Lasere kunne give rumforskningen sit bredbåndsmoment

Troede du, at dine internethastigheder var langsomme? Prøv at være rumforsker for en dag.

De store afstande, der er involveret, vil sænke datahastighederne til en trickle. Du er heldig, hvis et rumfartøj kan sende mere end et par megabit pr. sekund (Mbps) - en lille smule selv ved opkaldsstandarder.

Men vi står måske foran en forandring. Ligesom at gå fra opkald til bredbånd revolutionerede internettet og gjorde billeder i høj opløsning og streaming af video til en given ting, NASA kan være klar til at gennemgå et lignende "bredbånd"-øjeblik i de kommende år.

Nøglen til den datarevolution vil være lasere. I næsten 60 år, standardmåden at "tale" med rumfartøjer har været med radiobølger, som er ideelle til lange afstande. Men optisk kommunikation, hvor data udstråles over laserlys, kan øge denne hastighed med så meget som 10 til 100 gange.

Høje datahastigheder vil give forskere mulighed for at indsamle videnskab hurtigere, studere pludselige hændelser som støvstorme eller rumfartøjer, og endda sende video fra overfladen af ​​andre planeter. Den præcise præcision af laserkommunikation er også velegnet til NASA-missionsplanlæggernes mål, der søger at sende rumfartøjer længere ud i solsystemet.

"Laserteknologi er ideel til at booste downlink-kommunikation fra det dybe rum, " sagde Abi Biswas, supervisor for Optical Communications Systems-gruppen ved NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californien. "Det vil i sidste ende give mulighed for applikationer som at give hver astronaut sit eget videofeed, eller sende tilbage i højere opløsning, datarige billeder hurtigere."

Videnskab med lysets hastighed

Både radio og lasere rejser med lysets hastighed, men lasere rejser i en højere frekvensbåndbredde. Det giver dem mulighed for at bære mere information end radiobølger, hvilket er afgørende, når du indsamler enorme mængder data og har snævre tidsrum til at sende det tilbage til Jorden.

Et godt eksempel er NASAs Mars Reconnaissance Orbiter, som sender videnskabelige data med et lynende maksimum på 6 Mbps. Biswas vurderede, at hvis orbiteren brugte laserkommunikationsteknologi med et masse- og strømforbrug, der kan sammenlignes med dets nuværende radiosystem, det kan sandsynligvis øge den maksimale datahastighed til 250 Mbps.

Det lyder måske stadig forbløffende langsomt for internetbrugere. Men på jorden, data sendes over langt kortere afstande og gennem infrastruktur, der endnu ikke eksisterer i rummet, så den kører endnu hurtigere.

Øgede datahastigheder vil gøre det muligt for forskere at bruge mere af deres tid på analyser end på rumfartøjsoperationer.

"Det er perfekt, når tingene sker hurtigt, og du vil have et tæt datasæt, " sagde Dave Pieri, en JPL-forsker og vulkanolog. Pieri har ledet tidligere forskning i, hvordan laserkommunikationer kan bruges til at studere vulkanudbrud og naturbrande i næsten realtid. "Hvis du har en vulkan eksplodere foran dig, du ønsker at vurdere dets aktivitetsniveau og tilbøjelighed til at blive ved med at bryde ud. Jo hurtigere du får og behandler disse data, des bedre."

Den samme teknologi kan gælde for udbrud af kryovulkaner på iskolde måner omkring andre planeter. Pieri bemærkede, at sammenlignet med radiooverførsel af begivenheder som disse, "laser comms ville øge ante med en størrelsesorden."

Overskygger fremtiden for lasere

Dermed ikke sagt, at teknologien er perfekt til alle scenarier. Lasere udsættes for mere interferens fra skyer og andre atmosfæriske forhold end radiobølger; pege og timing er også udfordringer.

Lasere kræver også jordinfrastruktur, der endnu ikke eksisterer. NASA's Deep Space Network, et system af antennearrays placeret over hele kloden, er udelukkende baseret på radioteknologi. Der skulle udvikles jordstationer, der kunne modtage lasere på steder, hvor himlen er pålideligt klar.

Radioteknologi forsvinder ikke. Det virker i regn eller solskin, og vil fortsat være effektiv til brug med lavt dataindhold, såsom at give kommandoer til rumfartøjer.

Næste skridt

To kommende NASA-missioner vil hjælpe ingeniører med at forstå de tekniske udfordringer, der er forbundet med at udføre laserkommunikation i rummet. Det, de vil lære, vil fremme lasere mod at blive en almindelig form for rumkommunikation i fremtiden.

Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), ledet af NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, skal lanceres i 2019. LCRD vil demonstrere relæet af data ved hjælp af laser- og radiofrekvensteknologi. Det vil udstråle lasersignaler næsten 25, 000 miles (40, 000 kilometer) fra en jordstation i Californien til en satellit i geostationær kredsløb, videresend derefter signalet til en anden jordstation. JPL er ved at udvikle en af ​​jordstationerne ved Table Mountain i det sydlige Californien. Test af laserkommunikation i geostationær bane, som LCRD vil gøre, har praktiske applikationer til dataoverførsel på Jorden.

Deep Space Optical Communications (DSOC), ledet af JPL, er planlagt til at lancere i 2023 som en del af en kommende NASA Discovery-mission. Den mission, Psyke, vil flyve til en metallisk asteroide, test af laserkommunikation fra en meget større afstand end LCRD.

Psyche-missionen er planlagt til at bære DSOC-laserenheden ombord på rumfartøjet. Effektivt, DSOC -missionen vil forsøge at ramme et bullseye ved hjælp af en deep space laser - og på grund af planetens rotation, det vil ramme et bevægeligt mål, såvel.

Tidligere og fremtidige NASA-projekter, der involverer laserkommunikation:

Navn:Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD)

Ledet af:Goddard Space Flight Center

År:2013

Formål:Var NASAs første system til tovejskommunikation ved hjælp af en laser i stedet for radiobølger. En fejlfri uplink-datahastighed på 20 Mbps transmitteret fra en primær jordstation i New Mexico til NASA's Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), et rumfartøj, der kredser om månen. Demonstrerede en fejlfri downlink-hastighed på 622 Mbps - svarende til streaming af 30 HDTV-kanaler fra månen.

Navn:Optisk nyttelast for Lasercomm Science (OPALS)

Ledet af:JPL

År:2014

Formål:Test af laserkommunikation fra den internationale rumstation. Sendte en videofil hvert 3,5 sekund i i alt 148 sekunder. Med traditionelle downlink -metoder, at sende den 175 megabit video bare en gang ville have taget 10 minutter.

Navn:Laser Communications Relay Demonstration (LCRD)

Ledet af:Goddard Space Flight Center

År:2019

Formål:Vil videresende lasersignaler mellem teleskoper ved Taffelbjerget, Californien, og på Hawaii gennem en relæsatellit i geostationær kredsløb i en to-årig demonstrationsperiode. Systemet er designet til at fungere i op til fem år for at bevise den daglige pålidelighed af laserkommunikation til fremtidige NASA-missioner.

Navn:Deep Space Optical Communications (DSOC)

Ledet af JPL

År:2023

Formål:At teste laserkommunikation fra det dybe rum. En kommende NASA Discovery-mission kaldet Psyche vil flyve til en metallisk asteroide, der starter i 2023. Psyche er planlagt til at være vært for en laserenhed kaldet DSOC, som ville sende data ned til et teleskop ved Palomar Mountain Observatory i Californien.