Zakaj NASA z laserji strelja na lastne satelite?

Zgodba iz vesolja

Nazaj

11. decembra 2023 so si znanstveniki v Observatoriju Palomar navdušeno ogledovali video mucka z imenom Taters, kako na kavču lovi rdečo piko laserskega kazalnika. Sočasno je prekrivna grafika prikazovala hitrost Tatersevega srčnega utripa, risbo observatorija Palomar in najpomembneje – informacije o signalu, ki je prvič v zgodovini iz vesolja prenašal video v ultra visoki ločljivosti (UHD). Ta je trajal le 15 sekund,  z razdalje približno 31 milijonov kilometrov, pa ga je oddajala vesoljska misija Psyche in sicer s pomočjo posebnih laserjev. Šlo je za tehnološki preboj, ki bo v prihodnje korenito spremenil način komuniciranja z vesoljskimi misijami.

S prenosom je NASA prvič s tako velike razdalje testirala poseben sistem za komunikacijo na veliki razdaljah, imenovanim optične komunikacije v globokem vesolju (Deep Space Optical Communications, DSOC). Gre za novo tehnologijo, s katero bi lahko v prihodnje na Zemljo neposredno prenašali dogajanje z drugih nebesnih teles, kot sta Luna in Mars.

NASIN video, ki prikazuje muca Tatersa.

Čemu DSOC?

Ko vesoljske korporacije, kot sta Evropska vesoljska agencija in NASA, komunicirajo s svojimi plovili, se ta ponavadi nahajajo na ogromnih razdaljah, ki lahko znašajo več sto milijonov kilometrov. Vsako povelje, meritev, poročilo o statusu inštrumentov ali sliko sestavlja množica podatkov, ki premagujejo te ogromne razdalje s svetlobno hitrostjo v obliki radijskih valov. Na Zemlji jih pričakuje mednarodna mreža velikih anten, znanih pod imenom Deep Space Network (DSN), ki se nahajajo v ZDA, Španiji in Avstraliji. Lokacije anten niso naključne – razlika med njihovimi geografskimi dolžinami znaša približno 120 stopinj, s čimer je zagotovljeno, da vsako vesoljsko misijo v katerem koli trenutku, “posluša” vsaj en skupek anten DSN.

Učinkovitost sistema DSN je izjemna, toda v preteklih desetletjih se je število vesoljskih misij močno povečalo, prav tako pa količina podatkov, ki jih zbere vsaka izmed njih. Zaradi tega bi lahko v prihodnje pri vesoljskih komunikacijah prišlo do neke vrste prometnega zamaška.

Da bi razumeli težavo, moramo pobliže spoznati lastnosti radijskih valov, ki jih uporabljamo za komunikacijo v Osončju. Antene DSN delujejo v treh frekvenčnih pasovih: S (frekvenčni interval 2-4 gigaherce, GHz), X (8-12 GHz) ter Ka (27-40). To pomeni valovne dolžine med 7,5 in 15 cm, 3,7 in 2,5 cm ter 1,1 in 0.75 cm. Za primerjavo, standardna frekvenca valov v vaši mikrovalovni pečici je 2,45 GHz, kar ustreza valovni dolžini 12 cm.

Antene v bližini mesta Canberra v Avstraliji, ki so del sistema DSN. Vir: Wikipedia.

DSOC, po drugi strani, uporablja lasersko svetlobo. Ta seveda potuje po medplanetarnem prostoru z natanko isto hitrostjo kot radijski valovi. Prednost sistema DSOC pa je v tem, da ima svetloba, ki jo uporablja za komunikacije, veliko krajšo valovno dolžino in sicer 1,550 milijonink metra (mikrometrov, μm) za sprejem podatkov ter 1,064 μm za povelja, ki jih NASA pošlje sondi Psyche. Gre za med približno 5000 ter 150,000 krat krajše valovne dolžine, ki spadajo v infrardeči del svetlobnega spektra. In ravno tu se skriva prednost sistema DSOC.

Podatki ki jih prejmeta sistema DSN in DSOC so namreč zakodirani v samih radijskih ozirma laserskih valovih. To pomeni, da oddajniki spreminjajo lastnosti posameznih valovnih front. Sistemi za komunikacijo v vesolju modulirajo njihovo fazo. Ker je valovna dolžina svetlobe infrardečih laserjev veliko krajša od radijskih valov, lahko v določeno razdaljo “zapakiramo” več valovnih front. Na primer, v vsak meter razdalje lahko “spravimo” med 7 in 130 valov ki jih uporabljajo antene DSN, medtem ko ta številka za sistem DSOC znaša med 650.000 in 940.000 valovnih front. Čeprav zadeva ni popolnoma sorazmerna, to dejstvo vseeno pomeni, da lahko ob enaki hitrosti potovanja obeh vrst svetlobe to pomeni, z laserji posredujemo neprimerno večjo količino podatkov na enoto časa.

