Światło na demo NASA w głębokim kosmosie
"Technologia światłowodowa na Ziemi umożliwiła osiągnięcie niesamowitych prędkości transferu danych w aplikacjach takich jak Internet" - mówi Clemens Heese, szef sekcji technologii optycznych w Europejskim Centrum Operacji Kosmicznych ESA w Darmstadt w Niemczech. "Jednak przesyłanie danych za pomocą statków kosmicznych na odległości międzyplanetarne jest nadal ograniczone do korzystania z fal radiowych". "Wykazaliśmy już, że komunikacja optyczna może zaoferować znacznie wyższe prędkości transmisji danych dla satelitów obserwacyjnych i telekomunikacyjnych na niskich orbitach okołoziemskich. Aby jednak wykorzystać ją na dużych odległościach kosmicznych, potrzebujemy laserów o dużej mocy i wysokiej dokładności oraz superczułych detektorów pojedynczych fotonów, które po prostu jeszcze nie istnieją z wymaganą wydajnością". Dzięki wykorzystaniu impulsów światła o wyższej częstotliwości niż fale radiowe, komunikacja optyczna umożliwia przesyłanie większej ilości danych w danym okresie czasu. Ta wyższa szybkość przesyłania danych mogłaby pozwolić przyszłym misjom kosmicznym w pewnych odległościach od Ziemi na przenoszenie bardziej wyrafinowanych instrumentów naukowych i zwracanie znacznie większej ilości danych niż jest to obecnie możliwe. Jednak testowanie nowych technologii podczas misji w głębokim kosmosie, gdzie każdy kilogram ładunku musi być bardzo starannie dobrany, jest rzadką okazją. DSOC NASA jest pierwszą szansą na zbudowanie większego zaufania do komunikacji optycznej w głębokim kosmosie i zwiększenie jej gotowości do wykorzystania w lotach kosmicznych. ESA uczestniczy w demonstracji DSOC w celu zwiększenia europejskiej wiedzy specjalistycznej zarówno w ramach Agencji, jak i poza nią. Zaangażowanie to umożliwi przyszłym europejskim misjom w Układzie Słonecznym rozważenie wykorzystania komunikacji optycznej w głębokim kosmosie i zwiększy europejski potencjał przemysłowy w kluczowym przyszłym sektorze technologii kwantowej komunikacji optycznej z pojedynczym fotonem. ESA i NASA od dawna współpracują w zakresie komunikacji i interoperacyjności w głębokim kosmosie. Współpraca ta pozwala statkom kosmicznym ESA komunikować się ze stacjami naziemnymi NASA, a misjom NASA komunikować się ze stacjami ESA Estrack, podobnie jak europejskie telefony komórkowe są kompatybilne z sieciami komórkowymi w USA i odwrotnie. Ten wzajemnie kompatybilny system zapewnia płynną komunikację na rozległych międzyplanetarnych dystansach i symbolizuje silną międzynarodową współpracę w zakresie eksploracji kosmosu. Współpracując nad demonstracją DSOC, agencje uwzględniają tę interoperacyjność na bardzo wczesnych etapach rozwoju nowego rodzaju komunikacji satelitarnej. Obie agencje opracowują własną infrastrukturę naziemną do komunikacji z DSOC. Ta infrastruktura naziemna musi być zbudowana na dużej wysokości, aby uniknąć jak największej interferencji z ziemską atmosferą i zachmurzeniem. Na przykład obiekt NASA znajduje się w górzystych regionach Kalifornii, wykorzystując panujące tam czyste warunki atmosferyczne. Aby wybrać odpowiednią lokalizację dla infrastruktury naziemnej ESA, zespół rozpoczął od sprawdzenia najbardziej odpowiednich teleskopów optycznych w Europie, które mogłyby zostać wykorzystane do odbioru impulsów laserowych z DSOC. 2,3-metrowy teleskop Aristarchos, znajdujący się na wysokości 2340 m n.p.m. w Obserwatorium Helmos w Grecji, spełniał wszystkie wymagania. Zespół musiał jednak