Die TBIRD-Demonstration (TeraByte InfraRed Delivery) der NASA und ihr Trägerraumfahrzeug – der PTD-3 (Pathfinder Technology Demonstrator-3) – haben ihre Technologiedemonstration abgeschlossen. Die TBIRD-Nutzlast hat in den letzten zwei Jahren Weltrekorde für die schnellste Satelliten-Downlinkverbindung aus dem Weltraum mithilfe von Laserkommunikation gebrochen.
Die PTD-Serie der NASA nutzt ein gängiges kommerzielles Raumfahrzeug, um eine robuste Plattform für effektive Tests von Technologien mit minimalen Umgestaltungen zwischen den Starts bereitzustellen. Nach dem Start im Mai 2022 mit der SpaceX-Mission Transporter 5 erreichte das Raumfahrzeug PTD-3 eine niedrige Erdumlaufbahn, und kurz darauf begann TBIRD mit der Übertragung von Laserkommunikationssignalen an eine optische Bodenstation in Table Mountain, Kalifornien.
Die zweijährige Demonstration von TBIRD demonstrierte die Machbarkeit der Laserkommunikation. Die meisten NASA-Missionen basieren auf Hochfrequenz-Kommunikationssystemen. Bei der Laserkommunikation wird jedoch Infrarotlicht verwendet und eine einzige Kommunikationsverbindung kann deutlich mehr Daten bündeln. Diese Technologie ist ideal für wissenschaftliche und Erkundungsmissionen, bei denen große Datenübertragungen erforderlich sind.
Im Jahr 2023 brach TBIRD kontinuierlich seine eigenen Rekorde und erreichte im Juni seinen Höhepunkt, als es in einem einzigen Durchgang 4,8 Terabyte fehlerfreie Daten – das entspricht etwa 2.400 Stunden hochauflösendem Video – in fünf Minuten mit 200 Gigabit pro Sekunde übertrug.
Die TBIRD-Nutzlast war eine von vielen Demonstrationen der Laserkommunikation. Das SCaN-Programm (Space Communications and Navigation) der NASA entwickelt diese Technologie weiter, um zu demonstrieren, welche Auswirkungen Laserkommunikation auf die Übermittlung von mehr wissenschaftlichen und Erkundungsdaten haben kann. Die nächste Demonstration findet im Rahmen der Artemis-II-Mission statt.
Diese Mission hat nicht nur einen Weltrekord gebrochen, sondern auch ein kosteneffizientes Design und einen extrem geringen Größen-, Gewichts- und Energiebedarf bewiesen – sowohl beim PTD-3-Raumschiff als auch bei der TBIRD-Nutzlast. Die Nutzlast in der Größe einer Taschentuchbox enthielt zwei kommerzielle Telekommunikationsmodems, die das TBIRD-Team für die extremen Bedingungen des Weltraums modifiziert hatte.
Das PTD-3/TBIRD-System hat auch eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit Laserkommunikation gemeistert: die Herstellung der schmalen Laserverbindung bei Umlaufgeschwindigkeit und atmosphärischem Widerstand. Die präzise „Body-Pointing“- und Stabilitätsfunktion des PTD-3-Raumfahrzeugs ermöglichte es der TBIRD-Nutzlast, ihre Rekordleistung zu erreichen, während sie sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 27.000 km/h durch den Weltraum bewegte. Das Raumfahrzeug stellte einen Rekord für die höchste Zielgenauigkeit auf, die je von einem NASA-CubeSat ohne Bewegungsmechanismen oder Antriebssysteme erreicht wurde.
Das Ende der Missionen von PTD-3 und TBIRD war zu erwarten. Das System verfügte nicht über ein Antriebssystem, was bedeutet, dass die Mission, nachdem es in seine niedrige Erdumlaufbahn gebracht worden war, nur so lange andauern konnte, bis seine Umlaufbahn auf natürliche Weise abnahm.
Obwohl der Betrieb nur auf sechs Monate geplant war, dauerte die Demonstration von TBIRD weit über zwei Jahre und ermöglichte der NASA, mehr über den Betrieb von Laserkommunikation in niedrigen Erdumlaufbahnen zu erfahren.
Die im Rahmen von TBIRD gewonnenen Erkenntnisse werden bei zukünftigen Implementierungen der Laserkommunikation angewendet und minimieren Downlink-Einschränkungen bei Missionsdesigns, um so zukünftige Erkundungen und Entdeckungen zu ermöglichen.