellt, die ein hochauflösendes Video aus dem Weltraum gestreamt hat. Zu diesem Zeitpunkt war Psyche 31 Kilometer von der Erde entfernt, etwa das 80-fache der Entfernung zwischen Erde und Mond. Das Videosignal bewegte sich mit Lichtgeschwindigkeit und benötigte 101 Sekunden, um die Erde zu erreichen, wobei es mit der maximalen Bitrate des Systems von 267 Megabit pro Sekunde gesendet wurde, sagte die NASA.
Ein spielerisches Experiment
Nach Erreichen des Empfängers am Palomar-Observatorium im San Diego County wurde jedes Videobild „live“ an das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, übertragen, wo es nach Angaben der NASA in Echtzeit abgespielt wurde.
„Eines der Ziele besteht darin, die Fähigkeit zu demonstrieren, Breitbandvideos über Millionen von Kilometern zu übertragen. Nichts auf Psyche generiert Videodaten, daher versenden wir normalerweise Pakete mit zufällig generierten Testdaten“, sagte Bill Klipstein, Projektmanager der Tech-Demo bei JPL, in einer Erklärung. „Um dieses bedeutende Ereignis jedoch unvergesslicher zu machen, haben wir beschlossen, mit den Designern von JPL zusammenzuarbeiten, um ein unterhaltsames Video zu erstellen, das die Essenz der Demo als Teil der Psyche-Mission einfängt.“
Das Video von Taters, der orange getigerten Katze eines JPL-Mitarbeiters, wurde vor dem Start von Psyche aufgenommen und für diese Demonstration auf dem Raumschiff gespeichert. Die Robotersonde startete am 13. Oktober an Bord einer Falcon Heavy-Rakete von SpaceX mit dem Hauptziel, zum Asteroiden Psyche zu fliegen, einem metallreichen Planeten im Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter.
Es wird sechs Jahre dauern, bis die Psyche-Sonde ihr Ziel erreicht, und die NASA hat ein Laserkommunikationsexperiment in Angriff genommen, um die Raumsonde während der Reise beschäftigt zu halten. Seit dem Start im Oktober haben Bodenteams am JPL das Deep Space Optical Communications (DSOC)-Experiment in Betrieb genommen und einige frühe Tests durchgeführt.
Eine der bedeutendsten technischen Herausforderungen beim DSOC-Experiment bestand darin, das optische 8,6-Zoll-Teleskop (22 Zentimeter) an Bord der Psyche mit einem Sender und Empfänger auszurichten, der an bodengestützten Teleskopen in Kalifornien angebracht ist, und umgekehrt. Da Psyche mit hoher Geschwindigkeit durch den Weltraum rast, ähnelt dieses Problem dem Versuch, einen Cent aus einer Meile Entfernung zu schlagen, während sich der Cent bewegt, so Abi Biswas, DSOC-Projekttechnologe am JPL.
Sobald Sie dieses Kunststück geschafft haben, ist das empfangene Signal immer noch sehr schwach und erfordert daher sehr empfindliche Detektoren und Verarbeitungselektronik, die dieses Signal aufnehmen und die darin kodierten Informationen extrahieren können“, sagte Biswas.
Das Teleskop an Bord von Psyche ist laut NASA auf einer Isolations- und Ausrichtungsbaugruppe montiert, um die Optik zu stabilisieren und sie von Vibrationen des Raumfahrzeugs zu isolieren. Dies ist notwendig, um Jitter zu beseitigen, der eine stabile Laserkopplung zwischen der Erde und der Raumsonde Psyche verhindern könnte.
„Mit optischer Kommunikation oder Laserkommunikation können sehr hohe Datenraten erreicht werden, aber der Nachteil ist, dass es sich um einen sehr schmalen Laserstrahl handelt, der eine sehr genaue Ausrichtungssteuerung erfordert“, sagte Biswas Reportern vor dem Start. „Zum Beispiel die Plattformstörung durch.“ Ein typisches Raumschiff würde die Ausrichtung beeinträchtigen, daher müssen Sie sich aktiv davon isolieren oder dagegen vorgehen.
„Bei erdnahen Missionen kann man einfach dagegen steuern, weil man über genügend Kontrollbandbreite verfügt“, sagte er. „Aus dem Weltraum, wo die empfangenen Signale sehr schwach sind, hat man nicht so viel Kontrollbandbreite, also muss man sich von der Störung isolieren.“
Es gibt noch einen weiteren Nachteil der Laserkommunikation direkt zur Erde aus dem Weltraum. Die Wolkendecke über den Sende- und Empfangsteleskopen auf der Erde könnte Signale blockieren, sodass ein funktionsfähiges optisches Kommunikationsnetz mehrere Bodenknoten an verschiedenen Standorten auf der ganzen Welt erfordert, idealerweise in Gebieten, die für ihren klaren Himmel bekannt sind.