znaleźć odpowiednią lokalizację dla nadajnika laserowego dużej mocy, który będzie używany do wysyłania sygnałów do statku kosmicznego. Nadajnik dużej mocy musi znajdować się w pobliżu, aby sygnały mogły być wysyłane i odbierane z DSOC w tym samym oknie komunikacyjnym. Na szczęście 37 km od obserwatorium Helmos, po drugiej stronie doliny i na szczycie kolejnego szczytu górskiego, znajduje się obserwatorium Kryoneri. Obecnie trwają prace nad przygotowaniem detektora/odbiornika czułego na pojedyncze fotony w obserwatorium Helmos i nadajnika laserowego o dużej mocy w obserwatorium Kryoneri. Naziemny odbiornik laserowy ESA do komunikacji optycznej w głębokim kosmosie będzie miał postać zaawansowanego odbiornika znanego jako "ława optyczna". Odbiornik ten zostanie bezpiecznie zamontowany z tyłu teleskopu Aristarchos. "Detektor odbiornika musi być bardzo czuły, aby wykrywać pojedyncze kwantowe cząstki światła - fotony - z DSOC, przesyłane przez setki milionów kilometrów" - mówi Sinda Mejri, główny inżynier optyczny systemu naziemnego odbiornika laserowego ESA." "Aby wykryć poszczególne fotony, detektor musi być nadprzewodzący, co oznacza, że może przewodzić prąd bez żadnego oporu. Aby to osiągnąć, detektor odbiornika zostanie schłodzony do -272,15 stopni Celsjusza (1 Kelwin). Pochłonięcie fotonu zakłóca stan nadprzewodnictwa detektora, tworząc mierzalny impuls elektryczny". "Podczas gdy jeden piksel, o wielkości zaledwie kilku mikronów, może osiągnąć taką czułość, nasz nowy detektor wymaga 36 takich pikseli, aby działały zgodnie, co stanowi poważne wyzwanie związane z mechaniką kwantową i wymaganym złożonym obwodem elektronicznym". Ponadto detektor stoi przed wyjątkowym wyzwaniem, jakim jest chłodzenie kriogeniczne, przy jednoczesnej możliwości poruszania się, gdy teleskop obraca się i podąża za statkiem kosmicznym po niebie. Systemy kriogeniczne są zazwyczaj odporne na ruch, a zapewnienie stałego chłodzenia podczas ruchu jest kolejnym poważnym wyzwaniem technologicznym. Naziemny odbiornik laserowy zawiera również elektronikę monitorującą siłę sygnału z DSOC. Jeśli sygnał osłabnie, system automatycznie dostosuje pozycję teleskopu, aby utrzymać siłę sygnału i przekaże tę informację do nadajnika laserowego oddalonego o 37 km, zapewniając dokładne wyrównanie. Taka konfiguracja wymaga opracowania specjalistycznego oprogramowania sterującego, aby skutecznie koordynować te operacje. Rozwój naziemnego odbiornika ESA rozpoczął się na początku tego roku. Po ukończeniu zostanie on wysłany do Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Kalifornii w celu przetestowania kompatybilności z inżynieryjnym modelem testowym nadajnika DSOC. Opracowanie nadajnika laserowego o dużej mocy w Kryoneri stanowi również wyzwanie technologiczne. "Laser musi być tak potężny, że w rzeczywistości zniszczyłby powłokę ochronną własnych komponentów optycznych i luster oraz stopiłby konwencjonalne światłowody, gdyby nie został zaprojektowany z zachowaniem niezbędnych środków ostrożności" - mówi Andrea Di Mira, główny inżynier optyczny naziemnego nadajnika laserowego ESA. "Łączymy do siedmiu oddzielnych wiązek, które muszą ze sobą płynnie współpracować". Dzięki połączeniu siedmiu wiązek, laser ESA będzie w stanie przesyłać fotony zakodowane z informacjami wystarczająco jasnymi, aby DSOC mógł je wykryć, gdy znajdzie się w odległości około 1,5-2,5 jednostek astronomicznych (220-370 milionów km) od Ziemi. Odległości te byłyby typowe na przykład