NASAs nye eksperimentelle antenne sporer deep space laser

En eksperimentel antenne har modtaget både radiofrekvens- og nær-infrarøde lasersignaler fra NASAs Psyche-rumfartøj, når den rejser gennem det dybe rum. Dette viser, at det er muligt for de gigantiske parabolantenner i NASA's Deep Space Network (DSN), som kommunikerer med rumfartøjer via radiobølger, at blive eftermonteret til optisk eller laserkommunikation.

Ved at pakke flere data ind i transmissioner vil optisk kommunikation muliggøre nye rumudforskningsmuligheder og samtidig understøtte DSN, efterhånden som efterspørgslen på netværket vokser.

Den 34-meter (112-fod) radio-frekvens-optisk-hybrid-antenne, kaldet Deep Space Station 13, har sporet downlink-laseren fra NASA's Deep Space Optical Communications (DSOC)-teknologidemonstration siden november 2023. Teknologidemoens flylaser-transceiver kører med agenturets Psyche-rumfartøj, der blev opsendt den 13. oktober 2023.

Hybridantennen er placeret ved DSN's Goldstone Deep Space Communications Complex, nær Barstow, Californien, og er ikke en del af DSOC-eksperimentet. DSN, DSOC og Psyche administreres af NASA's Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien.

"Vores hybridantenne har været i stand til med succes og pålideligt at låse på og spore DSOC-downlinket siden kort efter lanceringen af ​​den teknologiske demo," sagde Amy Smith, DSN-deputy manager hos JPL. "Den modtog også Psyches radiofrekvenssignal, så vi har demonstreret synkron radio og optisk frekvens dybrumskommunikation for første gang."

I slutningen af ​​2023 downlinkede hybridantennen data fra 20 millioner miles (32 millioner kilometer) væk med en hastighed på 15,63 megabit i sekundet - omkring 40 gange hurtigere end radiofrekvenskommunikation på den afstand. Den 1. januar 2024 downlinkede antennen et holdfotografi, der var blevet uploadet til DSOC før Psyches lancering.

To for én

For at detektere laserens fotoner (kvantelyspartikler) blev syv ultrapræcise segmenterede spejle fastgjort til indersiden af ​​hybridantennens buede overflade. Disse segmenter ligner de sekskantede spejle på NASAs James Webb-rumteleskop og efterligner den lysopsamlende åbning af et 3,3 fod (1 meter) blændeteleskop. Efterhånden som laserfotonerne ankommer til antennen, reflekterer hvert spejl fotonerne og omdirigerer dem præcist til et højeksponeringskamera, der er fastgjort til antennens sub-reflektor, der er suspenderet over midten af ​​skålen.

Lasersignalet opsamlet af kameraet transmitteres derefter gennem en optisk fiber, der føres ind i en kryogenisk afkølet halvledende nanotråds-enkeltfotondetektor. Designet og bygget af JPL's Microdevices Laboratory, er detektoren identisk med den, der bruges på Caltechs Palomar Observatory i San Diego County, Californien, som fungerer som DSOC's downlink-jordstation.

"Det er et højtolerance optisk system bygget på en 34 meter fleksibel struktur," sagde Barzia Tehrani, vicechef for kommunikationsjordsystemer og leveringschef for hybridantennen hos JPL. "Vi bruger et system af spejle, præcise sensorer og kameraer til aktivt at justere og dirigere laser fra det dybe rum ind i en fiber, der når detektoren."

Tehrani håber, at antennen vil være følsom nok til at detektere lasersignalet, der sendes fra Mars på dets fjerneste punkt fra Jorden (2 ½ gange afstanden fra solen til Jorden). Psyche vil være på den afstand i juni på vej til hovedasteroidebæltet mellem Mars og Jupiter for at undersøge den metalrige asteroide Psyche.

Den syv-segments reflektor på antennen er et proof of concept for en opskaleret og mere kraftfuld version med 64 segmenter – svarende til et 26 fod (8 meter) blændeteleskop – som kunne bruges i fremtiden.

En infrastrukturløsning

DSOC baner vejen for kommunikation med højere datahastighed, der er i stand til at transmittere kompleks videnskabelig information, video og high-definition-billeder til støtte for menneskehedens næste gigantiske spring:at sende mennesker til Mars. Den tekniske demo streamede for nylig den første ultra-high-definition video fra det dybe rum med rekordsættende bithastigheder.

Eftermontering af radiofrekvensantenner med optiske terminaler og konstruktion af specialbyggede hybridantenner kunne være en løsning på den nuværende mangel på en dedikeret optisk jordinfrastruktur. DSN har 14 retter fordelt på faciliteter i Californien, Madrid og Canberra, Australien. Hybridantenner kunne stole på optisk kommunikation til at modtage store mængder data og bruge radiofrekvenser til mindre båndbredde-intensive data, såsom telemetri (sundheds- og positionsinformation).

"I årtier har vi tilføjet nye radiofrekvenser til DSN's gigantiske antenner placeret rundt om på kloden, så det mest mulige næste skridt er at inkludere optiske frekvenser," sagde Tehrani. "Vi kan have ét aktiv, der gør to ting på samme tid; at konvertere vores kommunikationsveje til motorveje og spare tid, penge og ressourcer."

Leveret af NASA