Космічні лазери вплинуть на те, як ми спілкуємося з Марсом

У грудні 2023 року крихітний супутник із золотистою кришкою передав відео, на якому помаранчевий кіт на ім’я Тейтерс ганяється за лазерною указкою вгору-вниз по дивану. 15-секундна пригода Тейтерса транслювалася на відстані 19 мільйонів кілометрів від Землі. Через кілька місяців фотографії та відео домашніх улюбленців співробітників NASA летіли крізь космос, делікатно упаковані в лазерні промені, які за 101 секунду долетіли до Землі зі швидкістю світла.

Окрім того, що НАСА зробило крок назустріч кожному власнику домашнього улюбленця на Землі, ця демонстрація покликана протестувати оптичні системи зв’язку як спосіб передачі даних на віддалені космічні апарати зі значно більшою швидкістю, ніж радіохвилі. “Це те, над чим ми працювали десятиліттями, – розповіла Gizmodo Міра Шрінівасан (Meera Srinivasan), керівник відділу оптичного зв’язку в далекому космосі (DSOC) Лабораторії реактивного руху (JPL) НАСА, – Нам потрібно було розробити цю технологію. “Нам потрібно було розробити цю технологію і зробити її придатною для операцій, зокрема, в космічному середовищі”.

Нова ера космічного зв’язку

Знадобилися роки досліджень і невеликих демонстрацій технології, яка передавала дані на короткі відстані, наприклад, від Землі до Місяця, перш ніж DSOC був готовий до польоту. Польотний лазерний приймач DSOC, запущений у жовтні 2023 року, прикріплений до космічного апарату Psyche (який виконує власну місію з дослідження однойменного астероїда).

У той час як “Психея” покладається на традиційний радіозв’язок, лазерний приймач DSOC є першою демонстрацією оптичного зв’язку на відстанях аж до Марса. У листопаді прилад вперше побачив світло і передав дані, закодовані за допомогою лазера ближнього інфрачервоного діапазону, з відстані майже 10 мільйонів кілометрів від Землі.

Так, ми говоримо про невидимі промені, що летять зі швидкістю світла і несуть дані високої чіткості з глибокого космосу на Землю. Ось як це працює: Оптичні системи зв’язку упаковують дані в коливання світлових хвиль у лазерах, кодуючи повідомлення в оптичний сигнал, який передається до приймача за допомогою інфрачервоних променів, які людське око не може бачити.

Як працює оптичний зв’язок

З моменту запуску першого супутника в 1950-х роках НАСА та інші космічні агентства покладалися на радіочастотний зв’язок для передачі даних у космос і з космосу. І радіосигнали, і лазерні сигнали є частиною електромагнітного спектру і поширюються з однаковою швидкістю, але кожен з них має різну довжину хвилі. Лазери передають дані в ближній інфрачервоній частині електромагнітного спектра, тому вони мають меншу довжину хвилі і вищу частоту. Це означає, що на певній відстані інфрачервоних хвиль більше, ніж радіохвиль, що дозволяє вмістити більше даних в інфрачервоні хвилі.

“Це впливає на обсяг даних, які ви можете вмістити, – каже Шрінівасан. “Очевидно, що це дає змогу передавати дані з вищою роздільною здатністю, тому що ви можете надсилати набагато більше бітів за той самий проміжок часу”. Експеримент DSOC має на меті продемонструвати швидкість передачі даних у 10-100 разів більшу, ніж сучасні радіочастотні системи, що використовуються космічними апаратами, повідомляє NASA.

Якщо розглядати відео з кішкою, то традиційному радіопередавачу Psyche, який має швидкість передачі даних 360 кілобіт на секунду, знадобилося б 426 секунд, щоб передати відео. Тим часом лазерному передавачу DSOC знадобилося лише 0,58 секунди, щоб передати відео зі швидкістю 267 мегабіт на секунду. Однак і радіо, і лазеру знадобилося б стільки ж часу, щоб дістатися до Землі зі швидкістю світла.

“За допомогою оптичного зв’язку ви, по суті, використовуєте телескопи і лазери для зв’язку, і ви пульсуєте цими лазерними променями”, – сказав Шрінівасан. Експеримент DSOC має бортовий лазерний приймач і дві наземні станції: телескоп Хейла з апертурою 200 дюймів (5 метрів) в Паломарській обсерваторії Каліфорнійського технологічного інституту в Сан-Дієго, який діє як станція низхідної лінії зв’язку, і Лабораторія телескопів оптичного зв’язку на об’єкті Лабораторії космічних досліджень на горі Тейбл-Маунтін в Каліфорнії, яка є станцією висхідної лінії зв’язку.

Станція висхідної лінії зв’язку надсилає імпульсний лазерний сигнал на польотний термінал, який обладнаний камерою, що здатна підраховувати окремі фотони. Польотний термінал використовує наземний передавач як маяк, орієнтуючись на нього, щоб націлитися туди, куди він спрямовує лазерний промінь. Використовуючи наземний передавач, бортовий термінал надсилає свої дані у вигляді лазерних імпульсів на Землю.

Виклики і майбутнє космічних лазерів

Звучить досить просто, то чому ж НАСА не покладалося на ці круті космічні лазери весь цей час? Ну, оптичний зв’язок не позбавлений викликів. Коли лазерний промінь досягає Землі, він набагато вужчий за радіосигнал і має ширину лише кілька сотень миль порівняно з радіосигналом шириною приблизно 1,5 мільйона миль (2,5 мільйона кілометрів). Його вузька ширина вимагає більшої точності, щоб досягти приймальної станції на Землі, спрямовуючи лазерний промінь в точку, де наземний телескоп буде на орбіті планети, коли сигнал досягне її.

Оптичний зв’язок використовувався для передачі даних з орбіти Землі та Місяця, але нещодавнє випробування є найдальшою відстанню, яку долають лазерні промені, оскільки НАСА прагне відточити свої навички зв’язку перед майбутніми місіями в далекий космос. Однак, більші відстані ускладнюють для космічних лазерів точне попадання в ціль на Землі – найбільша проблема НАСА полягає в тому, щоб повністю покладатися на лазери для завантаження даних з далекого космосу.

Поки космічний апарат Psyche продовжує свою подорож до поясу астероїдів довжиною 2,2 мільярда миль (3,6 мільярда кілометрів), інженерна команда DSOC продовжуватиме тестувати систему зв’язку і щотижня перевірятиме стан лазерного приймача. Чим далі “Психея” відлітатиме до своєї астероїдної цілі, тим слабшим ставатиме сигнал лазерних фотонів.

Поки що експеримент б’є рекорди по мірі віддалення від Землі. У липні DSOC надіслав лазерний сигнал із Землі на космічний апарат Psyche з відстані близько 290 мільйонів миль (460 мільйонів кілометрів), що дорівнює відстані між Землею і Марсом, коли ці дві планети знаходяться на найбільшій відстані одна від одної.

Шрінівасан з НАСА очікує, що місії почнуть покладатися на лазери протягом наступних 10 років або близько того, підкреслюючи необхідність побудови телескопів, призначених для оптичного зв’язку, щоб мати кілька варіантів наземних об’єктів, які можуть приймати дані.

“Я думаю, що це буде рішення для обох [радіо- і лазерного зв’язку]”, – сказав Шрінівасан. “Лазерний зв’язок – це канал з високою швидкістю передачі даних, який використовується для передачі відео високої чіткості, набагато багатших наукових даних і так далі, але для радіочастотного зв’язку завжди знайдеться місце”.