Быстрая загрузка: Почему НАСА обращается к лазерам для космической связи нового поколения | Наука

Охотник за астероидами НАСА Психика, недавно запущен в космос, призван предложить нам видение тела, которое могло бы напоминать глубины Земли, куда мы никогда не сможем добраться. Однако инструмент, который сопровождает его в этом путешествии, вызывает интерес у ученых, специализирующихся в совершенно другой области: в области космической связи. С самого начала космической эры такая связь опиралась на радиоволны, и это лишь небольшая часть электромагнитный спектр. Но ученые надеются вскоре расширить сферу своей деятельности и на другую часть спектра. Его цель — добавить лазеры к нашим космическим средствам связи.

Основная миссия космического корабля Психика Целью исследования является исследование астероида в форме картофеля длиной 232 километра, орбита которого примерно в три раза дальше от Солнца, чем у Земли. Одна из основных теорий утверждает, что целевой астероид, также называемый Психикапредставляет собой металлическое ядро возможная древняя планета потерявший свою каменистую поверхность после постоянных столкновений в поясе астероидов между Марсом и Юпитером.

Если да, то изучите свое уникальное сочетание железо, никель и камень Возможно, это самое близкое к исследованию металлического ядра Земли.

Космическому кораблю потребуется шесть лет, чтобы прибыть и выяснить, верны ли измерения астероида, предполагающие наличие металлической поверхности. Если так, то мы могли бы оказаться перед более внеземным объектом, чем авторы мякоть 1940-х и 1950-х годов, когда металлические выбросы приобрели странную форму из-за столкновений с другими астероидами.

Но исследователи космической связи начнут видеть результаты гораздо раньше. Испытание оптической связи в глубоком космосе (DSOC) станет первой демонстрацией лазерной или оптической связи за пределами Луны и может способствовать возвращение космонавтов на Луну и совершим следующий большой прыжок: на Марс. Это также представляет собой ключевой шаг в открытии новой эры в космической связи.

Если этот и другие тесты пройдут так, как ожидалось, лазеры обеспечат необходимое увеличение пропускной способности основной системы внепланетной связи, называемой Сетью глубокого космоса (DSN). ). Три радиоантенны DSN, каждая из которых оснащена 70-метровой спутниковой тарелкой и расположены на расстоянии 120 градусов друг от друга в Испании, Австралии и калифорнийской пустыне, столкнулись с огромной пробкой. пропорции. В настоящее время потребности десятков космических миссий, от телескоп Джеймса Уэбба Даже небольшим коммерческим спутникам (которые платят за услугу) приходится конкурировать за время работы в сети.

«Между различными миссиями могут возникать противоречивые запросы», — говорит Майк Левеск, менеджер проекта DSN в офисе космической связи и навигации (SCaN). от НАСА. «20% заявок сегодня не удовлетворены. Проблема со временем будет только усугубляться. В 2030 году она составит 40%».

А в ближайшее время будет запущено еще 40 космических миссий, каждая из которых потребует времени от сети связи. Что еще более важно, некоторые из этих миссий будут пилотируемыми, с приборами, передающими видео высокой четкости и показания метаболизма астронавтов, пока они работают на Луне, строят лаборатории и убежища. Они не захотят, чтобы им сказали, что им придется ждать коммерческого CubeSat, мини-спутников, которые передают различные типы научных данных и обеспечивают подключение к Интернету и которые получили широкое распространение на низкой околоземной орбите.

«Задержки могут быть приемлемыми для науки, но для человеческих миссий нам нужны все руки», — говорит Джейсон Митчелл, руководитель программы SCaN. «Поскольку мы видим, чего хотят люди-космонавты, когда мы отправляемся на Луну, и планируем отправиться на Марс, научные инструменты также будут расти. «Мы могли бы отправлять терабайты данных каждый день».

