Het Amerikaanse ruimtevaartagentschap NASA test technologieën in de ruimte en op de grond die de bandbreedte kunnen vergroten om complexere wetenschappelijke gegevens te verzenden en zelfs videobeelden te streamen vanaf Mars. Het NASA-project Deep Space Optical Communications (DSOC), dat deze herfst van start gaat, test hoe lasers de gegevensoverdracht kunnen versnellen tot ver boven de capaciteit van de huidige radiofrequentiesystemen die in de ruimte worden gebruikt. DSOC staat bekend als een technologiedemonstratie en kan de weg vrijmaken voor breedbandcommunicatie die de volgende reuzensprong van de mensheid zal ondersteunen: wanneer NASA astronauten naar Mars stuurt.
De DSOC nabij-infrarood lasertransceiver (een apparaat dat gegevens kan verzenden en ontvangen) zal meereizen op NASA's Psyche-missie wanneer deze in oktober wordt gelanceerd naar een metaalrijke asteroïde met dezelfde naam. Tijdens de eerste twee jaar van de reis zal de transceiver communiceren met twee grondstations in Zuid-Californië, waar zeer gevoelige detectoren, krachtige laserzenders en nieuwe methoden om signalen te decoderen die de transceiver vanuit de diepe ruimte verstuurt, worden getest.
NASA richt zich op laser- of optische communicatie omdat deze de bandbreedte van radiogolven, waar de ruimtevaartorganisatie al meer dan een halve eeuw op vertrouwt, kan overtreffen. Zowel radio- als nabij-infraroodlasercommunicatie gebruiken elektromagnetische golven om gegevens te verzenden, maar nabij-infrarood licht verpakt de gegevens in aanzienlijk strakkere golven, waardoor grondstations meer gegevens tegelijk kunnen ontvangen.
"DSOC is ontworpen om 10 tot 100 keer de gegevensretourcapaciteit aan te tonen van de modernste radiosystemen die momenteel in de ruimte worden gebruikt", zegt Abi Biswas, DSOC's projecttechnoloog bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "Lasercommunicatie met hoge bandbreedte voor satellieten die in een baan om de aarde en om de maan draaien is bewezen, maar de diepe ruimte stelt ons voor nieuwe uitdagingen."
Er zijn meer missies dan ooit op weg naar de diepe ruimte en ze beloven exponentieel meer gegevens te produceren dan eerdere missies in de vorm van complexe wetenschappelijke metingen, high-definition beelden en video. Experimenten zoals DSOC zullen dus een cruciale rol spelen om NASA te helpen technologieën te ontwikkelen die in de toekomst routinematig gebruikt kunnen worden door ruimtevaartuigen en grondsystemen. "DSOC vertegenwoordigt de volgende fase van NASA's plannen voor de ontwikkeling van revolutionaire verbeterde communicatietechnologieën die de mogelijkheid hebben om de gegevensoverdracht vanuit de ruimte te vergroten - wat cruciaal is voor de toekomstige ambities van het agentschap," zei Trudy Kortes, directeur van het programma Technology Demonstrations Missions (TDM) op het hoofdkantoor van NASA in Washington. "We zijn blij dat we de kans krijgen om deze technologie te testen tijdens de vlucht van Psyche."
Het DSOC-instrument aan boord van de Psyche ruimtesonde - Foto: NASA/JPL
Baanbrekende technologieën
De transceiver op Psyche is uitgerust met verschillende nieuwe technologieën, waaronder een nooit eerder gevlogen foton-camera die is bevestigd aan een telescoop met een opening van 22 centimeter die uit de zijkant van het ruimteschip steekt. De transceiver zal autonoom scannen naar, en "locken" op, de high-power nabij-infrarood laser uplink die wordt uitgezonden door het Optical Communication Telescope Laboratory op JPL's Table Mountain Facility nabij Wrightwood, Californië. De laser uplink zal ook het zenden van commando's naar de transceiver demonstreren.
"De krachtige uplink-laser is een cruciaal onderdeel van deze technologiedemonstratie voor hogere snelheden naar ruimtevaartuigen, en upgrades van onze grondsystemen zullen optische communicatie mogelijk maken voor toekomstige missies in de diepe ruimte," aldus Jason Mitchell, programmamanager voor NASA's Space Communications and Navigation (SCaN) programma op het NASA-hoofdkwartier.
Eenmaal gelocked op de uplink laser, zal de transceiver de 200-inch (5,1-meter) Hale Telescoop lokaliseren op Caltech's Palomar Observatory in San Diego County, Californië, ongeveer 130 kilometer ten zuiden van Table Mountain. De zendontvanger zal dan zijn nabij-infrarode laser gebruiken om gegevens met hoge snelheid naar Palomar te zenden. Trillingen van het ruimteschip die anders de laser van zijn doel zouden kunnen brengen, worden gedempt door geavanceerde steunen waarmee de transceiver aan Psyche is bevestigd.
Om de snelle downlink-laser van de DSOC-transceiver te ontvangen, is de Hale-telescoop uitgerust met een nieuwe supergeleidende nanodraad van een fotondetector. De assemblage wordt cryogeen gekoeld zodat een enkel invallend laserfoton (een kwantumlichtdeeltje) kan worden gedetecteerd en de aankomsttijd ervan kan worden geregistreerd. Het laserlicht wordt als een reeks pulsen verzonden en moet meer dan 300 miljoen kilometer afleggen - het verste dat het ruimteschip tijdens deze technische demonstratie zal zijn - voordat de zwakke signalen kunnen worden gedetecteerd en verwerkt om er informatie uit te halen.
"Elk onderdeel van DSOC is voorzien van nieuwe technologie, van de krachtige uplink-lasers tot het richtsysteem op de telescoop van de transceiver en de uiterst gevoelige detectoren die de afzonderlijke fotonen kunnen tellen wanneer ze aankomen," zei Bill Klipstein, de DSOC-projectmanager bij JPL. "Het team moest zelfs nieuwe signaalverwerkingstechnieken ontwikkelen om informatie uit zulke zwakke signalen te persen die over enorme afstanden worden verzonden."
De afstanden vormen nog een andere uitdaging voor de technische demo: Hoe verder Psyche reist, hoe langer het duurt voordat de fotonen hun bestemming bereiken, waardoor een vertraging van tientallen minuten ontstaat. De posities van de aarde en het ruimteschip veranderen voortdurend terwijl de laserfotonen reizen, dus deze vertraging moet worden gecompenseerd. "Het richten van de laser en het vergrendelen over miljoenen kilometers terwijl we te maken hebben met de relatieve beweging van de aarde en Psyche, vormt een spannende uitdaging voor ons project," zei Biswas.
Bron: NASA
