DSOC, ein Experiment, das die Art und Weise, wie Raumfahrzeuge kommunizieren, verändern könnte, hat das „erste Licht“ erreicht und zum ersten Mal Daten per Laser zu und von weit über den Mond hinaus gesendet.
Das Deep Space Optical Communications (DSOC)-Experiment der NASA hat einen Nahinfrarotlaser, der mit Testdaten codiert ist, aus einer Entfernung von fast 10 Millionen Meilen (16 Millionen Kilometern) – etwa 40-mal weiter als der Mond von der Erde entfernt ist – zum Hale-Teleskop am Palomar des Caltech gestrahlt Observatorium im San Diego County, Kalifornien. Dies ist die bisher weiteste Demonstration optischer Kommunikation.
DSOC ist an Bord der kürzlich gestarteten Raumsonde Psyche und wird während seiner zweijährigen Technologiedemonstration, während Psyche zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter reist, Testdaten mit hoher Bandbreite zur Erde senden. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet sowohl DSOC als auch Psyche.
Die Tech-Demo erreichte in den frühen Morgenstunden des 14. November das „erste Licht“, nachdem ihr Flug-Laser-Transceiver – ein hochmodernes Instrument an Bord der Psyche, das Nahinfrarotsignale senden und empfangen kann – auf ein leistungsstarkes Uplink-Laserfeuer gerichtet war, das vom Optical übertragen wurde Communications Telescope Laboratory in der Table Mountain Facility des JPL in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien.
Das Uplink-Beacon half dem Transceiver, seinen Downlink-Laser zurück nach Palomar (das 100 Meilen bzw. 130 Kilometer südlich des Tafelbergs liegt) auszurichten, während automatisierte Systeme am Transceiver und an den Bodenstationen seine Ausrichtung verfeinerten.
„Das Erreichen des First Light ist einer von vielen entscheidenden DSOC-Meilensteinen in den kommenden Monaten und ebnet den Weg für Kommunikation mit höheren Datenraten, die in der Lage ist, wissenschaftliche Informationen, hochauflösende Bilder und Streaming-Videos zu senden, um den nächsten großen Sprung der Menschheit zu unterstützen: die Entsendung von Menschen.“ zum Mars“, sagte Trudy Kortes, Direktorin für Technologiedemonstrationen im NASA-Hauptquartier in Washington.
Testdaten wurden auch gleichzeitig über die Uplink- und Downlink-Laser gesendet, ein Vorgang, der als „Schließen der Verbindung“ bekannt ist und ein Hauptziel des Experiments ist. Während die Technologiedemonstration keine Psyche-Missionsdaten überträgt, arbeitet sie eng mit dem Psyche-Missionsunterstützungsteam zusammen, um sicherzustellen, dass der DSOC-Betrieb den Betrieb des Raumfahrzeugs nicht beeinträchtigt.
„Der Test am Dienstagmorgen war der erste, bei dem die Bodenausrüstung und der Flugtransceiver vollständig integriert wurden, sodass die Einsatzteams von DSOC und Psyche zusammenarbeiten mussten“, sagte Meera Srinivasan, Betriebsleiterin für DSOC bei JPL. „Es war eine gewaltige Herausforderung und wir haben noch viel zu tun, aber für kurze Zeit konnten wir einige Daten übertragen, empfangen und dekodieren.“
Erfahren Sie mehr darüber, wie DSOC zum ersten Mal zum Testen der Datenübertragung mit hoher Bandbreite jenseits des Mondes eingesetzt wird – und wie es die Erforschung des Weltraums verändern könnte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/ASU
Vor diesem Erfolg musste das Projekt mehrere andere Meilensteine erfüllen, vom Entfernen der Schutzabdeckung für den Fluglaser-Transceiver bis zum Einschalten des Instruments. In der Zwischenzeit führt die Raumsonde Psyche ihre eigenen Tests durch, darunter das Einschalten ihrer Antriebssysteme und das Testen von Instrumenten, mit denen der Asteroid Psyche untersucht werden soll, wenn er 2028 dort ankommt.
Erstes Licht und erste Bits
Nach dem erfolgreichen ersten Licht wird das DSOC-Team nun an der Verfeinerung der Systeme arbeiten, die die Ausrichtung des Downlink-Lasers an Bord des Transceivers steuern.
Sobald dies erreicht ist, kann das Projekt mit der Demonstration der Aufrechterhaltung der Datenübertragung mit hoher Bandbreite vom Transceiver zum Palomar in verschiedenen Entfernungen von der Erde beginnen. Diese Daten liegen in Form von Bits (den kleinsten Dateneinheiten, die ein Computer verarbeiten kann) vor, die in den Photonen des Lasers – Quantenlichtteilchen – kodiert sind.
Nachdem ein spezielles supraleitendes, hocheffizientes Detektorarray die Photonen erfasst hat, werden neue Signalverarbeitungstechniken verwendet, um die Daten aus den einzelnen Photonen zu extrahieren, die am Hale-Teleskop ankommen.
Das DSOC-Experiment zielt darauf ab, Datenübertragungsraten zu demonstrieren, die 10 bis 100 Mal höher sind als die hochmodernen Hochfrequenzsysteme, die heute von Raumfahrzeugen verwendet werden.
Sowohl die Funk- als auch die Nahinfrarot-Laserkommunikation nutzt elektromagnetische Wellen zur Datenübertragung, Nahinfrarotlicht bündelt die Daten jedoch in deutlich engere Wellen, sodass Bodenstationen mehr Daten empfangen können. Dies wird zukünftige menschliche und robotische Erkundungsmissionen unterstützen und wissenschaftliche Instrumente mit höherer Auflösung unterstützen.
„Optische Kommunikation ist ein Segen für Wissenschaftler und Forscher, die immer mehr von ihren Weltraummissionen erwarten, und wird die Erforschung des Weltraums durch Menschen ermöglichen“, sagte Dr. Jason Mitchell, Direktor der Abteilung für fortgeschrittene Kommunikations- und Navigationstechnologien innerhalb der Weltraumkommunikation und -navigation der NASA (SCaN)-Programm. „Mehr Daten bedeuten mehr Entdeckungen.“
Während die optische Kommunikation im niedrigen Erdorbit und bis zum Mond demonstriert wurde, ist DSOC der erste Test im Weltraum. So wie man mit einem Laserpointer einen sich bewegenden Cent aus einer Entfernung von einer Meile verfolgt, erfordert das Zielen eines Laserstrahls über Millionen von Kilometern ein äußerst präzises „Zeigen“.
Die Demonstration muss auch die Zeit kompensieren, die das Licht benötigt, um über große Distanzen von der Raumsonde zur Erde zu gelangen: In Psyches größter Entfernung von unserem Planeten werden die nahinfraroten Photonen des DSOC etwa 20 Minuten für den Rückweg benötigen (sie brauchten etwa 50). Sekunden, um während des Tests am 14. November von Psyche zur Erde zu gelangen). In dieser Zeit werden sich sowohl das Raumschiff als auch der Planet bewegt haben, daher müssen sich die Uplink- und Downlink-Laser an die Standortänderung anpassen.
„Das Erreichen des ersten Lichts ist eine enorme Leistung. Die Bodensysteme haben die Weltraumlaserphotonen vom Flugtransceiver des DSOC an Bord der Psyche erfolgreich erfasst“, sagte Abi Biswas, Projekttechnologe für DSOC am JPL. „Und wir konnten auch einige Daten senden, was bedeutet, dass wir ‚Lichtbits‘ vom und in den Weltraum austauschen konnten.“