Brugte lasere og satellitter på størrelse med brødrister til at sende information hurtigere gennem rummet

Satellitter bliver stadig vigtigere i vores liv, da de hjælper os med at imødekomme efterspørgslen efter mere data, udveksles ved højere hastigheder. Det er derfor, vi udforsker nye måder at forbedre satellitkommunikation på.

Satellitteknologi bruges til at navigere, forudsige vejret, overvåge Jorden fra rummet, modtage tv-signaler fra rummet, og opret forbindelse til fjerntliggende steder gennem værktøjer såsom satellittelefoner og NBN's Sky Muster-satellitter.

Al denne kommunikation bruger radiobølger. Disse er elektromagnetiske bølger, der forplanter sig gennem rummet og, til en vis grad, gennem forhindringer som vægge.

Hvert kommunikationssystem bruger et frekvensbånd, der er allokeret til det, og hvert bånd udgør en del af det elektromagnetiske spektrum – som er navnet på rækken af ​​alle typer elektromagnetisk stråling.

Men det elektromagnetiske spektrum, vi er i stand til at bruge med den nuværende teknologi, er en begrænset ressource, og er nu helt optaget. Det betyder, at gamle tjenester skal give plads til nye, eller højere frekvensbånd skal bruges.

Selvom dette giver teknologiske udfordringer, en lovende vej frem er optisk kommunikation.

Kommunikation med lasere

I stedet for at bruge radiobølger til at bære informationen, vi kan bruge lys fra lasere som bærer. Mens teknisk set stadig er en del af det elektromagnetiske spektrum, optiske frekvenser er væsentligt højere, hvilket betyder, at vi kan bruge dem til at overføre data ved højere hastigheder.

Imidlertid, en ulempe er, at en laser ikke kan forplante sig gennem vægge, og kan endda blive blokeret af skyer. Selvom dette er problematisk på Jorden, og til kommunikation mellem satellitter og Jorden, det er ikke noget problem for kommunikation mellem satellitter.

På jorden, optisk kommunikation via fiberoptiske kabler forbinder kontinenter og giver enorme dataudvekslinger. Dette er teknologien, der tillader skyen at eksistere, og onlinetjenester, der skal leveres.

Optisk kommunikation mellem satellitter bruger ikke fiberoptiske kabler, men involverer lys, der forplanter sig gennem rummet. Dette kaldes "frirum optisk kommunikation, " og kan bruges til ikke kun at levere data fra satellitter til jorden, men også at forbinde satellitter i rummet.

Med andre ord, frirum optisk kommunikation vil give den samme massive forbindelse i rummet, som vi allerede har på Jorden.

Nogle systemer som f.eks. European Data Relay System er allerede operationelle, og andre som SpaceX's Starlink fortsætter med at blive udviklet.

Men der er stadig mange udfordringer at overvinde, og vi er begrænset af den nuværende teknologi. Mine kolleger og jeg arbejder på at lave optisk, samt radiofrekvens, datalinks endnu hurtigere og mere sikre.

CubeSats

Indtil nu, en stor indsats er blevet brugt i forskning og udvikling af radiofrekvensteknologi. Det er sådan, vi ved, at datahastigheder er på deres højeste fysiske grænse og ikke kan øges yderligere.

Mens et enkelt radiofrekvenslink kan levere datahastigheder på 10 Gbps med store antenner, et optisk link kan opnå hastigheder 10 til 100 gange højere, ved hjælp af antenner, der er 10 til 100 gange mindre.

Disse små antenner er faktisk optiske linser, og deres kompakte størrelse gør det muligt at integrere dem i små satellitter kaldet CubeSats.

CubeSats er ikke større end en skoæske eller brødrister, men kan anvende højhastighedsdataforbindelser til andre satellitter eller jorden.

De bruges i øjeblikket til en lang række opgaver, herunder jordobservation, kommunikation og videnskabelige eksperimenter i rummet. Og selvom de ikke er i stand til at levere alle tjenester fra rummet, de spiller en vigtig rolle i nuværende og fremtidige satellitsystemer.

En anden fordel ved optisk kommunikation er øget sikkerhed. Lyset fra en laser danner en smal stråle, som skal peges fra en afsender til en modtager. Da denne stråle er meget smal, kommunikationen forstyrrer ikke andre modtagere, og det er meget svært, hvis ikke umuligt, at aflytte kommunikationen. Dette gør optiske systemer mere sikre end radioelektromagnetiske systemer.

Optisk kommunikation kan også bruges til Quantum Key Distribution. Denne teknologi tillader absolut sikker udveksling af krypteringsnøgler til sikker kommunikation.

Hvad kan vi forvente af dette?

Selvom det er spændende at udvikle systemer til rummet, og at opsende satellitter, den virkelige fordel ved satellitsystemer mærkes på Jorden.

Højhastighedskommunikation leveret af optiske datalinks vil forbedre forbindelsen for os alle. Især fjerntliggende områder, som i øjeblikket har relativt langsomme forbindelser, vil opleve bedre adgang til fjernsundhed og fjernundervisning.

Bedre datalinks vil også lade os levere billeder og videoer fra rummet med mindre forsinkelse og højere opløsning. Dette vil forbedre den måde, vi forvalter vores ressourcer på, inklusive vand, landbrug og skovbrug.

De vil også give vital information i realtid i katastrofescenarier såsom skovbrande. De potentielle anvendelser af optisk kommunikationsteknologi er enorme.

Forbind viden sammen

At arbejde med optisk satellitkommunikation er udfordrende, da det kombinerer mange forskellige felter og forskningsområder, herunder telekommunikation, fotonik og fremstilling.

I øjeblikket, vores teknologi er langt fra at opnå, hvad der er teoretisk muligt, og der er stor plads til forbedringer. Derfor er der stor fokus på samarbejde.

I Australien, der er to store programmer, der letter dette - Australian Space Agency, der drives af den føderale regering, og SmartSat Cooperative Research Center (CRC), også støttet af den føderale regering.

Gennem SmartSat CRC-programmet, mine kolleger og jeg vil bruge de næste syv år på at tackle en række anvendte forskningsproblemer på dette område.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.