НАСА испытывает космические лазеры для передачи данных на Землю

Это как перейти с коммутируемого соединения на высокоскоростной Интернет.

Отредактировано 2023-25-06
Космический аппарат LCRD стреляющий красными лазерами в изображении художникаДемонстрация ретрансляции лазерной связи (LCRD) - это новейшая миссия НАСА, призванная сделать передачу данных из космоса более быстрой, безопасной и энергоэффективной.

Связь в космосе может быть сложной. Но рано утром 7 декабря НАСА запустило демонстрационный проект Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), который планирует улучшить связь между космосом и землей с помощью популярной фантастической концепции: невидимых лазеров.

Используя технологию, разработанную НАСА в 2013 году в рамках демонстрации лунной лазерной связи, LCRD будет передавать данные на Землю со скоростью 1,2 гигабита в секунду, что примерно в два раза превышает скорость передачи данных его предшественника. Это достаточно быстро, чтобы загрузить весь фильм Дени Вильнева менее чем за минуту.

Гленн Джексон, руководитель проекта полезной нагрузки LCRD, говорит, что демонстрационный образец может когда-нибудь помочь провести интернет-сети вокруг Луны и даже Марса. "В настоящее время мы используем радиочастоты для передачи данных и видео на Землю", - говорит Джексон. "Лазерная связь увеличивает пропускную способность и позволяет нам получать больше данных на Землю от астронавтов и научных миссий".

Как работает лазерный комм?

Лазерная связь, также называемая оптической связью, использует свет для передачи информации. Эта технология уже существует на Земле в таких повседневных предметах, как пульты дистанционного управления телевизором и тепловые лампы, но обычно используется в гораздо меньших масштабах, чем те, которые НАСА планирует построить во время исследования Солнечной системы.

В течение десятилетий астронавты и инженеры полагались исключительно на радиоволны, или электромагнитные частоты, для передачи сообщений туда и обратно между космическими кораблями и Землей. Но поскольку радиосигналы распространяются со скоростью света, как и свет, они рассеиваются на больших расстояниях.

Такое рассеивание может вызвать задержки в передаче данных и поставить под угрозу миссию, если ученые не смогут связаться с космическим аппаратом достаточно быстро, чтобы помочь ему выйти из затруднительной ситуации. Один из самых известных случаев сбоя связи произошел в 2020 году, когда станция Deep Space Station 43 - единственная радиоантенна на Земле, которая могла поддерживать связь с самой продолжительной космической миссией НАСА "Вояджер-2" - была отключена для технического обслуживания. Агентство сразу же потеряло возможность отправлять команды космическому кораблю-ветерану, пока не смогло восстановить связь почти год спустя.

Чтобы избежать подобной катастрофы и ускорить космическую связь, в последней демонстрации агентства планируется использовать инфракрасные лазеры для передачи информации обратно на Землю. В отличие от радиоволн, лазеры генерируют очень плотный пучок света, что означает, что они могут преодолевать огромные расстояния без влияния диффузии. Эти лучи также невидимы, если только они не направлены прямо в глаза, потому что в космосе им не от чего отражаться.

Благодаря использованию более короткой длины волны, чем радиоволны, лазерная связь позволит ученым передавать в 10-100 раз больше данных, чем это делают сегодня обычные радиосистемы. Но как это работает?

На борту LCRD установлена мощная высокоскоростная электроника, которая помогает управлять его работой, а также два оптических модуля, или телескопа, каждый из которых имеет свое собственное назначение. Один телескоп принимает данные от космического аппарата пользователя, а другой передает их обратно на землю. По данным НАСА, если для передачи полной карты Марса радиосистемам на борту современного космического аппарата требуется около девяти недель, то лазерная технология может сократить это время до девяти дней.

