Die NASA hat gerade Laserkommunikation ins All gestartet

Es kann schwierig sein, im Weltraum zu kommunizieren. Aber in den frühen Morgenstunden des 7. Dezember Die NASA startete ihre Demonstration des Laserkommunikationsrelais (LCRD), das die Weltraum-Boden-Kommunikation mit einem beliebten Science-Fiction-Konzept verbessern will: unsichtbare Laser.

Verlassen Sie sich auf die Technologie von NASA Lunar Laser Communications Demonstration 2013LCRD wird Daten mit 1,2 Gigabit pro Sekunde zur Erde übertragen, ungefähr doppelt so viel wie sein Vorgänger. Es ist schnell genug, um einen kompletten Denis Villeneuve-Film in weniger als einer Minute herunterzuladen.

Glenn Jackson, Projektmanager für LCRD-Nutzlast, sagt, Demo könnte eines Tages helfen Wickeln Sie Internetnetzwerke um den Mond und sogar Mars. „Derzeit verwenden wir Hochfrequenz, um Daten und Videos zur Erde zu übertragen“, sagte Jackson. „Die Laserkommunikation erhöht diese Bandbreite und ermöglicht es uns, mehr Daten von Astronauten und wissenschaftlichen Missionen zur Erde zu bringen.“

Wie funktioniert Laserkommunikation?

Laserkommunikation, auch als optische Kommunikation bekannt, verwendet Licht, um Informationen zu übertragen. Die Technologie existiert bereits auf der Erde in Alltagsgegenständen wie TV-Fernbedienungen und Wärmelampen, wird jedoch typischerweise in viel kleinerem Maßstab eingesetzt als das, was die NASA bei der Erforschung des Sonnensystems bauen will.

Seit Jahrzehnten verlassen sich Astronauten und Ingenieure ausschließlich auf Radiowellen oder elektromagnetische Frequenzen, um Nachrichten zwischen Raumfahrzeugen und Erde zu senden. Da sich Funksignale jedoch wie Licht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, diffundieren sie über große Entfernungen.

Diese Übertragung kann Übertragungsverzögerungen verursachen und eine Mission gefährden, wenn Wissenschaftler ein Raumschiff nicht schnell genug erreichen können, um es aus einer schwierigen Situation zu befreien. Einer der bekanntesten Fälle von Kommunikationsunfällen ereignete sich im Jahr 2020, als Entfernte Raumstation 43– Die einzige Funkantenne der Erde, die mit der längsten Weltraummission der NASA, Voyager 2, kommunizieren konnte, wurde wegen Wartungsarbeiten abgeschaltet. Die Agentur verlor sofort die Fähigkeit, Befehle an das Veteranen-Raumschiff zu senden, bis sie fast ein Jahr später den Kontakt wieder aufnehmen konnte.

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Um diese Art von Katastrophe zu verhindern und die Weltraumkommunikation zu beschleunigen, plant die neueste Demonstration der Agentur, Infrarotlaser zu verwenden, um Informationen zur Erde zurückzusenden. Im Gegensatz zu Radiowellen erzeugen Laser einen sehr schmalen Lichtstrahl, was bedeutet, dass sie große Entfernungen zurücklegen können, ohne durch Streuung beeinträchtigt zu werden. Diese Strahlen sind auch unsichtbar, es sei denn, sie werden direkt ins Auge geschossen, da sie im Weltraum nichts zum Abprallen haben.

Durch die Verwendung einer Energiewellenlänge, die kürzer ist als die von Funkwellen, wird die Laserkommunikation es Wissenschaftlern ermöglichen, bis zu 10- bis 100-mal mehr Daten zu senden als herkömmliche Funksysteme heute. Aber wie funktioniert es?

An Bord hat das LCRD eine leistungsstarke Hochgeschwindigkeitselektronik, die seine Leistung steuert, sowie zwei optische Module oder Teleskope mit jeweils eigenem Objektiv. Ein Teleskop empfängt Daten von der Raumsonde des Benutzers, während das andere Daten zum Boden überträgt. Während es laut NASA etwa neun Wochen dauert, bis Funksysteme an Bord eines aktuellen Raumfahrzeugs eine vollständige Karte des Mars übertragen, könnte die Lasertechnologie diese Zeit auf neun Tage verkürzen.

Was genau ist die Mission des LCRD?

