Die NASA verwendet Laser, um Informationen zur und von der Erde zu senden, setzt unsichtbare Strahlen ein, um den Himmel zu durchqueren, und sendet Terabytes an Daten – Bilder und Videos –, um unser Wissen über das Universum zu erweitern. Diese Fähigkeit wird als Laser- oder optische Kommunikation bezeichnet, obwohl diese augensicheren Infrarotstrahlen für das menschliche Auge nicht sichtbar sind.
„Wir sind begeistert von dem Versprechen, das Laserkommunikation in den kommenden Jahren bieten wird“, sagt Badri Younes, stellvertretender stellvertretender Administrator und Programmmanager für Weltraumkommunikation und -navigation (SCaN) im NASA-Hauptquartier in Washington. „Diese Missionen und Demonstrationen läuten das neue Jahrzehnt des Lichts der NASA ein, in dem die NASA mit anderen Regierungsbehörden und dem kommerziellen Sektor zusammenarbeiten wird, um die zukünftigen Kommunikationsmöglichkeiten für die Weltraumforschung dramatisch zu erweitern und lebendige und robuste wirtschaftliche Möglichkeiten zu ermöglichen.“
Laserkommunikationssysteme bieten Missionen höhere Datenraten, was bedeutet, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Funkwellen mehr Informationen in einer einzigen Übertragung senden und empfangen können. Außerdem sind die Systeme leichter, flexibler und sicherer. Laserkommunikation kann die Hochfrequenzkommunikation ergänzen, die heute von den meisten NASA-Missionen verwendet wird.
Demonstration von Laserkommunikationsrelais (LCRD)
Am 7. Dezember 2021 startete die Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) in den Orbit, etwa 22.000 Meilen von der Erde entfernt, um die Fähigkeiten der Laserkommunikation zu testen. LCRD ist die erste Technologiedemonstration der Agentur für ein Zwei-Wege-Laserrelaissystem. Jetzt, da LCRD im Orbit ist, gehen die Laserkommunikationsfortschritte der NASA weiter.
Programm für LCRD-Experimentatoren
Im Mai 2022 bescheinigte die NASA, dass LCRD bereit ist, Experimente durchzuführen. Diese Experimente testen und verfeinern Lasersysteme – das übergeordnete Ziel der Mission. Von der NASA, anderen Regierungsbehörden, der Wissenschaft und der Industrie bereitgestellte Experimente messen die langfristigen Auswirkungen der Atmosphäre auf Laserkommunikationssignale; Bewertung der Anwendbarkeit der Technologie für zukünftige Missionen; und Testen der Laserrelaisfähigkeiten im Orbit.
„Wir werden einige Experimentergebnisse fast sofort erhalten, während andere langfristig sind und Zeit brauchen werden, bis sich während der zweijährigen Experimentierperiode von LCRD Trends abzeichnen“, sagte Rick Butler, Projektleiter für das LCRD-Experimentatorenprogramm bei Goddard Space Flight der NASA Zentrum in Greenbelt, Maryland. „LCRD wird die Fragen der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Laserkommunikation als Betriebsoption für Anwendungen mit hoher Bandbreite beantworten.“
„Das Programm sucht immer noch nach neuen Experimenten, und jeder, der daran interessiert ist, sollte sich melden“, sagte Butler. „Wir erschließen uns die Gemeinschaft der Laserkommunikation, und diese Experimente werden zeigen, wie die Optik für internationale Organisationen, Industrie und Wissenschaft funktionieren wird.“
Die NASA akzeptiert weiterhin Vorschläge für neue Experimente, um optische Technologien zu verfeinern, das Wissen zu erweitern und zukünftige Anwendungen zu identifizieren.
LCRD wird sogar Daten, die von der Öffentlichkeit kurz nach seinem Start übermittelt wurden, in Form von Neujahrsvorsätzen weitergeben, die mit den Social-Media-Konten der NASA geteilt werden. Diese Resolutionen werden von einer Bodenstation in Kalifornien übertragen und über LCRD an eine andere Bodenstation in Hawaii weitergeleitet, als eine weitere Demonstration der Fähigkeiten von LCRD.
TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD)
Kürzlich nach LCRD wurde die Nutzlast TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) am 25. Mai 2022 als Teil der Mission Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) von der Cape Canaveral Space Force Station auf der Transporter-5-Mitfahrmission von SpaceX gestartet. TBIRD wird 200-Gigabit-pro-Sekunde-Daten-Downlinks präsentieren – die höchste optische Rate, die jemals von der NASA erreicht wurde.