Запуск ракеты НАСА LCRD на мысе Канаверал, штат ФлоридаРакета Atlas V компании United Launch Alliance стартует с космической испытательной программой 3 (STP-3) Министерства обороны со стартового комплекса 41 на космодроме на мысе Канаверал во вторник, 7 декабря 2021 года. На космическом аппарате Space Test Program Satellite-6 (STPSat-6) размещены демонстрационный аппарат НАСА Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) и ультрафиолетовый спектрокоронограф (UVSC) Pathfinder Лаборатории военно-морских исследований НАСА и США. Джоэл Ковски/НАСА

В чем именно заключается миссия LCRD?

После того, как первоначальный старт с мыса Канаверал неоднократно откладывался из-за утечки керосина в системе хранения топлива, на этой неделе LCRD наконец-то получил зеленый свет для запуска в качестве одной из двух полезных нагрузок в рамках программы космических испытаний спутника-6 Космических сил США. Ракета Atlas V была видна всего около двух минут после старта, когда она набрала достаточную скорость (более 2 200 миль в час), чтобы покинуть атмосферу Земли.

В настоящее время LCRD находится на геосинхронной орбите на высоте более 22 000 миль над Землей (примерно десятая часть пути до Луны), где он проведет два года в процессе испытаний и экспериментов, прежде чем начнет поддерживать научные миссии. Он начнет работать уже в январе, а к марту ученые НАСА смогут проводить с ним эксперименты.

В рамках первого сквозного оптического ретранслятора агентства спутники, вращающиеся вокруг планеты, будут передавать данные на две наземные станции в Калифорнии и на Гавайях. Но лазеры не являются абсолютно неуязвимыми - как облака блокируют солнце, так и они могут нарушить лазерные сигналы, поэтому наземные станции НАСА необходимо разместить в районах с большой высотой и исторически хорошей погодой. Если все пойдет по плану, то в 2022 году астронавты на борту Международной космической станции станут одними из первых, кто будет использовать LCRD для передачи научных данных с различных приборов на Землю.

Во время запуска Кэти Людерс, помощник администратора Управления космических операций НАСА, сказала, что демонстрация LCRD не только является важным скачком для связи между космосом и землей, эта технология необходима для успеха "Артемиды", следующей итерации миссий США с экипажем.

"Нам необходимо усовершенствовать наши системы связи, чтобы иметь возможность осуществлять пилотируемые космические полеты вокруг Луны", - сказала Людерс. Если демонстрация окажется неудачной, отметила она, это может отбросить связь НАСА на пять-десять лет назад.

Почему это так важно?

Поскольку космос становится все более тесным, а спутники собирают все больше данных, лазерная связь предлагает более экономичную и быструю альтернативу существующей технологии. Хотя система не заменит традиционные методы в ближайшее время, Лейдерс сказал, что легко представить радио как коммутируемое соединение, а лазеры как высокоскоростной интернет.

Хотя вся полезная нагрузка имеет размер примерно как матрас королевских размеров, она все же более компактна и потребляет меньше энергии, чем самые мощные радиосистемы, что делает ее идеальной для миссий, в которых потребуется дополнительное грузовое пространство. А в Солнечной системе эти детали могут означать разницу между неудачей и успехом миссии.

"[Лазерная связь] уменьшает вес и энергию, необходимые для связи в космических аппаратах и космических исследованиях, - говорит Джексон. Это означает, что появится больше места для таких предметов, как топливо, инструменты для получения изображений, а когда-нибудь, возможно, и для астронавтов".

Винсент Чан, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, считает, что день, когда оптические коммуникации станут коммерческим продуктом, может наступить относительно скоро. Он говорит, что благодаря влиянию таких компаний, как SpaceX и Blue Origin, будущее лазерных технологий светлое.

"Оптика для больших расстояний всегда имеет преимущество", - говорит Чан. Помимо LCRD, НАСА в настоящее время планирует разработать еще несколько миссий, в которых будут проверяться возможности лазеров, включая систему оптической связи Orion Artemis II и полезную нагрузку на борту космического аппарата Psyche, который будет проверять, как лазеры ведут себя в условиях глубокого космоса.