Chiny zrobiły kolejny ważny krok w rozwoju technologii potrzebnych do przyszłej eksploracji Księżyca. Naukowcy po raz pierwszy przetestowali w warunkach orbitalnych dwukierunkową szybką komunikację laserową między Ziemią a Księżycem. Połączenie działało na dystansie przekraczającym 400 tys. km, a w kierunku z przestrzeni kosmicznej na Ziemię osiągnięto przepustowość 100 Mb/s.
To może być jedna z technologii, które w przyszłości pozwolą przesyłać z Księżyca znacznie większe ilości danych niż za pomocą tradycyjnych systemów radiowych.
400 tysięcy kilometrów i połączenie laserowe
Test został przeprowadzony przez zespół chińskich instytucji naukowych kierowany przez Technology and Engineering Center for Space Utilization Chińskiej Akademii Nauk. W pracach uczestniczyły między innymi zespoły z Chińskiej Akademii Nauk, Zhejiang Lab oraz Yunnan Astronomical Observatory.
Po ponad roku testów na orbicie udało się ustanowić dwukierunkowe połączenie laserowe na dystansie ponad 400 tys. km. To istotna granica dla chińskiego programu komunikacji optycznej, ponieważ technologia wychodzi w ten sposób poza bezpośrednie otoczenie Ziemi i wkracza w przestrzeń Ziemia–Księżyc.
Wykorzystano do tego satelitę DRO-A znajdującego się na odległej orbicie okołoksiężycowej oraz naziemne systemy optyczne. Sama odległość nie była jednak największym problemem.
Laser trzeba było „trafić” w Księżyc z odległości 400 tysięcy kilometrów
Komunikacja laserowa ma ogromną zaletę: wiązka światła jest bardzo wąska i może przenosić dużo danych. Ta sama cecha staje się jednak problemem, gdy nadajnik i odbiornik dzieli setki tysięcy kilometrów.
Chińscy naukowcy porównują zadanie do „nawlekania igły z odległości tysiąca mil”. Nawet niewielkie drgania satelity, błędy ustawienia teleskopu czy turbulencje atmosferyczne mogą spowodować, że wiązka minie odbiornik. Przy takiej odległości nawet bardzo mała różnica kąta może oznaczać odchylenie sięgające kilometrów.
Zespół opracował więc system przechwytywania i śledzenia wiązki, który uwzględnia między innymi ruch satelity, błędy optyczne, refrakcję atmosferyczną oraz czas potrzebny światłu na pokonanie całego dystansu.
Dzięki temu nadajnik i odbiornik mogą pozostawać precyzyjnie skierowane na siebie mimo ciągłego ruchu.
Problemem były nawet pojedyncze fotony
Drugim wyzwaniem okazała się siła sygnału. Po pokonaniu ponad 400 tys. km wiązka docierająca do ziemskiego teleskopu jest ekstremalnie słaba. Naukowcy podkreślają, że detektory mogą odbierać zaledwie kilka fotonów jednocześnie.
Do tego dochodzą zakłócenia pochodzące od światła Księżyca, gwiazd czy nawet sztucznego oświetlenia na Ziemi.
Chiński zespół wykorzystał dlatego wysokoczułe nadprzewodzące detektory pojedynczych fotonów oraz zaawansowane algorytmy przetwarzania sygnału. Ich zadaniem było odróżnienie właściwego sygnału laserowego od ogromnej ilości przypadkowego szumu.
To właśnie ten element jest szczególnie istotny z punktu widzenia przyszłych misji. Sama możliwość skierowania lasera w stronę Księżyca nie wystarczy. System musi jeszcze być w stanie rozpoznać informację, która po pokonaniu tak ogromnego dystansu dociera do odbiornika w postaci niezwykle słabego sygnału.
100 Mb/s z Księżyca na Ziemię
Ostatecznie udało się uzyskać 1,25 Mb/s w kierunku Ziemia–Księżyc oraz 100 Mb/s w kierunku Księżyc–Ziemia.
Na pierwszy rzut oka 100 Mb/s może nie robić dziś szczególnego wrażenia. W warunkach ziemskich jest to przecież przepustowość, którą można spotkać w zwykłych domowych łączach. W przestrzeni kosmicznej sytuacja wygląda jednak zupełnie inaczej.
Dla zobrazowania różnicy chińscy naukowcy podają przykład zdjęcia powierzchni Księżyca w rozdzielczości 8K. Przy tradycyjnym łączu mikrofalowym o przepustowości około 5 Mb/s jego przesłanie może zajmować 4–5 minut. Przy laserowym łączu 100 Mb/s czas spada do około 12 sekund.
To właśnie przepustowość w kierunku Księżyc–Ziemia może mieć największe znaczenie. Przyszłe misje będą generować ogromne ilości danych: zdjęcia, pomiary, mapy, dane geologiczne, informacje z instrumentów naukowych czy materiały z powierzchni Księżyca.
Księżyc będzie potrzebował coraz szybszej komunikacji
Rozwój komunikacji laserowej nie jest przypadkowy. W najbliższych latach Księżyc ma stać się jednym z najważniejszych obszarów międzynarodowej eksploracji kosmicznej.
Powstawać mają kolejne orbitery, lądowniki i systemy badawcze, a w dalszej perspektywie również infrastruktura związana z długotrwałą obecnością człowieka.
Każdy taki system będzie generował dane, które trzeba będzie przesłać na Ziemię. Tradycyjna komunikacja radiowa nadal pozostaje podstawowym rozwiązaniem, ale jej przepustowość staje się coraz większym ograniczeniem.
Laser może być odpowiedzią na ten problem.
W przeciwieństwie do fal radiowych komunikacja optyczna pozwala wykorzystać bardzo wąską wiązkę światła, oferując wysoką przepustowość przy stosunkowo niewielkich i lekkich urządzeniach. Ma też zaletę w postaci bardzo precyzyjnego kierunkowania sygnału.
Chiny przesuwają komunikację kosmiczną poza orbitę Ziemi
Najważniejsze w chińskim eksperymencie nie jest więc samo osiągnięcie 100 Mb/s.
Znacznie ważniejsze jest udowodnienie, że dwukierunkowa komunikacja laserowa może działać na dystansie Ziemia–Księżyc w warunkach orbitalnych.
To oznacza przejście od demonstracji technologii stosowanych w pobliżu Ziemi do systemów przeznaczonych dla głębszej przestrzeni kosmicznej. Chińska Akademia Nauk określa to jako wyjście chińskiej komunikacji laserowej z orbity okołoziemskiej do przestrzeni Ziemia–Księżyc.
Technologia ma być dalej rozwijana z myślą o chińskich misjach załogowych, przyszłej infrastrukturze naukowej na Księżycu oraz dalszej eksploracji kosmosu.
I właśnie dlatego ten eksperyment warto traktować nie jako ciekawostkę, lecz jako kolejny element infrastruktury potrzebnej do stworzenia trwałej obecności człowieka poza Ziemią.
Jeśli na Księżycu rzeczywiście mają w przyszłości działać laboratoria, pojazdy, instrumenty naukowe i systemy załogowe, potrzebne będzie coś więcej niż tylko możliwość wysłania polecenia do oddalonego o 400 tys. kilometrów urządzenia. Potrzebna będzie szybka wymiana ogromnych ilości danych.
Chińscy naukowcy właśnie pokazali, że jedną z dróg do jej zapewnienia może być laser.
Foto: DepositPhotos.