Nachdem sich sein erster Abflug von Cape Canaveral aufgrund eines Kerosinlecks in seinem Treibstoffspeichersystem wiederholt verzögert hatte, erhielt das LCRD diese Woche endlich grünes Licht für den Start als eine der beiden Nutzlasten des Weltraumtestprogramms der US-amerikanischen Space Force. 6 Missionen. Die Atlas-V-Rakete war nach dem Start nur etwa zwei Minuten lang zu sehen, da sie genug Geschwindigkeit (über 2.200 Meilen pro Stunde) erreichte, um die Erdatmosphäre zu verlassen.

Derzeit befindet sich das LCRD in einer geosynchronen Umlaufbahn mehr als 32.000 Meilen über der Erde (etwa ein Zehntel der Entfernung zum Mond), wo es zwei Jahre lang Tests und Experimente durchmachen wird, bevor es wissenschaftliche Missionen unterstützt. Es wird im Januar anfangen zu leuchten, und Wissenschaftler der NASA sollten bis März Experimente damit durchführen können.

Für das erste durchgehende optische Relais der Agentur werden Satelliten, die den Planeten umkreisen, Daten an zwei Bodenstationen in Kalifornien und Hawaii übertragen. Aber Laser sind nicht völlig unbesiegbar – genau wie Wolken die Sonne blockieren, können sie auch Lasersignale stören – was bedeutet, dass NASA-Bodenstationen in Höhenlagen und historisch bei gutem Wetter platziert werden mussten. Wenn alles nach Plan läuft, werden im Jahr 2022 Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation ISS zu den ersten gehören, die LCRD nutzen, um wissenschaftliche Daten von verschiedenen Instrumenten zur Erde zu übertragen.

Beim Start sagte Kathy Lueders, stellvertretende Direktorin der NASA Space Operations Mission, dass die LCRD-Demonstration nicht nur ein bedeutender Sprung für die Weltraum-Boden-Kommunikation ist, sondern die Technologie auch für den Erfolg von Artemis, die nächste Iteration amerikanischer bemannter Missionen.

„Wir müssen unsere Kommunikationssysteme verbessern, um bemannte Raumfahrtaktivitäten rund um den Mond durchführen zu können“, sagte Lüders. Wenn die Demonstration fehlschlägt, könnte dies die NASA-Kommunikation möglicherweise um fünf bis zehn Jahre verzögern.

Warum ist das so eine große Sache?

Da der Weltraum zunehmend überlastet wird und Satelliten mehr Daten sammeln, bietet die Laserkommunikation sowohl eine kostengünstigere als auch eine schnellere Alternative zur aktuellen Technologie. Obwohl das System die traditionellen Methoden in absehbarer Zeit nicht ersetzen wird, kann man sich Radio als DFÜ-Verbindung und Laser als Highspeed-Internet gut vorstellen, sagte Leuders.

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Obwohl die gesamte Nutzlast etwa so groß ist wie eine Kingsize-Matratze, ist sie dennoch kompakter und verbraucht weniger Strom als leistungsfähigere Funksysteme, was sie ideal für Missionen macht, die zusätzlichen Laderaum erfordern. Und im Sonnensystem könnten diese Details den Unterschied zwischen dem Scheitern einer Mission und dem Erfolg einer Mission ausmachen.

„[Laser communication] verringert das Gewicht und die Energie, die für die Kommunikation zwischen Raumfahrzeugen und Weltraumforschung erforderlich sind “, sagt Jackson. Das bedeutet, dass es mehr Platz für Gegenstände wie Treibstoff, Bildgebungswerkzeuge und eines Tages vielleicht sogar für Astronauten gibt.

Vincent Chan, Professor für Elektrotechnik und Informatik am Massachusetts Institute of Technology, glaubt, dass der Tag, an dem die optische Kommunikation zu einem kommerziellen Produkt wird, relativ bald kommen könnte. Er sagt, dass aufgrund des Einflusses von Unternehmen wie EspaceX und Blauer Ursprung, die Zukunft der Lasertechnologie ist rosig.

„Die Fernoptik hat immer einen Vorteil“, sagt Chan. Neben dem LCRD plant die NASA auch, weitere Missionen zu entwickeln, die die Laserfähigkeiten testen, einschließlich der Optisches Kommunikationssystem Orion Artemis II und eine Nutzlast an Bord Psyche, ein Raumfahrzeug, das die Leistung von Lasern in Weltraumumgebungen testen wird.