TBIRD setzt die optische Kommunikationsinfusion der NASA fort, indem es die Vorteile demonstriert, die Laserkommunikation für erdnahe wissenschaftliche Missionen haben könnte, die wichtige Daten und große detaillierte Bilder erfassen. TBIRD sendet Terabytes an Daten in einem einzigen Durchgang zurück, demonstriert die Vorteile einer höheren Bandbreite und gibt der NASA mehr Einblick in die Möglichkeiten der Laserkommunikation auf kleinen Satelliten. TBIRD hat die Größe einer Taschentuchbox!
„In der Vergangenheit haben wir unsere Instrumente und Raumfahrzeuge um die Einschränkung herum entworfen, wie viele Daten wir aus dem Weltraum zur Erde bringen oder zurückbringen können“, sagte TBIRD-Projektmanagerin Beth Keer. „Mit der optischen Kommunikation sprengen wir das aus dem Wasser, was die Datenmenge betrifft, die wir zurückbringen können. Es ist wirklich eine bahnbrechende Fähigkeit.“
Integriertes LCRD Low-Earth Orbit User Modem und Verstärkerterminal (ILLUMA-T)
Das Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T) wird Anfang 2023 im Dragon Trunk der 27. kommerziellen Versorgungsmission von SpaceX zur Internationalen Raumstation starten und Laserkommunikation in das Labor im Orbit bringen und das Leben der Astronauten stärken und dort mit erweiterten Datenfunktionen arbeiten.
ILLUMA-T wird Informationen aus Experimenten an Bord der Station sammeln und die Daten mit 1,2 Gigabit pro Sekunde an LCRD senden. Bei dieser Geschwindigkeit könnte ein Film in Spielfilmlänge in weniger als einer Minute heruntergeladen werden. LCRD leitet diese Informationen dann an Bodenstationen in Hawaii oder Kalifornien weiter.
„ILLUMA-T und LCRD werden zusammenarbeiten, um das erste Lasersystem zu werden, das Kommunikationsverbindungen zwischen niedriger Erdumlaufbahn und geosynchroner Umlaufbahn und Boden demonstriert“, sagte Chetan Sayal, Projektmanager für ILLUMA-T bei NASA Goddard.
Optisches Kommunikationssystem Orion Artemis II (O2O)
Das Orion Artemis II Optical Communications System (O2O) wird während der Artemis II-Mission an Bord der NASA-Raumsonde Orion Laserkommunikation zum Mond bringen. O2O wird in der Lage sein, hochauflösende Bilder und Videos zu übertragen, wenn Astronauten zum ersten Mal seit über 50 Jahren wieder in die Mondregion zurückkehren. Artemis II wird der erste bemannte Mondflug sein, der Laserkommunikationstechnologien demonstriert und Daten mit einer Downlink-Rate von bis zu 260 Megabit pro Sekunde zur Erde sendet.
„Indem wir neue Laserkommunikationstechnologien in die Artemis-Missionen einfließen lassen, ermöglichen wir unseren Astronauten mehr Zugang zu Daten als je zuvor“, sagte O2O-Projektmanager Steve Horowitz. „Je höher die Datenraten, desto mehr Informationen können unsere Instrumente nach Hause zur Erde senden und desto mehr Wissenschaft können unsere Mondforscher leisten.“
Die Bemühungen der NASA zur Laserkommunikation erstrecken sich auch auf den Weltraum. Derzeit arbeitet die NASA an einem zukünftigen Terminal, das die Laserkommunikation auf extreme Entfernungen und herausfordernde Ausrichtungsbeschränkungen testen könnte.
Ob es darum geht, Laserkommunikation zu erdnahen Missionen, zum Mond oder in den Weltraum zu bringen, die Infusion optischer Systeme wird ein wesentlicher Bestandteil zukünftiger NASA-Missionen sein. Die höheren Datenraten der Laserkommunikation werden es Forschungs- und Wissenschaftsmissionen ermöglichen, mehr Daten zur Erde zurückzusenden und mehr über das Universum zu erfahren. Die NASA wird Informationen aus Bildern, Videos und Experimenten nutzen können, um nicht nur die erdnahe Region zu erkunden, sondern sich auch auf zukünftige Missionen zum Mars und darüber hinaus vorzubereiten.