Eine experimentelle Antenne hat auf ihrer Reise durch den Weltraum sowohl Hochfrequenz- als auch Nahinfrarot-Lasersignale von der NASA-Raumsonde Psyche empfangen. Dies zeigt, dass es möglich ist, die riesigen Parabolantennen des Deep Space Network (DSN) der NASA, die über Radiowellen mit Raumfahrzeugen kommunizieren, für optische oder Laserkommunikation nachzurüsten.
Indem mehr Daten in Übertragungen gepackt werden, wird die optische Kommunikation neue Möglichkeiten zur Weltraumforschung ermöglichen und gleichzeitig das DSN unterstützen, wenn die Nachfrage an das Netzwerk wächst.
Die 34 Meter (112 Fuß) lange optische Hochfrequenz-Hybridantenne mit der Bezeichnung Deep Space Station 13 verfolgt seit November 2023 den Downlink-Laser der Technologiedemonstration Deep Space Optical Communications (DSOC) der NASA. Der Fluglaser-Transceiver der Tech-Demo ist mit der Raumsonde Psyche der Agentur unterwegs, die am 13. Oktober 2023 startete.
Die Hybridantenne befindet sich im Goldstone Deep Space Communications Complex des DSN in der Nähe von Barstow, Kalifornien, und ist nicht Teil des DSOC-Experiments. DSN, DSOC und Psyche werden vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien verwaltet.
„Unsere Hybridantenne war bereits kurz nach dem Start der Tech-Demo in der Lage, den DSOC-Downlink erfolgreich und zuverlässig zu erfassen und zu verfolgen“, sagte Amy Smith, stellvertretende DSN-Managerin bei JPL. „Es hat auch das Hochfrequenzsignal von Psyche empfangen, sodass wir zum ersten Mal synchrone Funk- und optische Frequenzkommunikation im Weltraum demonstriert haben.“
Ende 2023 übertrug die Hybridantenne Daten aus einer Entfernung von 20 Millionen Meilen (32 Millionen Kilometer) mit einer Rate von 15,63 Megabit pro Sekunde – etwa 40-mal schneller als die Hochfrequenzkommunikation in dieser Entfernung. Am 1. Januar 2024 sendete die Antenne einen Downlink eines Teamfotos, das vor dem Start von Psyche auf DSOC hochgeladen worden war.
Zwei für eins
Um die Photonen (Quantenlichtteilchen) des Lasers zu erfassen, wurden an der Innenseite der gekrümmten Oberfläche der Hybridantenne sieben hochpräzise segmentierte Spiegel angebracht. Diese Segmente ähneln den sechseckigen Spiegeln des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA und ahmen die Lichtsammelöffnung eines Teleskops mit einer Öffnung von 3,3 Fuß (1 Meter) nach. Wenn die Laserphotonen an der Antenne ankommen, reflektiert jeder Spiegel die Photonen und lenkt sie präzise in eine Hochbelichtungskamera um, die am Subreflektor der Antenne angebracht ist, der über der Mitte der Schüssel hängt.
Das von der Kamera gesammelte Lasersignal wird dann über eine optische Faser übertragen, die in einen kryogen gekühlten halbleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor eingespeist wird. Der vom Microdevices Laboratory des JPL entworfene und gebaute Detektor ist identisch mit dem, der am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien, verwendet wird, das als Downlink-Bodenstation des DSOC fungiert.
„Es handelt sich um ein optisches System mit hoher Toleranz, das auf einer 34 Meter langen flexiblen Struktur aufgebaut ist“, sagte Barzia Tehrani, stellvertretende Managerin für Kommunikations-Bodensysteme und Liefermanagerin für die Hybridantenne am JPL. „Wir verwenden ein System aus Spiegeln, präzisen Sensoren und Kameras, um Laser aus dem Weltraum aktiv auszurichten und in eine Faser zu lenken, die den Detektor erreicht.“
Teherani hofft, dass die Antenne empfindlich genug sein wird, um das vom Mars gesendete Lasersignal an seinem von der Erde am weitesten entfernten Punkt (2 ½-fache Entfernung von der Sonne zur Erde) zu erfassen. Psyche wird sich im Juni in dieser Entfernung auf dem Weg zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter befinden, um den metallreichen Asteroiden Psyche zu untersuchen.
Der Sieben-Segment-Reflektor an der Antenne ist ein Machbarkeitsnachweis für eine vergrößerte und leistungsstärkere Version mit 64 Segmenten – das Äquivalent eines Teleskops mit 26 Fuß (8 Meter) Apertur –, die in Zukunft eingesetzt werden könnte.
Eine Infrastrukturlösung
DSOC ebnet den Weg für Kommunikation mit höheren Datenraten, mit der komplexe wissenschaftliche Informationen, Videos und hochauflösende Bilder übertragen werden können, um den nächsten großen Schritt der Menschheit zu unterstützen: Menschen zum Mars zu schicken. Bei der Tech-Demo wurde kürzlich das erste Ultra-High-Definition-Video aus dem Weltraum mit rekordverdächtigen Bitraten gestreamt.
Die Nachrüstung von Hochfrequenzantennen mit optischen Anschlüssen und der Bau speziell angefertigter Hybridantennen könnten eine Lösung für das derzeitige Fehlen einer dedizierten optischen Bodeninfrastruktur sein. Das DSN bietet 14 Gerichte an, die über Einrichtungen in Kalifornien, Madrid und Canberra, Australien, verteilt sind. Hybridantennen könnten auf optische Kommunikation zurückgreifen, um große Datenmengen zu empfangen, und Funkfrequenzen für weniger bandbreitenintensive Daten wie Telemetrie (Gesundheits- und Positionsinformationen) nutzen.
„Seit Jahrzehnten fügen wir den riesigen DSN-Antennen auf der ganzen Welt neue Funkfrequenzen hinzu, daher ist der praktikabelste nächste Schritt die Einbeziehung optischer Frequenzen“, sagte Tehrani. „Wir können eine Anlage dazu bringen, zwei Dinge gleichzeitig zu tun: unsere Kommunikationsstraßen in Autobahnen umzuwandeln und Zeit, Geld und Ressourcen zu sparen.“