An Bord der NASA-Raumsonde Psyche bricht die Demonstration der Deep Space Optical Communications-Technologie der Agentur weiterhin Rekorde. Während die Raumsonde, die an einen Asteroiden fliegt, nicht auf optische Kommunikation angewiesen ist, um Daten zu senden, hat die neue Technologie bewiesen, dass sie dieser Aufgabe gewachsen ist. Nach der Verbindung mit dem Hochfrequenzsender der Psyche sendete die Laserkommunikationsdemonstration eine Kopie technischer Daten aus einer Entfernung von über 140 Millionen Meilen (226 Millionen Kilometern), dem 1,5-fachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne.
Diese Errungenschaft gibt einen Einblick, wie Raumfahrzeuge in Zukunft optische Kommunikation nutzen könnten, um die Kommunikation komplexer wissenschaftlicher Informationen mit höheren Datenraten sowie hochauflösende Bilder und Videos zu ermöglichen und so den nächsten großen Schritt der Menschheit zu unterstützen: Menschen zum Mars zu schicken.
„Wir haben während eines Vorbeiflugs am 8. April etwa zehn Minuten duplizierter Raumfahrzeugdaten heruntergeladen“, sagte Meera Srinivasan, Betriebsleiterin des Projekts am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bis dahin hatten wir Test- und Diagnosedaten in unseren Downlinks von Psyche gesendet. Dies stellt einen wichtigen Meilenstein für das Projekt dar, da es zeigt, wie optische Kommunikation mit dem Hochfrequenz-Kommunikationssystem eines Raumfahrzeugs verbunden werden kann.“
Die Laserkommunikationstechnologie in dieser Demo ist darauf ausgelegt, Daten aus dem Weltraum mit Geschwindigkeiten zu übertragen, die 10 bis 100 Mal schneller sind als die hochmodernen Hochfrequenzsysteme, die heute bei Weltraummissionen eingesetzt werden.
Nach dem Start am 13. Oktober 2023 bleibt die Raumsonde gesund und stabil, während sie zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter reist, um den Asteroiden Psyche zu besuchen.
Erwartungen übertreffen
Die Demonstration der optischen Kommunikation der NASA hat gezeigt, dass sie Testdaten mit einer maximalen Rate von 267 Megabit pro Sekunde (Mbps) vom Nahinfrarot-Downlink-Laser des Fluglaser-Transceivers übertragen kann – eine Bitrate, die mit der Download-Geschwindigkeit von Breitband-Internet vergleichbar ist.
Dies wurde am 11. Dezember 2023 erreicht, als das Experiment ein 15-sekündiges Ultra-High-Definition-Video aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen (31 Millionen Kilometer oder etwa das 80-fache der Erde-Mond-Entfernung) zur Erde strahlte. Das Video wurde zusammen mit anderen Testdaten, einschließlich digitaler Versionen des von Psyche inspirierten Kunstwerks der Arizona State University, vor dem Start von Psyche im letzten Jahr auf den Fluglaser-Transceiver geladen.
Da die Raumsonde nun mehr als siebenmal weiter entfernt ist, verringert sich erwartungsgemäß die Geschwindigkeit, mit der sie Daten senden und empfangen kann. Während des Tests am 8. April übermittelte die Raumsonde Testdaten mit einer maximalen Rate von 25 Mbit/s, was das Ziel des Projekts, nachzuweisen, dass in dieser Entfernung mindestens 1 Mbit/s möglich war, bei weitem übertrifft.
Das Projektteam befahl dem Transceiver außerdem, die von Psyche erzeugten Daten optisch zu übertragen. Während Psyche Daten über seinen Hochfrequenzkanal an das Deep Space Network (DSN) der NASA übermittelte, übermittelte das optische Kommunikationssystem gleichzeitig einen Teil derselben Daten an das Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien – das Hauptzentrum der Tech-Demo Downlink-Bodenstation.
„Nachdem wir die Daten vom DSN und Palomar erhalten hatten, überprüften wir die optisch übertragenen Daten am JPL“, sagte Ken Andrews, Leiter des Projektflugbetriebs am JPL. „Es handelte sich um eine kleine Datenmenge, die über einen kurzen Zeitraum übertragen wurde, aber die Tatsache, dass wir dies jetzt tun, hat alle unsere Erwartungen übertroffen.“
Spaß mit Lasern
Nach dem Start von Psyche wurde die optische Kommunikationsdemo zunächst zum Downlink vorinstallierter Daten verwendet, einschließlich der Taters das Katzenvideo. Seitdem hat das Projekt bewiesen, dass der Transceiver Daten vom Hochleistungs-Uplink-Laser am JPL-Standort Table Mountain in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien, empfangen kann. Daten können sogar noch in derselben Nacht an den Transceiver gesendet und dann zurück zur Erde übertragen werden, wie das Projekt kürzlich in einem „Turnaround-Experiment“ bewiesen hat.
Bei diesem Experiment wurden Testdaten – sowie digitale Haustierfotos – nach Psyche und zurück weitergeleitet, eine Hin- und Rückreise von bis zu 280 Millionen Meilen (450 Millionen Kilometer). Außerdem wurden große Mengen der technischen Daten der Tech-Demo per Downlink übertragen, um die Eigenschaften der optischen Kommunikationsverbindung zu untersuchen.
„Wir haben viel darüber gelernt, wie weit wir das System bei klarem Himmel ausbauen können, obwohl Stürme den Betrieb sowohl am Tafelberg als auch am Palomar gelegentlich unterbrochen haben“, sagte Ryan Rogalin, Leiter der Empfängerelektronik des Projekts am JPL. (Während die Hochfrequenzkommunikation bei den meisten Wetterbedingungen funktioniert, erfordert die optische Kommunikation einen relativ klaren Himmel, um Daten mit hoher Bandbreite zu übertragen.)
JPL leitete kürzlich ein Experiment, bei dem Palomar, die experimentelle optische Hochfrequenzantenne im Goldstone Deep Space Communications Complex des DSN in Barstow, Kalifornien, und ein Detektor am Tafelberg kombiniert wurden, um dasselbe Signal gemeinsam zu empfangen. Das „Anordnen“ mehrerer Bodenstationen zur Nachahmung eines großen Empfängers kann dazu beitragen, das Weltraumsignal zu verstärken. Diese Strategie kann auch nützlich sein, wenn eine Bodenstation aufgrund der Wetterbedingungen offline gehen muss; Andere Sender können das Signal weiterhin empfangen.