В недавно запущенном демонстрационном тесте исследователи стремятся воспользоваться большей информационной способностью лазерного света по сравнению с радиоволнами. Оптические длины волн в ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитный спектр Они настолько малы (измеряются в нанометрах), а частоты настолько высоки, что могут содержать гораздо больше информации в одном и том же пространстве, обеспечивая скорость передачи данных в 10–100 раз выше, чем по радио.

«Вот почему оптика — такой хороший вариант», — говорит Митчелл. «Скорость передачи данных очень высокая».

По схожим возможностям лазерные системы также могут быть меньше радиосистем, поэтому им требуется меньше энергии, что является еще одним важным фактором, когда космические корабли путешествуют на несколько сотен миллионов километров от дома.

В течение последнего десятилетия НАСА тестировало новую технологию в различных средах, от низкой околоземной орбиты до Луны. Инструмент на борту Психика сделает возможным первое испытание в глубоком космосе, что является важной вехой, поскольку оптическая связь имеет недостатки. Поскольку лазерный луч узок, его необходимо нацеливать на приемники на Земле с большой точностью, и эта задача возрастает с расстоянием.

Абхиджит Бисвас, технолог проекта DSOC в Лаборатории реактивного движения НАСА, создавший прибор, сравнивает сложность с попыткой попасть в движущийся десятицентовик с расстояния в милю. Даже встряска может помешать: чтобы трансивер оставался стабильным в ПсихикаЛаборатория реактивного движения установила специальные стойки и приводы, чтобы изолировать его от вибраций от космического корабля длиной 81 фут (около 25 метров).

Другими потенциальными проблемами являются облака на Земле, который может блокировать оптический луч, значительно ослабляя сигнал по мере увеличения расстояния и рассеивания луча. Это ограничивает его использование на расстояниях за пределами Марса, по крайней мере, при нынешних технологиях. Поэтому испытание будет проводиться только в течение первых двух лет миссии, прежде чем космический корабль отправится дальше, к самому астероиду.

По этим причинам, а также из-за того, что сегодня не существует наземной сети оптических приемников, никто не прогнозирует время, когда лазерная связь заменит радиоволны. Но я мог бы добавить новый канал. «Будущие операции будут ориентированы на разнообразие», — говорит Бисвас.

Во время испытаний на борту Психика, пятикиловаттный передатчик на Столовой горе в Южной Калифорнии, отправит низкоскоростной пакет связи — ничего экзотического, в основном случайные последовательности, объясняет Бисвас — на лазерный приемопередатчик, прикрепленный к 8,6-дюймовому телескопу. 22 сантиметра) от космического корабля. Прибор захватит луч и загрузит сообщение с помощью камеры, которая считает световые частицы или фотоны, а затем на высокой скорости передаст его на 200-дюймовый (около 508 сантиметров) телескоп Хейла на горе Паломар, недалеко от Сан-Диего. где его точность можно сравнить с оригиналом.

Даже на расстояниях ближе, чем Марс, лазерный сигнал относительно хрупок. Посылка прибыла на телескоп Хейла из Психика Он будет состоять всего из нескольких фотонов, поэтому его декодирование зависит от чрезвычайно чувствительного, криогенно охлаждаемого детектора счета фотонов (сделанного из сверхпроводящих нанопроводов), прикрепленного к телескопу.

Для Бисваса, эксперта в области лазерной спектроскопии, испытание оптической связи является кульминацией десятилетних усилий. «Это очень интересно», — говорит он. «Многие вещи мы делаем впервые».

Хотя лазерная связь, такая как многоместные полосы на автомагистралях, возможно, не предотвратит будущие пробки в сети дальнего космоса, она может помочь некоторым сообщениям избежать пробок в космосе.

Статью перевел Дебби Пончнер.

Эта статья первоначально появилась в Знающий на испанском языкенекоммерческое издание, призванное сделать научные знания доступными каждому.

Вы можете следить МАТЕРИЯ в Фейсбук, Икс е Инстаграмнажмите здесь, чтобы получить наш еженедельный информационный бюллетень.