Schnelle Downloads: Warum die NASA für die Weltraumkommunikation der nächsten Generation auf Laser setzt | Wissenschaft

Der Asteroidenjäger der NASA PsycheDas kürzlich ins All gestartete Objekt soll uns einen Blick auf einen Körper ermöglichen, der den Tiefen der Erde ähneln könnte, wohin wir niemals gelangen können. Ein Instrument, das ihn auf seiner Reise begleitet, begeistert jedoch Wissenschaftler, die auf einem ganz anderen Gebiet spezialisiert sind: dem der Weltraumkommunikation. Seit Beginn des Weltraumzeitalters basiert diese Kommunikation auf Radiowellen, die nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums ausmachen. Die Wissenschaftler hoffen jedoch, ihren Anwendungsbereich bald auf einen anderen Teil des Spektrums auszuweiten. Sein Ziel ist es, Laser zu unseren kosmischen Kommunikationswerkzeugen hinzuzufügen.

Die Hauptmission der Raumsonde Psyche Ziel ist es, einen 232 Kilometer langen, kartoffelförmigen Asteroiden zu erforschen, dessen Umlaufbahn etwa dreimal weiter von der Sonne entfernt ist als die der Erde. Eine der Haupttheorien besagt, dass das Ziel Asteroid, auch genannt Psycheist der metallische Kern eines möglichen antiken Planeten, der nach ständigen Kollisionen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter seine felsige Oberfläche verlor.

Wenn ja, könnte die Erforschung seiner einzigartigen Mischung aus Eisen, Nickel und Gestein der Erforschung des metallischen Kerns der Erde am nächsten kommen.

Es wird sechs Jahre dauern, bis die Raumsonde eintrifft und herausfindet, ob die Messungen des Asteroiden, die auf eine metallische Oberfläche schließen lassen, korrekt sind. Wenn ja, könnten wir uns mit einem außerirdischeren Objekt konfrontiert sehen als die Autoren von Fruchtfleisch der 1940er und 1950er Jahre, mit metallischem Auswurf, der aufgrund von Begegnungen mit anderen Asteroiden zu seltsamen Formen erstarrte.

Aber Weltraumkommunikationsforscher werden viel früher erste Ergebnisse sehen. Der Deep Space Optical Communications (DSOC)-Test wird die erste Demonstration von Laser- oder optischer Kommunikation jenseits des Mondes sein und könnte Astronauten die Rückkehr zum Mond und den nächsten großen Sprung erleichtern: einen Mars. Es stellt auch einen wichtigen Schritt zur Eröffnung einer neuen Ära der Weltraumkommunikation dar.

Wenn dieser und andere Tests wie erwartet funktionieren, werden die Laser die Bandbreitenbeschränkungen des wichtigsten außerplanetaren Kommunikationssystems, dem sogenannten Deep Space Network (DSN), deutlich erhöhen. Die drei Funkantennenstandorte von DSN, die jeweils von einer 70-Meter-Satellitenschüssel dominiert werden und 120 Grad voneinander entfernt in Spanien, Australien und der kalifornischen Wüste liegen, stehen vor einem massiven Stau. Heutzutage müssen die Anforderungen von Dutzenden von Weltraummissionen, vom James-Webb-Teleskop bis hin zu kleinen kommerziellen Satelliten (die für den Dienst bezahlen), um Netzwerkzeit konkurrieren.

„Es kann zu widersprüchlichen Anforderungen zwischen mehreren Missionen kommen“, sagt Mike Levesque, DSN-Projektmanager im Space Communications and Navigation (SCaN)-Büro der NASA. „20 % der Anfragen werden heute nicht erfüllt. Das Problem wird mit der Zeit nur noch schlimmer. Im Jahr 2030 werden es 40 % sein.“

Und in naher Zukunft werden weitere 40 Weltraummissionen gestartet, die jeweils Zeit vom Kommunikationsnetz benötigen. Noch wichtiger ist, dass einige dieser Missionen bemannt sein werden und Instrumente hochauflösende Videos und Stoffwechselwerte von Astronauten übertragen werden, während sie auf dem Mond arbeiten und Labore und Schutzräume bauen. Ihnen wird nicht gesagt, dass sie auf einen kommerziellen CubeSat warten müssen, die Minisatelliten, die verschiedene Arten wissenschaftlicher Daten übertragen und Internetverbindungen bereitstellen und die sich im erdnahen Orbit stark verbreitet haben.