dla przyszłej misji na Marsa. NASA uważa, że może być w stanie przenieść tę technologię na jeszcze większe odległości. Oprócz wysokiej jasności, wiązka lasera musi być precyzyjnie skierowana w kierunku odległego statku kosmicznego. Wymagana precyzja przypomina świecenie wskaźnikiem laserowym z Ziemi w mały krater na Księżycu. Rozpoczęły się prace nad przygotowaniem miejsca dla nadajnika w Kryoneri. Po ich zakończeniu system zostanie przetestowany przy zmniejszonej mocy przy użyciu optycznego terminala komunikacyjnego Alphasat, europejskiego satelity demonstracyjnego technologii, który znajduje się obecnie na orbicie geostacjonarnej. Udział ESA w demonstracji DSOC jest możliwy dzięki konsorcjum europejskich firm, w tym qtlabs, Single Quantum, General Atomics Synopta, qssys, Safran Data Systems i NKT Photonics Ltd, a także dzięki Narodowemu Obserwatorium w Atenach, które zapewnia dostęp do obserwatoriów Helmos i Kryoneri. Projekt jest finansowany w ramach programu ESA General Support Technology Programme i Technology Development Element. "Tym projektem naprawdę rzucamy wyzwanie europejskiemu przemysłowi" - mówi Sinda Mejri. "Ale oni chętnie podjęli to wyzwanie. Praca, którą tu wykonują, może również dać im przewagę w opracowywaniu ważnych technologii do zastosowań takich jak dystrybucja kluczy kwantowych, wykorzystywana do bezpiecznej komunikacji i obrazowania kwantowego". Komunikacja optyczna w głębokiej przestrzeni jest uważana za najtrudniejszą formę komunikacji optycznej. Innowacje technologiczne, szczególnie związane z kwantową komunikacją optyczną, przyniosą bezpośrednie korzyści misjom ESA w tej dziedzinie, takim jak SAGA, Eagle-1, OPS-SAT VOLT czy QKDSAT. Eksperymenty ESA z DSOC odbędą się w 2025 roku, gdy statek kosmiczny znajdzie się wystarczająco daleko od Ziemi, aby być reprezentatywnym dla przyszłych misji naukowych i eksploracyjnych w głębokim kosmosie. Jeśli demonstracja zakończy się sukcesem, może utorować drogę dla nowej generacji eksploracji Układu Słonecznego i rozwoju stacji komunikacji optycznej w głębokim kosmosie na Ziemi. DSOC towarzyszy misji NASA Psyche, ale nie będzie przesyłać danych z misji Psyche. Głównym celem misji Psyche jest eksploracja tajemniczej, bogatej w metale asteroidy o tej samej nazwie. Naukowcy uważają, że skaliste, ziemskie planety, takie jak Ziemia, zawierają metaliczne rdzenie, ale ich położenie tak daleko pod powierzchnią sprawia, że są one trudne do zbadania. Asteroida Psyche oferuje rzadką szansę na zbadanie historii i formacji planet podobnych do Ziemi. Psyche została po raz pierwszy odkryta przez włoskiego astronoma Annibale de Gasparis w 1852 roku, jako szesnasta w historii odkryta asteroida. Prawie dwa wieki później, Włochy są teraz domem dla Biura Obrony Planetarnej ESA, które jest szczególnie podekscytowane wynikami misji Psyche. Zrozumienie asteroid przez ludzkość szybko rośnie: jesteśmy coraz lepsi w wykrywaniu małych asteroid przed zderzeniem z Ziemią, wykrywaniu tych, które przechodzą w pobliżu, zbliżaniu się do nich w celu zbadania ich za pomocą statków kosmicznych, a nawet zwracaniu próbek asteroid na Ziemię. Misja Psyche, a wraz z nią demonstracja technologii DSOC, umożliwi lepsze zrozumienie początków naszego Wszechświata i zwiększy naszą zdolność do przesyłania dużych ilości danych naukowych z powrotem na Ziemię. Dziękujemy za polubienie Polubiłeś już tę stronę, możesz ją polubić tylko raz!
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
