Die NASA verbessert ihre Kommunikation mit Hilfe von Laser-Technologie
08/08/23 11:12
Geplant für den Herbst dieses Jahres soll die NASA mit dem "Deep Space Optical Communications" (DSOC) Projekt testen, wie Laser die Übertragung von Daten im Weltraum erheblich beschleunigen könnten, weit über die Kapazität der aktuell genutzten Funkfrequenzsysteme hinaus. Durch diese Technologiedemonstration könnte DSOC den Weg für eine Breitbandkommunikation ebnen, die bei der Unterstützung des nächsten großen Schritts der Menschheit hilft: wenn die NASA Astronauten zum Mars schickt.
Der DSOC-Nahinfrarot-Lasertransceiver, ein Gerät zum Senden und Empfangen von Daten, wird mit der NASA-Mission Psyche im Oktober zu einem metallreichen Asteroiden namens Psyche geschickt. Während der ersten zwei Jahre der Mission wird der Transceiver mit zwei Bodenstationen in Südkalifornien kommunizieren und dabei empfindliche Detektoren, leistungsstarke Laser-Sender und innovative Methoden zur Entschlüsselung von Signalen testen, die aus dem Weltraum gesendet werden.
Die NASA setzt auf die Laserkommunikation, da sie das Potenzial hat, die Bandbreite von Radiowellen zu übertreffen, die seit über einem halben Jahrhundert in der Raumfahrt verwendet werden. Sowohl Funk- als auch Nahinfrarot-Laserkommunikation nutzen elektromagnetische Wellen, um Daten zu übertragen, aber das Nahinfrarotlicht packt die Daten in viel engere Wellen, was den Bodenstationen ermöglicht, mehr Daten gleichzeitig zu empfangen.
"DSOC wurde entwickelt, um die Datenübertragungskapazität von modernen Funksystemen im Weltraum um das 10- bis 100-fache zu demonstrieren", erklärte Abi Biswas, Projektingenieur von DSOC am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. "Während hochbandbreitige Laserkommunikation in erdnahen Umlaufbahnen und bei Mondsatelliten bereits erfolgreich getestet wurde, stellen sich im Deep Space neue Herausforderungen."
Angesichts der steigenden Anzahl von Raumfahrtmissionen ins All, die deutlich mehr Daten in Form von komplexen wissenschaftlichen Messungen, hochauflösenden Bildern und Videos generieren, spielen Experimente wie DSOC eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung von Technologien, die zukünftig von Raumfahrzeugen und Bodensystemen regelmäßig genutzt werden können.
"DSOC markiert die nächste Phase in NASAs Plänen zur Entwicklung von revolutionären, verbesserten Kommunikationstechnologien, die die Datenübertragung aus dem Weltraum erhöhen können - was für die zukünftigen Ziele der Agentur von großer Bedeutung ist", sagte Trudy Kortes, Direktorin des Technologie-Demonstrations-Programms (TDM) am NASA-Hauptquartier in Washington. "Wir sind begeistert, diese Technologie während des Flugs von Psyche zu testen."
Wegweisende Technologien
Der an Bord von Psyche befindliche Transceiver umfasst mehrere innovative Technologien, darunter eine bisher nie verwendete photonenzählende Kamera, die an einem Teleskop mit einem Durchmesser von 8,6 Zoll (22 Zentimetern) befestigt ist und seitlich am Raumschiff angebracht wurde. Der Transceiver wird eigenständig nach dem hochleistungsstarken Nahinfrarot-Laser-Uplink suchen und sich auf dieses Signal "ausrichten", das vom Optical Communication Telescope Laboratory an der Table Mountain Facility des JPL in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien, übertragen wird. Der Laser-Uplink wird auch dazu dienen, Befehle an den Transceiver zu übermitteln.
"Der leistungsstarke Uplink-Laser ist ein entscheidender Bestandteil dieser Technologiedemonstration für höhere Datenraten bei Raumfahrzeugen, und Upgrades unserer Bodensysteme ermöglichen optische Kommunikation für zukünftige Tiefraummissionen", erklärte Jason Mitchell, Programmleiter des Space Communications and Navigation (SCaN)-Programms der NASA am Hauptquartier der NASA.
Sobald der Transceiver den Uplink-Laser erfasst hat, wird er das 200-Zoll-Hale-Teleskop im Palomar-Observatorium des Caltech in San Diego County, Kalifornien, rund 160 Kilometer südlich des Table Mountain, anvisieren. Der Transceiver wird dann seinen eigenen Nahinfrarot-Laser verwenden, um Daten mit hoher Geschwindigkeit zum Palomar zu übertragen. Um etwaige Raumfahrzeugvibrationen zu minimieren, die den Laser von seinem Ziel ablenken könnten, ist der Transceiver mit modernsten Stützen an die Psyche befestigt.
Um den Laser-Downlink mit hoher Datenrate vom DSOC-Transceiver zu empfangen, wurde das Hale-Teleskop mit einer neuartigen Einrichtung aus supraleitenden Nanodraht-Einzelpartikeldetektoren ausgestattet. Diese Einrichtung ist kryogen gekühlt, sodass sogar ein einzelnes Laserphoton (ein winziges Lichtteilchen) erfasst und seine Ankunftszeit genau aufgezeichnet werden kann. Das Laserlicht wird in Form von Impulsen übertragen und muss mehr als 320 Millionen Kilometer zurücklegen - die größte Entfernung, die während dieser Technologiedemonstration erreicht wird -, bevor die schwachen Signale erfasst und verarbeitet werden können, um die darin enthaltene Information zu extrahieren.
"Jedes einzelne Bauteil von DSOC repräsentiert innovative Technologie, angefangen bei den leistungsstarken Uplink-Lasern bis hin zum Zielsystem am Teleskop des Transceivers und den äußerst empfindlichen Detektoren, die die einzelnen Lichtteilchen zählen können, sobald sie eintreffen", erklärte Bill Klipstein vom JPL, der Projektleiter von DSOC. "Das Team musste sogar neuartige Signalverarbeitungstechniken entwickeln, um Informationen aus solch schwachen Signalen zu extrahieren, die über große Entfernungen übertragen werden."
Die erheblichen Entfernungen stellen eine zusätzliche Herausforderung für diese Technologiedemonstration dar: Je weiter Psyche reist, desto länger benötigen die Lichtteilchen, um ihr Ziel zu erreichen, was zu Verzögerungen von bis zu zehn Minuten führt. Die Positionen von Erde und Raumfahrzeug ändern sich ständig während der Reise der Laserlichtteilchen, weshalb diese Verzögerungen ausgeglichen werden müssen.
"Die präzise Ausrichtung des Lasers über Millionen von Kilometern hinweg und die Berücksichtigung der relativen Bewegung von Erde und Psyche stellen eine faszinierende Herausforderung für unser Projekt dar", betonte Biswas.