Fazna modulacija elektomagnetnih valov. Vir: SatNow.

Najvišja hitrost prenosa podatkov s sistemom DSOC znaša 267 megabitov na sekundo (Mbps), kar je hitreje od marsikaterega širokopasovnega interneta na Zemlji. Oddajanje 153,6 megabitnega video mucka Taterja je tako trajalo le 0,58 sekunde, je pa bilo potrebnih kar 101 sekundo, da je signal prepotoval razdaljo 30 milijonov kilometrov. Če bi sonda Psyche za isto nalogo uporabila svoj radijski oddajnik, bi hitrost prenosa podatkov znašala le 360 kilobitov na sekundo in bi bilo samo za oddajanje signala potrebnih kar 426 sekund.

Z Zemlje v vesolje in nazaj

Zanimiv je postopek komuniciranja s sistemom DSOC. Decembra 2023 so najprej s pomočjo metrskega teleskopa na observatoriju Table Mountain v Kaliforniji usmerili 160 vatni laserski žarek v smeri proti misiji Psyche. Ta žarek je misiji služil kot nekakšen svetilnik, da je sonda natančno vedela kako usmeriti njen 22 centimetrski teleskop v smeri proti Zemlji. Njenemu signalu so prisluškovali s pet metrskim teleskopom Hale, ki se nahaja na observatoriju Palomar v bližini San Diega.

Umetniška upodobitev sonde Psyche v tirnici okrog asteroida. Vir: NASA/Wikipedia.

Ko je dosegel Zemljo, je bil laserski snop neprimerno ožji od radijskih signalov, ki jih Psyche oddaja z iste razdalje. Če je laserski žarek v premeru meril nekaj sto kilometrov, pa znaša tipična širina radijskega signala več kot 2,5 milijona kilometrov. Tako je za prenos informacij z laserji potrebno neprimerno manj energije. Da je observatorij Palomar zaznal signal, laserja niso smeli usmeriti neposredno proti Zemlji, temveč proti točki v vesolju, kjer se je Zemlja nahajala ob trenutku, ko jo je laserski žarek dejansko dosegel.

Od takrat je NASA s sistemom DSOC večkrat podrla svoj lastni rekord, čeprav se z oddaljenostjo misije hitrost prenosa podatkov zmanjšuje. 24. junija 2024 nam je Psyche z razdalje 390 milijonov kilometrov, kar je enako 2,5 kratniku razdalje med Zemljo in Soncem, poslala še en video s hitrostjo 6,25 megabita na sekundo, pri čemer je najvišja hitrost prenosa znašala 8,3 megabite na sekundo. 

DSOC je nazadnje naslovnice polnil 29. julija lani, ko je uspela komunikacije z razdalje 460 milijonov kilometrov.

7. julija letos se je Američanom pridružila še Evropska vesoljska agencija. Evropejci so prvi laserski žarek proti misiji Psyche usmerili s pomočjo 1,23 metrskega teleskopa, ki se nahaja na grškem observatoriju Kryoneri, prejemnik podatkov misije pa je nameščen na 2,3 metrskem teleskopu Aristarh, ki je del observatorija Helmos, ki se prav tako nahaja v Grčiji. Med testiranjem se je Psyche nahajala na razdalji 265 milijonov kilometrov, kar ustreza 1,8 astronomskim enotam.

Zanimivi dejstvi

• Misija Psyche je bila 13. oktobra 2023 izstreljena proti istoimenskemu asteroidu, ki ga bo dosegla 29. avgusta 2029. Namen misije je proučiti to nebesno telo, ki je povečini kovinsko in za katerega so astronomi prepričani, da je nekoč bilo sestavni del železnega jedra nekega protoplaneta. Sondo poganja tako imenovani ionski motor, ki za pospeševanje uporablja zelo hitre nabite delce.
• Ni naključje, da je NASA za prvi prenos videa izbrala muca. Agencija je s tem dejanjem počastila mejnik, ki je bil v ZDA postavljen daljnega leta 1928. Takrat je ameriška mreža RCA/NBC testirala svojo opremo za prenos televizijskega signala. Testni video je prikazoval skulpturo mačka Feliksa. Na TV zaslonu se je vsak dan dve uri risala 2,5 centimetrska Feliksova slika Feliksa, kako se obrača na vrteči se mizi.

Skulptura mačka Feliksa na TV zaslonu leta 1928. Vir: Poynter.

Dodatna čtiva za najbolj radovedne

1. Decoding Space Images With the DSN, NASA.
2. Coding a Radio Message for Space, NASA.
3. SATNow.
4. NASA Streams Historic Video from Deep Space, Jet Propulsion Laboratory.
5. The NASA Cat Video Explained,  Jet Propulsion Laboratory.
6. NASA’s laser comms demo makes deep space record, completes first phase, phys.org.
7. Today in Media History: In 1928 Felix the Cat began testing a new tech called television, Poynter.
8. Europe’s first deep-space optical communication link, ESA.