Die Technologiedemo „Deep Space Optical Communications“ hat mehrere wichtige Meilensteine erreicht und gipfelte in der Aussendung eines Signals an den am weitesten von der Erde entfernten Mars.
Die Demonstration der Deep Space Optical Communications-Technologie der NASA brach diesen Sommer einen weiteren Rekord für Laserkommunikation, indem sie ein Lasersignal von der Erde zur etwa 290 Millionen Meilen (460 Millionen Kilometer) entfernten NASA-Raumsonde Psyche sendete. Das ist der gleiche Abstand zwischen unserem Planeten und dem Mars, wenn die beiden Planeten am weitesten voneinander entfernt sind.
Kurz nach Erreichen dieses Meilensteins am 29. Juli schloss die Technologiedemonstration die erste Phase ihres Betriebs seit dem Start an Bord der Psyche am 13. Oktober 2023 ab.
„Der Meilenstein ist bedeutsam. Die Laserkommunikation erfordert ein sehr hohes Maß an Präzision, und bevor wir mit Psyche starteten, wussten wir nicht, wie stark die Leistungseinbußen bei unseren größten Entfernungen sein würden“, sagte Meera Srinivasan, Betriebsleiterin des Projekts bei Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Jetzt wurden die Techniken, die wir zum Verfolgen und Zeigen verwenden, verifiziert, was bestätigt, dass optische Kommunikation eine robuste und transformative Methode zur Erforschung des Sonnensystems sein kann.“
Das vom JPL verwaltete Deep Space Optical Communications-Experiment besteht aus einem Fluglaser-Transceiver und zwei Bodenstationen. Caltechs historisches Hale-Teleskop mit 200 Zoll (5 Meter) Apertur am Palomar-Observatorium von Caltech im San Diego County, Kalifornien, fungiert als Downlink-Station, an die der Laser-Transceiver seine Daten aus dem Weltraum sendet. Das Optical Communications Telescope Laboratory am JPL-Standort Table Mountain in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien, fungiert als Uplink-Station und kann 7 Kilowatt Laserleistung übertragen, um Daten an den Transceiver zu senden.
Durch die Übertragung von Daten mit Geschwindigkeiten, die bis zu 100-mal höher sind als bei Radiofrequenzen, können Laser die Übertragung komplexer wissenschaftlicher Informationen sowie hochauflösender Bilder und Videos ermöglichen, die benötigt werden, um den nächsten großen Sprung der Menschheit zu unterstützen, wenn Astronauten zum Mars und darüber hinaus reisen.
Was die Raumsonde betrifft, so bleibt Psyche gesund und stabil und nutzt Ionenantrieb, um auf einen metallreichen Asteroiden im Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter zu beschleunigen.
Ziele übertreffen
Die Daten der Technologiedemonstration werden in Form von Bits, die in Nahinfrarotlicht codiert sind, das eine höhere Frequenz als Radiowellen hat, an Psyche gesendet und von dort gesendet. Durch diese höhere Frequenz können mehr Daten in eine Übertragung gepackt werden, was weitaus höhere Datenübertragungsraten ermöglicht.
Selbst als Psyche etwa 33 Millionen Meilen (53 Millionen Kilometer) entfernt war – vergleichbar mit der größten Annäherung des Mars an die Erde – konnte die Technologiedemonstration Daten mit der maximalen Geschwindigkeit des Systems von 267 Megabit pro Sekunde übertragen. Diese Bitrate ähnelt der Download-Geschwindigkeit von Breitband-Internet. Je weiter das Raumschiff entfernt ist, desto geringer ist erwartungsgemäß die Geschwindigkeit, mit der es Daten senden und empfangen kann.
Am 24. Juni, als Psyche etwa 240 Millionen Meilen (390 Millionen Kilometer) von der Erde entfernt war – mehr als das Zweieinhalbfache der Entfernung zwischen unserem Planeten und der Sonne – erreichte das Projekt eine dauerhafte Downlink-Datenrate von 6,25 Megabit pro Sekunde, wobei die maximale Rate erreicht wurde von 8,3 Megabit pro Sekunde. Diese Rate liegt zwar deutlich unter dem Maximum des Experiments, ist aber weitaus höher als das, was ein Hochfrequenz-Kommunikationssystem mit vergleichbarer Leistung über diese Distanz erreichen kann.
Dies ist ein Test
Das Ziel von Deep Space Optical Communications besteht darin, eine Technologie zu demonstrieren, die Daten zuverlässig mit höheren Geschwindigkeiten übertragen kann als andere Weltraumkommunikationstechnologien wie Hochfrequenzsysteme. Um dieses Ziel zu erreichen, hatte das Projekt Gelegenheit, einzigartige Datensätze wie Kunst und hochauflösende Videos zusammen mit technischen Daten der Raumsonde Psyche zu testen.
Ein Downlink enthielt beispielsweise digitale Versionen des „Psyche Inspired“-Kunstwerks der Arizona State University, Bilder der Haustiere des Teams und ein 45-sekündiges Ultra-High-Definition-Video, das Fernsehtestmuster aus dem vorigen Jahrhundert fälscht und Szenen von der Erde zeigt Raum.
Dieses 45-sekündige Ultra-High-Definition-Video wurde am 24. Juni im Rahmen der Demonstration der Deep Space Optical Communications-Technologie der NASA per Laser aus dem Weltraum gestreamt, als sich die Raumsonde Psyche 240 Millionen Meilen von der Erde entfernt befand. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Bei der Technologiedemonstration wurde am 11. Dezember 2023 das erste ultrahochauflösende Video aus dem Weltraum mit einer Katze namens Taters von der Raumsonde Psyche aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen zur Erde übertragen.
„Ein Hauptziel des Systems bestand darin, zu beweisen, dass die Reduzierung der Datenrate proportional zum umgekehrten Quadrat der Entfernung war“, sagte Abi Biswas, Projekttechnologe der Technologiedemonstration am JPL. „Wir haben dieses Ziel erreicht und riesige Mengen an Testdaten per Laser zur und von der Raumsonde Psyche übertragen.“ In der ersten Phase der Demo wurden fast 11 Terabit Daten übertragen.
Der Flugtransceiver ist ausgeschaltet und wird am 4. November wieder eingeschaltet. Diese Aktivität wird beweisen, dass die Flughardware mindestens ein Jahr lang funktionieren kann.
„Wir schalten den Fluglaser-Transceiver ein und testen kurz seine Funktionalität“, sagte Ken Andrews, Projektleiter für Flugbetrieb bei JPL. „Sobald dies erreicht ist, können wir uns darauf freuen, den Transceiver während unserer Post-Konjunktionsphase, die später im Jahr beginnt, mit seinen vollen Designfähigkeiten zu betreiben.“