„Verzögerungen mögen für die Wissenschaft akzeptabel sein, aber für bemannte Missionen brauchen wir alle Mann an Deck“, sagt Jason Mitchell, Programmleiter bei SCaN. „Wenn wir sehen, was menschliche Astronauten wollen, wenn wir zum Mond fliegen und planen, zum Mars zu fliegen, werden auch wissenschaftliche Instrumente wachsen.“ „Wir könnten jeden Tag Terabytes an Daten versenden.“

In dem neu gestarteten Demonstrationstest wollen die Forscher die größere Informationsübertragungsfähigkeit von Laserlicht gegenüber Radiowellen nutzen. Optische Wellenlängen im nahen Infrarot des elektromagnetischen Spektrums sind so klein – gemessen in Nanometern – und Frequenzen so hoch, dass sie viel mehr Informationen im gleichen Raum enthalten können, was eine 10- bis 100-mal schnellere Datenübertragungsgeschwindigkeit ermöglicht. im Vergleich zu denen im Radio .

„Deshalb sind Optiken eine so gute Option“, sagt Mitchell. „Die Datengeschwindigkeiten sind sehr hoch.“

Für ähnliche Fähigkeiten können Lasersysteme auch kleiner sein als Funksysteme, sodass sie weniger Strom benötigen – ein weiterer wichtiger Faktor, wenn Raumfahrzeuge einige hundert Millionen Kilometer von ihrem Heimatort entfernt fliegen.

Im letzten Jahrzehnt hat die NASA die neue Technologie in verschiedenen Umgebungen getestet, von der erdnahen Umlaufbahn bis zum Mond. Das Instrument an Bord Psyche wird den ersten Test im Weltraum ermöglichen, ein wichtiger Meilenstein, da die optische Kommunikation Nachteile hat. Da der Laserstrahl schmal ist, muss er mit großer Präzision auf Empfänger auf der Erde gerichtet werden, eine Herausforderung, die mit zunehmender Entfernung zunimmt.

Abhijit Biswas, ein DSOC-Projekttechnologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA, der das Instrument gebaut hat, vergleicht die Schwierigkeit mit dem Versuch, eine bewegliche Münze aus einer Meile Entfernung zu treffen. Sogar eine Erschütterung könnte stören: um den Transceiver stabil zu halten PsycheJPL installierte spezielle Streben und Aktuatoren, um es von Vibrationen des 81 Fuß (ca. 25 Meter) langen Raumfahrzeugs zu isolieren.

Weitere potenzielle Probleme sind Wolken auf der Erde, die den optischen Strahl blockieren können, sowie eine erhebliche Schwächung des Signals mit zunehmender Entfernung und Streuung des Strahls. Dies schränkt den Einsatz in Entfernungen jenseits des Mars ein, zumindest mit der aktuellen Technologie. Daher wird der Test nur in den ersten beiden Jahren der Mission durchgeführt, bevor die Raumsonde weiter zum Asteroiden selbst reist.

Aus diesen Gründen und aufgrund der Tatsache, dass es heute kein terrestrisches Netzwerk optischer Empfänger gibt, sagt niemand voraus, dass die Laserkommunikation die Radiowellen ersetzen wird. Aber ich könnte einen neuen Kanal hinzufügen. „Zukünftige Abläufe werden auf Vielfalt ausgelegt sein“, sagt Biswas.

Bei Tests an Bord Psyche, ein Fünf-Kilowatt-Sender auf dem Tafelberg in Südkalifornien, wird ein langsames Kommunikationspaket – nichts Exotisches, meist zufällige Muster, erklärt Biswas – an einen Laser-Transceiver senden, der am 8,6-Zoll-Teleskop angebracht ist. 22 Zentimeter vom Raumschiff entfernt . Das Instrument erfasst den Strahl und lädt die Nachricht mithilfe einer Kamera herunter, die Lichtteilchen oder Photonen zählt, bevor es sie mit hoher Geschwindigkeit an das 200-Zoll-Hale-Teleskop (ca. 508 Zentimeter) auf dem Mount Palomar in der Nähe von San Diego weiterleitet. wo seine Genauigkeit mit dem Original verglichen werden kann.

Selbst in Entfernungen, die näher als der Mars sind, ist das Lasersignal relativ fragil. Das Paket kommt am Hale-Teleskop an Psyche Es wird nur aus wenigen Photonen bestehen, daher hängt seine Dekodierung von einem äußerst empfindlichen, kryogen gekühlten Photonenzähldetektor (aus supraleitenden Nanodrähten) ab, der am Teleskop angebracht ist.

Für Biswas, einen Experten für Laserspektroskopie, ist der optische Kommunikationstest der Höhepunkt einer jahrzehntelangen Anstrengung. „Es ist sehr aufregend“, sagt er. „Es gibt viele Dinge, die wir zum ersten Mal tun.“

Auch wenn Laserkommunikation, wie z. B. Fahrspuren für mehrere Fahrgäste auf Autobahnen, künftige Staus im Deep Space Network möglicherweise nicht verhindern kann, könnte sie einigen Nachrichten helfen, Staus im Weltraum zu vermeiden.

Artikel übersetzt von Debbie Ponchner.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Auf Spanisch verständlicheine gemeinnützige Publikation, deren Ziel es ist, wissenschaftliche Erkenntnisse für jedermann zugänglich zu machen.

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